基于線圈電流曲線與行程曲線的斷路器操作機構故障診斷的對比研究

(廣州供電局有限公司電力試驗研究院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

斷路器在電力系統中起到控制電網運行和保護電力設備雙重作用，其可靠性直接影響著電力系統的安全經濟運行。有關統計表明，斷路器操作機構機械故障占43.5%,因此斷路器操作機構的安全可靠性直接影響著斷路器的安全可靠性[1-5]。

國內外專家學者對斷路器操作機構狀態評估方法做了大量研究，如線圈電流曲線[6-9]、觸頭行程-時間曲線[10-12]、振動信號[13-14]、輔助觸頭轉換時間[15]等，其中研究較多的是線圈電流與觸頭行程。文獻[6-9]研究了基于線圈電流曲線對斷路器操作機構的狀態評估。文獻[10-11]研究了基于觸頭行程-時間曲線對斷路器操作機構故障的診斷，但都未對線圈電流曲線與觸頭行程-時間曲線這兩種斷路器操作機構狀態評估方法進行對比研究。

下面對斷路器操作機構的線圈電流特性與觸頭行程-時間特性進行了分析，對斷路器操作機構同一缺陷在線圈電流曲線與行程-時間曲線上的反映進行了對比研究。對比實驗研究表明，針對鐵芯卡澀、線圈電壓電阻變化、輔助觸頭滅弧困難、彈簧疲軟等故障，線圈電流曲線相比于行程-時間曲線能更靈敏、更準確地反映故障。為斷路器操作機構狀態評估方法的選擇提供了參考。

1 操作機構機械特性

1.1 分合閘線圈電流特性

高壓斷路器操作機構動作是通過線圈通電產生電磁力帶動鐵芯撞桿撞擊觸發器來釋放儲能，從而帶動傳動機構動作。由于直流電磁鐵的可靠性更高，且易于頻繁動作，因此在高壓斷路器操作機構中得到廣泛應用，其等效電路如圖1所示。

圖1 直流電磁鐵等效電路

圖1中，R、L(x)、x、i(t)和U分別為線圈回路總電阻、線圈等效電感、鐵芯位移、線圈電流和控制回路電壓。由于線圈等效電感與線圈匝數、總磁阻有關，總磁阻隨著鐵芯位移變化，所以線圈等效電感隨著鐵芯位移的變化而變化。根據圖1所示電路，線圈電壓回路可以用式(1)表示。

(1)

對式(1)中的電流、電感求偏導得

(2)

式中，v為鐵芯運動速度。

操作機構的線圈電流隨著鐵芯運動狀態的變化而變化，故鐵芯運動過程的異常狀態在線圈電流上會有所反映，線圈電流可評估操作機構的機械狀態。這里以合閘操作為例，對電磁鐵動鐵芯運動過程進行分析，圖2為典型合閘線圈電流曲線。

圖2 典型合閘線圈電流曲線

合閘線圈電流曲線可分為4個階段。

階段1(t0-t1)：t0時刻，線圈通電；但由于開始時線圈的電流太小，電磁鐵產生的電磁力小于靜摩擦力，鐵芯靜止在原處，電感為定值，所以線圈電流呈指數規律增加。此階段電流可表示為式(3)，電流上升速度可表示為式(4)。

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可知，當線圈電壓增大時，線圈電流最大值增大，線圈電流上升速度增大，階段1的持續時間減少。當線圈電阻增大時，線圈電流最大值減小，線圈電流上升速度減小，階段1的持續時間增長。當鐵芯初始氣隙增大時，初始電感減小，電流上升速度增大，且需更大的電流產生電磁力。當鐵芯動作前存在卡澀故障時，靜摩擦力增大時，需要更大的電磁力才能使鐵芯運動，使階段1的持續時間增長。所以階段1的電流曲線能夠反映線圈回路電壓、電阻、鐵芯初始氣隙、鐵芯動作前卡澀的問題。

階段2(t1-t2)：t1時刻，線圈電流產生的電磁力大于靜態阻力，鐵芯開始運動，鐵芯的運動速度開始增大，同時隨著鐵芯位移，線圈電感增大，線圈電流下降。t2時刻，鐵芯運動到位，產生的碰撞反作用力使鐵芯停下來，電磁鐵的電磁力使鐵芯保持在終點處。當鐵芯在運動過程中存在卡澀時，鐵芯的阻力增大，鐵芯加速度發生變化，線圈電感增長率變化，階段2的線圈電流曲線會發生畸變。所以根據階段2的線圈電流曲線可以反映鐵芯是否卡澀。

階段3(t2-t3)：t2時刻，鐵芯運動到位，動鐵芯靜止，氣隙變化，磁阻不變，電感達到最大值，線圈電流按指數規律上升。階段3電流可表示為式(5)。

(5)

由式(5)可知,階段3的線圈電流與線圈電壓與電阻有關，且當鐵芯頂桿連接的閥門或鎖扣機構存在缺陷，使鐵芯發生抖動，將會使電感不斷變化，使線圈電流曲線產生波動。

階段4(t3-t4)：階段4為電流切斷階段。t3時刻，輔助觸頭轉換，斷開線圈電源，電流下降。當輔助觸頭存在故障時，滅弧時間拉長，甚至無法切斷電流。

1.2 觸頭行程-時間特性

圖3為操作機構分合閘觸頭典型的行程-時間曲線。

階段1(ta-tb)：ta時刻，發出分合閘命令，電磁系統動作，tb時刻撞桿撞擊觸發器，動觸頭動作，這一階段為動觸頭的固有動作時間，分合閘線圈電壓、回路電阻及鐵芯卡澀故障將反映在固有動作時間上。

階段2(tb-tc)：tc時刻，斷路器剛分或剛合。此階段為動觸頭的運動過程，通過動觸頭的速度情況反映儲能機構情況與傳動機構卡澀情況。

階段3(tc-td)：td時刻，動觸頭分閘或合閘完成，停止運動。此階段反映了動觸頭的彈跳情況。

行程-時間曲線中固有動作時間ta-tb與階段2的平均速度v是反映斷路器操作機構狀態的2個重要特征參數，可用來判斷電磁系統、傳動機構故障情況。

圖3 典型的分合閘觸頭行程-時間曲線

2 線圈電流曲線與行程-時間曲線對比

將正常機構、故障機構的線圈電流曲線與行程-時間曲線進行對比分析。圖4為正常機構與卡澀故障機構的線圈電流曲線與行程-時間曲線。

從圖4(a)可明顯看出，故障機構的線圈電流曲線在階段2產生了畸變，可知鐵芯運動過程中存在卡澀。從圖4(b)可知正常機構的固有動作時間14.8 ms，平均速度4.8 m/s，剛分時刻34.6 ms，剛分速度5.67 m/s。故障機構固有時間17.6 ms，平均速度4.8 m/s，剛分時間37.3 ms，剛分速度5.76 m/s，可以看出故障機構行程曲線右移，固有動作時間增長，剛分時刻延后。所以，鐵芯卡澀導致線圈電流在階段2發生畸變，導致固有時間增長，剛分時刻延后。

同一機構不同電壓下的線圈電流曲線與行程-時間曲線如圖5所示。

從圖5(a)可明顯看出，電壓降低導致線圈電流幅值降低，階段1時間增長。從圖5(b)可知額定電壓情況下的機構固有動作時間41.6 ms，平均速度2.90 m/s，剛分時刻80.0 ms，剛分速度3.62 m/s。電壓降低情況下機構固有動作時間42.7 ms，平均速度2.88 m/s，剛分時刻83.8 ms，剛分速度3.66 m/s。可以看出電壓降低的行程-時間曲線右移，固有動作時間增長，剛分時刻延后。所以，電壓降低導致線圈電流幅值降低，階段1時間增長，固有動作時間增長，剛分時刻延后。

圖4 正常與卡澀故障情況下電流與行程曲線

圖5 220 V與198 V電壓下的電流與行程曲線

故從圖4(b)與圖5(b)可以看出鐵芯卡澀和線圈電壓降低都會導致行程-時間曲線右移，固有動作時間增長，剛分時刻延后。故從行程-時間曲線上無法分辨這兩種故障。但在線圈電流曲線上，這兩種故障有明顯的差別。

正常機構與滅弧困難故障機構的線圈電流曲線與行程曲線如圖6所示。

圖6 正常與故障情況下電流與行程曲線

從圖6(a)、(c)、(e)、(g)電流曲線可以明顯看出在電流切斷階段，滅弧困難故障機構的電流無法快速被切斷，滅弧時間過長。但從圖6(b)、(d)、(f)、(h)對應的行程曲線上來看，正常曲線與故障曲線基本重合，無明顯變化，其行程-時間曲線特征量如表1所示，tb為固有動作時間，tc為剛分時刻，v1為平均速度，v2為剛分速度。從表1中特征量可明顯看出正常與故障機構的行程-時間特征量都沒明顯差異。故線圈電流曲線相較于行程曲線判斷機構滅弧困難更明顯，更準確。

提取同一機構分合閘不同動作次數情況下的機械特性曲線，研究不同彈簧疲軟程度在線圈電流曲線和行程時間曲線上的反映，如圖7、圖8所示。

表1 行程-時間特征量 單位：ms

圖7 不同彈簧疲軟程度下的分閘電流與行程曲線

圖8 不同彈簧疲軟程度下的合閘電流與行程曲線

從圖7(a)、圖8(a)電流曲線可明顯看出來，動作次數越多，彈簧疲軟程度越大導致線圈通電時間越長。但從圖7(b)、圖8(b)上來看，動作次數增多彈簧疲軟程度的增大在行程-時間曲線上卻基本沒反映，不同動作次數的曲線基本重合。其行程-時間曲線特征量如表2、表3所示，從表中特征量也可明顯看出，不同彈簧疲軟程度下的行程-時間特征量都基本無差異。故線圈電流曲線相較于行程-時間曲線判斷彈簧疲軟程度方面更簡單更明顯。

表2 不同彈簧疲軟程度下的分閘行程時間特征量

表3 不同彈簧疲軟程度下的合閘行程時間特征量

3 結 語

從理論上分析了斷路器線圈電流曲線與行程-時間曲線的各階段影響因素。通過將故障機構與正常機構在電流曲線和行程曲線上進行對比可知：

1)鐵芯卡澀、線圈電壓降低、線圈電阻增大、空行程增大在行程曲線上都反映為曲線右移，固有動作時間延長，剛剛分閘時刻延后。行程曲線無法區分故障類型，但在電流曲線上，故障表現明顯且易于區分。

2)滅弧困難在電流曲線上反映為電流切斷階段時間延長，但在行程曲線卻基本無任何反映。

3)彈簧疲軟程度的增加，在電流曲線上反映為線圈通電時間增加，但在行程曲線上也基本無任何反映。

綜上所述，線圈電流曲線比行程-時間曲線能更靈敏更準確地反映鐵芯卡澀、線圈電壓電阻變化、輔助觸頭滅弧困難、彈簧疲軟故障。為之后的斷路器操作機構狀態評估方法的選擇上提供了參考方向。