斷路器操作機構分合閘電磁鐵線圈故障分析

蔣龍 馬峰 范雪麗

（1．南方電網公司曲靖局 2．西安西電高壓開關操動機構有限責任公司）

0 引言

電磁鐵線圈是高壓斷路器操作機構的重要元件之一。當線圈中通過電流時，在電磁鐵內產生磁通，鐵心受到電磁力作用吸合，打開鎖扣或一級球閥，操作機構動作帶動斷路器滅弧室分閘或合閘。

不管斷路器使用什么操動機構（電動機機構除外），都會有相應的分合閘線圈，作為斷路器操作的一級控制單元，線圈的電流波形包含很多信息，反映了電磁鐵本身以及所控制的鎖閂或閥門以及有關傳動件在操作過程中的工作情況。通過對斷路器分合閘線圈電流的監測，可知道操動機構的鐵心運動時間、機構啟動時間、線圈通電時間等，同時結合斷路器自身的參數范圍，可判斷斷路器的線圈狀態（如是否存在鐵心吸合不良、鐵心卡滯、匝間短路）以及操作機構相關元件的狀況[1]。

1 分合閘線圈的工作原理和結構

1.1 分合閘回路的電磁鐵線圈電路等效電路圖

電磁鐵線圈電路的等效電路圖如圖1所示。

1.2 液壓機構中常用的電磁閥結構[2-4]

氮氣儲能液壓機構常用的常閉式二位三通電磁閥的如圖2所示，彈簧儲能液壓機構中常用的常閉式二位二通電磁閥如圖3所示。

1.3 彈簧機構中常用的電磁鐵結構[5、6]

彈簧機構中常用的合閘電磁鐵和分閘電磁鐵的結構分別如圖4和圖5所示。

2 電磁鐵線圈電流的變化[7]

2.1 電磁鐵線圈電流變化的微分方程

電磁鐵線圈電流的變化可用微分方程表示為：

式中，Ψ為磁鏈。假設電磁鐵不飽和，則有Ψ＝Li，電感L不隨i變化，但隨電磁鐵的氣隙δ變化而變化，即：

當電磁線圈剛接通電源U時，由于線圈有一定電感L，電流i不能馬上達到觸動電流Id，而是由零逐漸增大。與此同時，鐵心的吸引力也逐漸增大。在電磁鐵的吸引力不足以使鐵心動作時，δ=δmax為常數，即鐵心的運動速度為v=0。所以有：

式中，L1為δ=δmax時，電磁鐵線圈電感微分方程的通解是：

式中，C為通解常數。由t=0，i=0的初始條件得微分方程的一個特解：

因此，在鐵心運動之前，線圈電流i呈指數上升。在時間t1電流增大到動作電流Id，電磁鐵的吸力超過反力（如鐵心重力、加在鐵心上的彈簧力等），鐵心開始運動，v＞0。等值回路中增加一隨時間增大的反電動勢，一般情況下，線圈電流i比鐵心剛開始運動時的觸動電流Id的數值要小，因此，電流i偏離指數上升曲線，不斷下降。這一過程直到鐵心吸合，鐵心停止運動，v＞0。由式（2），電流的微分方程變為

式（6）中，L2為δ=δmax時電磁鐵線圈的電感。故電流以鐵心停止t=t2時的電流I2為初值，按指數規律上升，最后達到穩定狀態值

一般來說，電磁鐵結構設計時：總行程S=空行程G+超行程g，最大氣隙δmax＞S；最小氣隙δmax≥0。

2.2 分合閘線圈鐵心運動各時間段的電流特性波形

上述變化過程可用圖6中的典型分合閘線圈電流特性波形說明，這一波形根據鐵心的運動可以分為5個時間段：

2.2.1 觸動時間段

t0至t1；觸動時間段，線圈在t0時通電直到t1時動鐵心開始運動到達觸動電流Id，這個時間段線圈電流i波形呈指數上升,微分方程如式（4）所示。

2.2.2 運動時間段

t1至t2；運動時間段，電流下降。t2為線圈電流的谷點，稱吸合電流I2，代表動鐵心已經走完全行程（彈簧機構的全行程要保證一級摯子可靠解鎖，液壓機構的全行程要保證一級球閥完全打開），因而顯著減速或停止運動，這個時間段線圈電流i波形偏離指數上升曲線，不斷下降，微分方程如式（5）所示。

2.2.3 恢復時間段

t2至t3；恢復時間段，動鐵心停止運動，電流又呈指數上升達到近似的穩態電流I，這個時間段線圈電流i波形又呈指數上升，微分方程如式（6）所示，直至升至穩態電流

2.2.4 穩態時間段

t3至t4；穩態時間段，這一時間段是時間段3的延續，電流i波形近似為穩態電流

2.2.5 分斷時間段

t4至t5；分斷時間段，電流開斷階段，輔助開關K切換分斷、電弧熄滅、電流i從穩態到零。

其中，觸動時間段t0?t1；與控制電源及線圈電阻、動鐵心重力、摩擦力、復位彈簧力等有關；運動時間段t1?t2的變化表征電磁鐵動鐵心動作過程有無卡滯、操作機構脫扣摯子及球閥等機械負載變動情況；恢復時間段t2?t3、穩態時間段t3?t4反映鐵心吸合面及輔開觸點是否接觸良好，操作傳動系統運動有無異常（如震動過大）的情況；分斷時間段t4?t5反映輔開的開斷能力。其中：時間段t0?t2在操作機構中稱為電磁鐵（電磁閥）動作時間，也是操作機構機械特性的重要參數。通過以上幾個不同特征時間的分析可以方便地診斷斷路器部分機械故障及故障趨勢，包括分、合閘時間變長，拒分、拒合等故障。

3 分合閘線圈（直流線圈）的基本要求[8、9]

3.1 適用溫度

環境溫度-30～70℃（超出范圍在訂貨時要特別指出）。

3.2 耐電壓性能

線圈對地工頻耐壓2kV/1min或2.5kV/1s，匝間絕緣應能承受2.5倍額定電壓1min的交流試驗電壓；

3.3 工作制

工作制是電磁鐵所承受的一系列負載狀況的說明，操動機構電磁鐵一般可選用短時工作制或瞬時周期工作制（如液壓彈簧機構中哈威電磁閥的負載持續率為2%），在限制線圈最長通電時間的同時，為了保證吸合的可靠性，斷路器中不同的操作機構、不同結構的電磁鐵線圈都有一個最短通電時間。如某種彈簧機構電磁鐵線圈的最短通電時間不小于40ms；某種液壓機構不小于30ms。

3.4 操作電壓

分閘電磁鐵線圈在額定電源電壓的65%～110%（直流）范圍內、合閘電磁鐵線圈在額定電源電壓的85%～110%（直流）范圍內、液壓和氣動機構在液（氣）壓操作壓力的上、下限之間時，應能可靠動作。旁路開關的操作機構電磁鐵和此要求相反。

當電源電壓等于或小于額定電源電壓的30%時，液壓和氣動機構在液（氣）壓操作壓力的下限時，分合閘電磁鐵不應導致操作機構動作。

3.5 絕緣等級及溫升試驗

不同的操作機構電磁鐵線圈的絕緣等級要求也不一樣，一般彈簧機構、氣動機構和液壓氮氣機構的線圈要求最小為A級（40℃時溫升不大于65K），液壓彈簧機構要求最小為E級（40℃時溫升不大于80K）。溫升試驗用電阻法測線圈溫升，通電10次，每次1s，兩次之間間隔10s；或一次通電15s（機構不具備自動斷開線圈回路），其溫升不應超過規定值。

3.6 液壓機構電磁閥的內部密封

高壓油液少量的損耗是不可避免的，液壓機構電磁閥的允許泄漏率由各制造廠根據產品的整體要求自行規定。大多情況下＜4cc/24h, 泄漏率應低于允許泄漏率，且不應隨時間的增長而持續增大，或不應隨著斷路器操作次數增加而增大，不應引起斷路器的誤動作，也不應對操作者造成任何傷害。

4 故障診斷實例分析

線圈電流波形對應的特征參數有：時間量（以t0為時間零點）t1、t2、t3、t4、t5和電流i變化后的量值Id、I2、I。由前述波形分析可知，電流波形中的時間參數t對應著線圈在勵磁、動鐵心全行程及機構運動過程中的各個時間段。

幾種典型的線圈電流波形如圖6～圖10所示。狀態完好的斷路器線圈電流波形如圖6所示，以線圈開始通電為時間原點.典型故障情況下的線圈電流波形，如圖7～圖10所示。

對各時間段的波形進行分析，從分析結果中很容易找到波形的畸變點，從畸變點發生位置對應的時間段，找到斷路器分合閘線圈故障的原因。

4.1 斷路器操動機構正常的線圈電流波形

4.2 典型故障情況下的線圈電流波形

4.2.1 故障點在觸動電流段

故障點在觸動時間段t0?t1內的tx處；反映在波形圖上如圖7所示，這種故障可能導致電磁鐵動作時間（t2）變長，使斷路器的動作時間變長，嚴重的可引起拒動，影響產品可靠性。這種故障大都是動鐵心或傳動摯子（閥針）運動卡滯、或電壓不足引起的。

4.2.2 故障點在觸動電流和吸合電流交界點

故障點在t1終點附近，觸動電流和吸合電流交界點，可能導致電磁鐵或閥系統動作時間（t2）變長，甚至拒動。反映在波形圖上如圖8所示，這種故障大都由鐵心空程變大、電壓變低、動鐵心卡滯引起的。

4.2.3 故障點在吸合電流點（t2終點）和恢復段（t2?t3之間）

故障點在t2終點附近抖動，反映在波形圖上如圖9（a）所示，這種故障可能導致電磁鐵恢復時間（t3）變長，使斷路器的動作時間變長，影響可靠性。這種故障大都是動靜鐵心吸合時接觸不良引起的。

故障點在（t2?t3之間），反映在波形圖上如圖9（b）所示，這種故障可能導致電磁鐵恢復時間（t3）變長，使斷路器的動作時間變長，影響可靠性。這種故障可能是由動鐵心桿（或閥針、撞桿）變形引起的。

4.2.4 故障點在恢復段（t2?t3之間）

電磁鐵線圈帶電時間太短，還遠沒達到穩態電流輔助開關就切換了，反映在波形圖上如圖10所示，這種故障可能導致電磁鐵吸合不可靠，影響可靠性。這種故障可能是由輔助開關傳動移位或變形引起的。

4.2.5 故障點在穩態時間段（t3?t4之間）

電磁鐵線圈帶電穩態時間段接觸不好，有彈跳，反映在波形圖上如圖11所示，這種故障可能是由操作回路（包括輔助開關）接觸點松動或斷路器操作過程中震動太大引起的。會影響智能化斷路器的保護或監測功能的可靠性。

4.2.6 故障點在恢復段（t4?t5之間）

輔助開關切換時開斷電流不成功，即電流未完全開斷，反映在波形圖上如圖12所示，這種故障可能導致電磁鐵脫開不可靠，影響可靠性。這種故障可能是由輔助開關斷口耐電壓不夠引起的。

5 結束語

本文介紹了利用檢測分合閘線圈電流波形來判斷斷路器動作特性故障的一種實踐中使用的簡單易行的方法，通過對分、合閘線圈電流波形進行分段，利用一定的數學方法分析各段電流波形的特征，用這種特征來描述、判斷斷路器操作機構的動作特性故障，檢測（監測）斷路器操動機構分、合閘線圈電流波形的變化，可以判斷分、合過程中斷路器特性產生的相關變化。實際應用證明：此方法簡單可行，在新產品設計試驗、產品出廠調試、電網運行檢修時都能快速準確地分析判斷故障，對現在智能斷路器狀態檢修來說，通過對分合閘線圈電流波形的監測，可以發現高壓斷路器存在的隱患，診斷并預測出斷路器的設備狀態，進一步提高斷路器的狀態檢修監測水平，保障電網的安全穩定運行。