斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)過(guò)程研究

崔建華

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的快速發(fā)展，斷路器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作中的相關(guān)參數(shù)、原理以及構(gòu)造是本文研究的主要內(nèi)容。針對(duì)工作中的斷路器來(lái)說(shuō)，故障高發(fā)的部位主要是操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁鐵與緩沖器，斷路器的工作狀態(tài)簡(jiǎn)單，主要是表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)的開(kāi)與合，本文也以此為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：斷路器;機(jī)械結(jié)構(gòu);動(dòng)態(tài)過(guò)程

引言

高壓斷路器使用壽命是生產(chǎn)廠家和電力企業(yè)都十分關(guān)心的一個(gè)可靠性指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)斷路器可靠性水平高低的最具說(shuō)服力和最直接的指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)與高等院校在高壓斷路器的機(jī)械壽命預(yù)測(cè)方面做了大量的研究工作，雖然沒(méi)有一種預(yù)測(cè)模型能獲得普遍認(rèn)可，但是有一點(diǎn)已然形成共識(shí)，那就是高壓斷路器的分合閘時(shí)間與開(kāi)斷次數(shù)有著明顯的相關(guān)性，分合閘時(shí)間在一定程度上反映了高壓斷路器的使用壽命。機(jī)械特性參數(shù)是判斷斷路器性能的重要參數(shù)之一。規(guī)程中對(duì)斷路器機(jī)械特性各參數(shù)都有明確規(guī)定值，各參數(shù)均在合格范圍內(nèi)是確保斷路器可靠運(yùn)行的前提。各參數(shù)間會(huì)相互影響，某個(gè)參數(shù)發(fā)生變化可能會(huì)引起其他參數(shù)的變化，所以在機(jī)械特性參數(shù)調(diào)整前應(yīng)先弄清其變化緣由，并在調(diào)整時(shí)綜合考慮。

1斷路器的結(jié)構(gòu)

斷路器主要由四個(gè)部分組成，分別為導(dǎo)電、絕緣、接觸系統(tǒng)和滅弧裝置部分以及操作系統(tǒng)，斷路器在工作中的正常運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)正是依托于以上部分。導(dǎo)通電流作用的承擔(dān)者是導(dǎo)電部分，其主要作用不只是保證電流長(zhǎng)時(shí)間的流通，在功能上與承擔(dān)壓力上要經(jīng)受超負(fù)荷與短路電流以及其他不正常的電流等，保證正常斷路器正常工作狀態(tài);用于工作維修人員人身安全保護(hù)的措施主要依靠絕緣部分完成，絕緣在形式上包含了端口、對(duì)地與相間絕緣等;斷路器在運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)合操作由接觸系統(tǒng)和滅弧裝置完成，這兩部分也可用于衡量開(kāi)合閘的能力;在斷路器中的控制觸頭的斷開(kāi)與接通操作主要是由操作系統(tǒng)完成，其保障了斷路器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的速度與時(shí)間。在進(jìn)行分閘時(shí)，首先要判斷斷路器處于的狀態(tài)是否為合閘，操作機(jī)構(gòu)的受電工作驅(qū)動(dòng)始于分閘線圈，動(dòng)靜觸頭的相關(guān)運(yùn)作狀態(tài)取決于分閘彈簧的彈力和電磁力，當(dāng)觸頭停留在可靠位置時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)停止運(yùn)動(dòng);當(dāng)進(jìn)行合閘操作時(shí)，首先要判斷斷路器處于的狀態(tài)是否為分閘，操作機(jī)構(gòu)的受電工作驅(qū)動(dòng)始于線圈，分閘彈簧被壓縮，從而為后續(xù)的分閘操作打下基礎(chǔ)，為分閘做準(zhǔn)備，相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在動(dòng)與靜觸頭之間，當(dāng)觸頭停留在可靠位置時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)結(jié)束運(yùn)動(dòng)。

2斷路器的動(dòng)態(tài)特性

2.1斷路器的開(kāi)關(guān)電弧

斷路器工作的基本形態(tài)與操作就是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成電路的開(kāi)斷。開(kāi)斷電流主要依靠觸頭完成，在斷路器的正常工作形態(tài)下，當(dāng)工作電壓范圍處于12-20V時(shí)，電流在數(shù)值上的范圍是0.25-1A，斷路器的觸頭之間會(huì)產(chǎn)生電弧，即擁有導(dǎo)電性能的氣體，此氣體擁有明亮的顏色且十分炙熱。開(kāi)斷操作就是當(dāng)電弧熄滅時(shí)順利完成。導(dǎo)電特性的原因使存在電弧情況時(shí)系統(tǒng)的工作狀態(tài)為導(dǎo)通且延時(shí)開(kāi)斷，觸頭在高溫度環(huán)境狀態(tài)下極容易造成磨損，導(dǎo)致絕緣效果變?nèi)酢ｋ娏鹘?jīng)過(guò)零點(diǎn)位置之后，等離子體作為電弧的一項(xiàng)重要性質(zhì)發(fā)揮著作用。其中的一項(xiàng)影響因素為衰減分量，即電流在流經(jīng)零點(diǎn)位置時(shí)，其時(shí)間并不是準(zhǔn)確固定的，當(dāng)過(guò)早時(shí)會(huì)進(jìn)而導(dǎo)致畸變電流的產(chǎn)生。燃弧時(shí)間段內(nèi)，將電弧等效看作非線性電阻，電阻數(shù)值能夠決定電流數(shù)值大小，進(jìn)而導(dǎo)致開(kāi)斷電流在起弧時(shí)產(chǎn)生畸變，起弧時(shí)間可以根據(jù)這一特征得到確定。

2.2斷路器機(jī)械參數(shù)測(cè)試裝置校驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了確保斷路器機(jī)械參數(shù)測(cè)試裝置的精度，利用VHDL語(yǔ)言在FPGA內(nèi)部構(gòu)建“斷路器動(dòng)作模擬模型”，真實(shí)地模擬斷路器3個(gè)或6個(gè)斷口的分合閘動(dòng)作過(guò)程，依據(jù)需要可以設(shè)置不同端口的動(dòng)作時(shí)間，為待檢測(cè)試裝置提供標(biāo)準(zhǔn)值。待檢測(cè)試裝置測(cè)量值與設(shè)置值經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，得到待測(cè)檢測(cè)儀精度是否達(dá)到要求。若達(dá)不到要求，可以根據(jù)測(cè)量值與設(shè)置值之間的差值對(duì)待測(cè)測(cè)試裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。該功能能夠?qū)崿F(xiàn)自檢，同時(shí)也可以對(duì)其他斷路器測(cè)試裝置進(jìn)行精細(xì)測(cè)試與校準(zhǔn)。具體工作流程：當(dāng)FPGA接收到來(lái)自LCD的測(cè)試裝置校驗(yàn)命令時(shí)，啟動(dòng)FPGA內(nèi)部事先建立的“斷路器VHDL語(yǔ)言模型”，同時(shí)LCD顯示合/分閘標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置窗口，設(shè)置完畢后啟動(dòng)校準(zhǔn)。將待校準(zhǔn)測(cè)試裝置測(cè)量參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到待測(cè)測(cè)試裝置的測(cè)量誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

2.3數(shù)據(jù)分級(jí)機(jī)制

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮隨著時(shí)間的推移，某些數(shù)據(jù)庫(kù)表中的數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)過(guò)快，系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中所耗的數(shù)據(jù)庫(kù)資源會(huì)越來(lái)越大，為解決此問(wèn)題，需要根據(jù)系統(tǒng)中模塊的業(yè)務(wù)來(lái)確認(rèn)模塊的使用周期，對(duì)于超過(guò)訪問(wèn)周期的數(shù)據(jù)采用定時(shí)器的方式，根據(jù)分級(jí)條件執(zhí)行自動(dòng)分級(jí)操作，分離業(yè)務(wù)歷史數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)的操作效率。分級(jí)方案是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中建議使用的分級(jí)設(shè)計(jì)方案;現(xiàn)有數(shù)據(jù)量超過(guò)一百萬(wàn)的可以選用表分區(qū)的方式;數(shù)據(jù)年增長(zhǎng)量小于十萬(wàn)的，使用分表前后對(duì)性能影響不大，建議不進(jìn)行分表存儲(chǔ);年數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)大于十萬(wàn)的，并且有明確的數(shù)據(jù)有效期，建議采用分表的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)于復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，保證后臺(tái)響應(yīng)時(shí)間小于5min，需分析報(bào)表統(tǒng)計(jì)的周期，如：本日、本月、本周之類的統(tǒng)計(jì)，通過(guò)定時(shí)器的方式在系統(tǒng)不繁忙的時(shí)候進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得使用統(tǒng)計(jì)的時(shí)候可以直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取統(tǒng)計(jì)結(jié)果，減少統(tǒng)計(jì)運(yùn)算時(shí)間。

2.4斷路器的開(kāi)合過(guò)程

斷路器的正常工作狀態(tài)在實(shí)質(zhì)上就是觸頭在不斷移動(dòng)的過(guò)程。非正常狀態(tài)的電力系統(tǒng)工作狀態(tài)情況下，故障電流的開(kāi)關(guān)作用由斷路器開(kāi)關(guān)完成，斷開(kāi)的時(shí)間較短，因?yàn)楣收隙酁闀簳r(shí)的。斷路器在正常工作狀態(tài)情況下，電流大則速度快，操動(dòng)系統(tǒng)的要求也會(huì)相應(yīng)加大。在小電流工作狀態(tài)時(shí)，為避免此種情況常會(huì)采用緩沖器裝置保護(hù)觸頭并實(shí)現(xiàn)緩沖。上文中知悉存在故障的時(shí)間是極短的，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，目前主要使用自動(dòng)重合閘的操作方式，在斷開(kāi)之后的較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)再次的閉合，降低了損失，當(dāng)短暫斷開(kāi)的閉合之后故障仍未排除，那么開(kāi)斷操作進(jìn)入第三次的運(yùn)行開(kāi)斷。斷路器的絕緣質(zhì)量取決于瞬態(tài)恢復(fù)電壓，工頻電壓的頻率決定了其變化的快慢。在電流過(guò)零時(shí)，觸頭之間的電阻值數(shù)值可以看作是無(wú)窮大的，瞬態(tài)恢復(fù)電壓的計(jì)算通過(guò)電路中的相關(guān)參數(shù)計(jì)算即可獲得，與斷路器的狀態(tài)之間無(wú)過(guò)大關(guān)聯(lián)。在斷路器進(jìn)行開(kāi)斷狀態(tài)時(shí)都無(wú)交流電的情況，其電壓在電網(wǎng)中稱之為瞬態(tài)恢復(fù)電壓，根據(jù)目前在實(shí)踐應(yīng)用中的規(guī)范，其都指固有瞬態(tài)恢復(fù)電壓。

結(jié)語(yǔ)

斷路器機(jī)械參數(shù)測(cè)試裝置具有測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、準(zhǔn)確、精度高的特點(diǎn)，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足對(duì)高壓斷路器測(cè)試裝置的要求。同時(shí)，該裝置還集成了斷路器測(cè)試裝置校準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自我校驗(yàn)，也可為其他斷路器測(cè)試裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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