高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電氣動(dòng)態(tài)特性

介紹了操動(dòng)機(jī)構(gòu)電氣動(dòng)態(tài)特性的專用測(cè)試裝置,并對(duì)測(cè)試實(shí)例進(jìn)行了分析。

1 引言

配電磁機(jī)構(gòu)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(shí)常發(fā)生斷路器關(guān)合失敗或關(guān)合爆炸事故。所以,國(guó)標(biāo)及歷次修訂的部頒《高壓開關(guān)檢修工藝》及《高壓開關(guān)反事故技術(shù)措施》中,對(duì)合閘操作電壓值均保留有具體規(guī)定,國(guó)標(biāo)規(guī)定:“當(dāng)合閘機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源的電壓或壓力處于表4 規(guī)定的下限時(shí)(表4 為85 %～110 %額定電壓) ,應(yīng)能關(guān)合其額定短路關(guān)合電流。” ,國(guó)標(biāo)規(guī)定的下限電壓值(習(xí)慣稱“剛合電壓”) ,由于“剛合電壓”是合閘動(dòng)態(tài)過程中某一點(diǎn)的瞬時(shí)值,沒有專用測(cè)試裝置時(shí)較難確定,所以國(guó)標(biāo)至今未對(duì)測(cè)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(dòng)等操動(dòng)機(jī)構(gòu),這類機(jī)構(gòu)的分合閘脫扣電磁鐵,在長(zhǎng)期運(yùn)行中常發(fā)生彎曲變形、銹澀或臟污粘滯使電磁鐵動(dòng)作不暢而導(dǎo)致斷路器拒動(dòng),此類故障每年約占全國(guó)開關(guān)拒動(dòng)、誤動(dòng)總事故率的26. 1 % 。而電磁鐵鐵芯的動(dòng)作狀況, 可以通過鐵芯運(yùn)動(dòng)與電流特性的關(guān)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(dòng)作狀況,預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題,對(duì)這類故障起到預(yù)防作用。

2 測(cè)試裝置

本文所研制的測(cè)試裝置可記錄、打印分、合閘操作電壓、電流動(dòng)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(dòng)態(tài)波形及數(shù)據(jù);另外,還可記錄合閘輔助接點(diǎn)斷開與觸頭剛接觸時(shí)的時(shí)間差值?？蔀楹祥l輔助接點(diǎn)斷開時(shí)刻的調(diào)整提供依據(jù)。

3 裝置的采點(diǎn)密度

高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)分、合閘時(shí)間較短,如合閘時(shí)間一般小于200 ms ,分閘時(shí)間一般小于60 ms ,快速開關(guān)甚至要小于20 ms。直流脫扣器的電流特性如圖1 所示,當(dāng)鐵芯因卡澀等動(dòng)作不正常時(shí),圖1 波形可能出現(xiàn)尖波甚至多個(gè)尖波,所以采點(diǎn)密度要考慮不丟失尖波。在這較短的分、合閘時(shí)間內(nèi),按快速斷路器的分閘時(shí)間20 ms 計(jì)算,假設(shè)20 ms 內(nèi)采點(diǎn)400 個(gè)時(shí),則每毫秒應(yīng)采點(diǎn)20 ,每點(diǎn)采樣時(shí)間50μs。

按2 ms 記錄一個(gè)尖波計(jì)算, 每個(gè)尖波采點(diǎn)40 , 每點(diǎn)采樣時(shí)間為50μs ,20 ms 可記錄10 次尖波,這樣完全可以真實(shí)地再現(xiàn)電磁鐵的動(dòng)作波形,實(shí)際上,電磁鐵的動(dòng)作波形一旦偏離圖1 波形時(shí),就應(yīng)判斷為電磁鐵動(dòng)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(diǎn)密度定為20 ms 內(nèi)采點(diǎn)不少于400。

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

以上時(shí)間區(qū)段的劃分分別對(duì)應(yīng)快速開關(guān)、一般開關(guān)和仍在運(yùn)行的老、舊開關(guān),由于合閘時(shí)間一般大于分閘時(shí)間,所以合閘時(shí)間多設(shè)了400 ms 一檔,如SN4 - 10 少油開關(guān)的合閘時(shí)間基本在400 ms 范圍內(nèi)。這樣,基本上覆蓋了所有開關(guān)的分、合閘動(dòng)作時(shí)間?？刂品绞讲捎脫艽a控制方式,即多路開關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4. 1 分閘動(dòng)態(tài)波形分析

圖2 為實(shí)測(cè)的CD10 Ⅱ型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘線圈操作電壓、電流的動(dòng)態(tài)特性波形。

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

在分閘線圈斷開時(shí)刻,線圈兩端都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向過電壓,但這個(gè)反向過電壓的幅值已超出裝置坐標(biāo)的最大刻度,估計(jì)約為- 350 V。

圖2 是小電流電磁鐵較為典型的電流波形。當(dāng)鐵芯的速度最大時(shí),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(dòng)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(dòng)態(tài)波形分析

圖3 為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的CD10 Ⅱ型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘線圈操作電壓、電流的動(dòng)態(tài)特性波形。

為便于分析操動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性電壓值,圖3 同時(shí)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(shí)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(dòng)的機(jī)械負(fù)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(shí)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(shí)應(yīng)為120 A ,合閘時(shí)間≤200 ms。

由于觸頭接觸時(shí),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(shí)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(guān)很快切斷合閘操作回路,表明合閘輔助接點(diǎn)調(diào)整正常,所以,可以判斷圖3 波形正常,斷路器合閘動(dòng)作正常。

圖3 合閘動(dòng)態(tài)波形的意義在于,當(dāng)剛合速度出現(xiàn)問題時(shí),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(shí)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(dāng)配電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器剛合速度不合格時(shí),若圖3 接觸器切斷時(shí)電壓Ucut低于80 %(85 %) 的額定操作電壓時(shí),應(yīng)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(shí),應(yīng)重點(diǎn)檢查斷路器本身存在的問題。這樣,對(duì)準(zhǔn)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(duì)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(duì)測(cè)試線,當(dāng)動(dòng)、靜觸頭接觸時(shí)計(jì)算機(jī)中斷,此時(shí)記錄的電壓值即為“剛合電壓”,實(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)到的CD10 Ⅰ型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘線圈電特性波形圖,由于實(shí)驗(yàn)室交流電源容量小,加上電源線截面較小,實(shí)驗(yàn)斷路器勉強(qiáng)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(cè)電壓。斷路器型號(hào)為SN10 - 10 Ⅰ型。

可以看出,由于斷路器合不上閘,只得將交流側(cè)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(shí)“剛合電壓”Ucpct也僅為120. 5 V ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)間將近200 ms。查部頒檢修工藝,該型斷路器合閘時(shí)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(shí)為98 A。對(duì)該斷路器進(jìn)行測(cè)速和測(cè)量動(dòng)作時(shí)間的結(jié)果為合閘動(dòng)作時(shí)間215. 3 ms ,剛合速度2. 7 m/ s ,均不合格。

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

5 結(jié)論

(1) 記錄分、合閘脫扣電磁鐵的電特性動(dòng)態(tài)波形,可分析判斷鐵芯的運(yùn)動(dòng)狀況,減少因鐵芯卡澀、變形等造成的拒分拒合故障。當(dāng)配電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器的速度特性出現(xiàn)問題時(shí),測(cè)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(jī)構(gòu)的合閘功。

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

參考文獻(xiàn):

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