高壓斷路器操動機構的電氣動態(tài)特性

介紹了操動機構電氣動態(tài)特性的專用測試裝置,并對測試實例進行了分析。

1 引言

配電磁機構的高壓斷路器,由于二次直流系統(tǒng)操作電源的問題,以往時常發(fā)生斷路器關合失敗或關合爆炸事故。所以,國標及歷次修訂的部頒《高壓開關檢修工藝》及《高壓開關反事故技術措施》中,對合閘操作電壓值均保留有具體規(guī)定,國標規(guī)定:“當合閘機構的動力源的電壓或壓力處于表4 規(guī)定的下限時(表4 為85 %～110 %額定電壓) ,應能關合其額定短路關合電流。” ,國標規(guī)定的下限電壓值(習慣稱“剛合電壓”) ,由于“剛合電壓”是合閘動態(tài)過程中某一點的瞬時值,沒有專用測試裝置時較難確定,所以國標至今未對測試方法作出規(guī)定[2 ] 。

高壓、超高壓斷路器大多配液壓、彈簧、氣動等操動機構,這類機構的分合閘脫扣電磁鐵,在長期運行中常發(fā)生彎曲變形、銹澀或臟污粘滯使電磁鐵動作不暢而導致斷路器拒動,此類故障每年約占全國開關拒動、誤動總事故率的26. 1 % 。而電磁鐵鐵芯的動作狀況, 可以通過鐵芯運動與電流特性的關系反映出來,如果能記錄分合閘脫扣電磁鐵的電流波形,便可掌握鐵芯的動作狀況,預先發(fā)現(xiàn)問題,對這類故障起到預防作用。

2 測試裝置

本文所研制的測試裝置可記錄、打印分、合閘操作電壓、電流動態(tài)波形;記錄打印剛合、最低操作電壓及空載操作電壓值;輸出打印各動態(tài)波形及數(shù)據(jù);另外,還可記錄合閘輔助接點斷開與觸頭剛接觸時的時間差值。可為合閘輔助接點斷開時刻的調(diào)整提供依據(jù)。

3 裝置的采點密度

高壓開關操動機構分、合閘時間較短,如合閘時間一般小于200 ms ,分閘時間一般小于60 ms ,快速開關甚至要小于20 ms。直流脫扣器的電流特性如圖1 所示,當鐵芯因卡澀等動作不正常時,圖1 波形可能出現(xiàn)尖波甚至多個尖波,所以采點密度要考慮不丟失尖波。在這較短的分、合閘時間內(nèi),按快速斷路器的分閘時間20 ms 計算,假設20 ms 內(nèi)采點400 個時,則每毫秒應采點20 ,每點采樣時間50μs。

按2 ms 記錄一個尖波計算, 每個尖波采點40 , 每點采樣時間為50μs ,20 ms 可記錄10 次尖波,這樣完全可以真實地再現(xiàn)電磁鐵的動作波形,實際上,電磁鐵的動作波形一旦偏離圖1 波形時,就應判斷為電磁鐵動作不正常,記錄更多的尖波已經(jīng)意義不大,所以將裝置的采點密度定為20 ms 內(nèi)采點不少于400。

由于高壓開關的種類較多,分、合閘時間的長短差別較大,對于動作時間較長的,打印波形過長,對于動作時間較短的,又會因打印波形太短清晰度較差,為使各種高壓開關的動作時間曲線波形按要求的清晰度完整地打印出來,本裝置針對不同開關的分、合閘時間設置了不同區(qū)段的打印控制。分閘時間的波形打印控制分為30、80ms 和120 ms 三檔;合閘時間的波形打印控制分為50、100、200 ms 和400 ms四檔。

以上時間區(qū)段的劃分分別對應快速開關、一般開關和仍在運行的老、舊開關,由于合閘時間一般大于分閘時間,所以合閘時間多設了400 ms 一檔,如SN4 - 10 少油開關的合閘時間基本在400 ms 范圍內(nèi)。這樣,基本上覆蓋了所有開關的分、合閘動作時間。控制方式采用撥碼控制方式,即多路開關。

4 實驗結果分析

4. 1 分閘動態(tài)波形分析

圖2 為實測的CD10 Ⅱ型電磁操動機構分閘線圈操作電壓、電流的動態(tài)特性波形。

由圖2 可讀出分閘線圈的通電時間,根據(jù)分閘線圈的通電時間,一旦斷路器分閘出現(xiàn)異常時,可幫助專業(yè)人員進行輔助分析,如區(qū)分電氣回路問題還是電磁鐵鐵芯動作時的機械問題。從圖2 看出,分閘線圈的通電時間約為60 ms ,屬正常范圍[5 ] 。

在分閘線圈斷開時刻,線圈兩端都會出現(xiàn)一個反向過電壓,但這個反向過電壓的幅值已超出裝置坐標的最大刻度,估計約為- 350 V。

圖2 是小電流電磁鐵較為典型的電流波形。當鐵芯的速度最大時,電流降到最低。從電流波形看曲線平滑,沒有出現(xiàn)鋸齒波現(xiàn)象,表明鐵芯動作正常。根據(jù)以上分析可知,圖2 波形是正常波形。

4. 2 合閘動態(tài)波形分析

圖3 為現(xiàn)場實測的CD10 Ⅱ型電磁操動機構合閘線圈操作電壓、電流的動態(tài)特性波形。

為便于分析操動機構的特性電壓值,圖3 同時輸出空載合閘操作電壓Uhmax = 210. 0 V( t = 0. 25 ms) 、最低合閘操作電壓Uhmin = - 350. 3 V( t = 103. 0 ms) 、接觸器切斷時電壓Ucut = 197. 2 V( t = 95. 9 ms) 和“剛合電壓”Ucpct = 0. 0 V( t = 97. 7 ms) 。

從圖中看,雖然反向過電壓已超出最大刻度,但輸出打印值仍可精確反映過電壓的程度。由于合閘電磁鐵帶動的機械負荷較大,所以從波形上看,電流上升比較緩慢。

圖3 是合閘線圈較為典型的波形,合閘線圈通電時間不足100 ms ,合閘操作電流最大值約為90 A ,查部頒檢修工藝 ,合閘線圈直流電壓220 V 時應為120 A ,合閘時間≤200 ms。

由于觸頭接觸時,合閘接觸器己切斷操作電源,所以“剛合電壓”為零,但圖3 合閘接觸器切斷時電壓Ucut = 197. 2 V( t = 95. 9 ms) ,滿足85 %(80 %)額定操作電壓的要求,表明操作電源正常;從電流波形看,在波峰過后合閘輔助開關很快切斷合閘操作回路,表明合閘輔助接點調(diào)整正常,所以,可以判斷圖3 波形正常,斷路器合閘動作正常。

圖3 合閘動態(tài)波形的意義在于,當剛合速度出現(xiàn)問題時,根據(jù)圖3 可將斷路器本身的問題與操作電源問題區(qū)分開。眾所周知,造成高壓斷路器的剛合速度不合格的原因有斷路器本身的因素,同時也有操作電源的因素,如操作電源容量不足、蓄電池老化或?qū)Ь€截面小等。當配電磁操動機構的斷路器剛合速度不合格時,若圖3 接觸器切斷時電壓Ucut低于80 %(85 %) 的額定操作電壓時,應首先檢查和排除操作電源問題;若圖3 Ucut在80 %(85 %) 的額定操作電壓以上時,應重點檢查斷路器本身存在的問題。這樣,對準確判斷問題所在提供了有力的依據(jù),這不僅可提高檢修調(diào)試效率,更可避免對斷路器的誤調(diào)整而帶來的其它隱患。

本裝置在斷路器斷口間加一對測試線,當動、靜觸頭接觸時計算機中斷,此時記錄的電壓值即為“剛合電壓”,實際上從合閘線圈通電到合閘接觸器斷開操作回路, 如果任何一點的電壓值不低于80 %(85 %) ,也能表明“剛合電壓”不低于80 %(85 %) 。

4. 3 故障波形分析

圖4 是在實驗室測到的CD10 Ⅰ型電磁操動機構合閘線圈電特性波形圖,由于實驗室交流電源容量小,加上電源線截面較小,實驗斷路器勉強能合閘,所以這種波形類似于故障波形。直流操作電源交流整流濾波后獲得, 直流操作電壓調(diào)整通過調(diào)壓器調(diào)整交流側電壓。斷路器型號為SN10 - 10 Ⅰ型。

可以看出,由于斷路器合不上閘,只得將交流側電壓調(diào)到最大, 所以電源空載合閘操作電壓Uhmax 為248. 0 V ,但此時“剛合電壓”Ucpct也僅為120. 5 V ,遠遠低于80 %額定合閘操作電壓。合閘電流約94 A ,合閘線圈帶電時間將近200 ms。查部頒檢修工藝,該型斷路器合閘時間≤200 ms ,80 %額定操作電壓下的剛合速度≥3. 0 m/ s。合閘線圈電流200 V 時為98 A。對該斷路器進行測速和測量動作時間的結果為合閘動作時間215. 3 ms ,剛合速度2. 7 m/ s ,均不合格。

應用本裝置,可立即判明該斷路器剛合速度和動作時間不合格的原因是操作電源所致,應首先處理操作電源問題,無需對斷路器進行調(diào)整,這就大大提高了檢修調(diào)試的效率,也防止了對斷路器的誤調(diào)整。

5 結論

(1) 記錄分、合閘脫扣電磁鐵的電特性動態(tài)波形,可分析判斷鐵芯的運動狀況,減少因鐵芯卡澀、變形等造成的拒分拒合故障。當配電磁操動機構的斷路器的速度特性出現(xiàn)問題時,測量和記錄合閘線圈的電壓特性,可判明問題所在和保證電磁機構的合閘功。

(2) 在切斷分、合閘線圈時,瞬間將在線圈兩端產(chǎn)生一個陡度很大的反向過電壓,當這個反向過電壓幅值過高時,將對線圈的絕緣產(chǎn)生較大的危害,而本裝置的應用可直觀地反映出過電壓的程度,從而對分析分、合閘線圈絕緣擊穿或燒毀原因,及制定防止對策提供了有力的分析依據(jù)。

參考文獻:

[1 ] GB11022 - 89. 高壓開關設備通用技術條件[ S] .

[2 ] 王晉根. 斷路器分、合閘操作電(氣) 壓限值范圍的規(guī)定依據(jù)及分析[J ] . 高壓開關行業(yè)通迅,1993 ,No. 9 :28.

[3 ] 袁大陸,杜彥明. 1989～1997 年全國高壓開關設備事故分析

[ R] . 北京:電力科學研究院,1998.

[4 ] 電機工程手冊(第24 篇高壓開關設備) [M] . 北京:機械工業(yè)出版社,1979.

[5 ] 能源部電力司. SN10 - 10 少油斷路器檢修工藝[M] . 北京:水利電力出版社,1992.

[6 ] 國家電力公司. 高壓開關設備反事故技術措施[R]. 1999.