高壓斷路器機械特性試驗數據及誤區分析

余云光，岳倩倩，余煒，何磊

（云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

高壓斷路器是電力系統的重要設備，它可以根據電力系統運行及檢修需要，將線路或其他設備投入或退出運行。此外，在電力系統設備發生故障時，與保護自動裝置配合，將故障設備從系統中切除。因此，高壓斷路器除應能承載并切除負載電流，還需具備切除故障電流的能力。為保證安全可靠運行，高壓斷路器除必須滿足的絕緣及其他電氣性能外，其機械性能也同樣重要。有關文獻表明，導致高壓斷路器無法運行的嚴重故障中，由機械或控制回路導致的故障占83%[1-2]。在斷路器停電預防性試驗中，主要進行斷路器的機械特性試驗，如分合閘動作電壓測試、分合閘時間參量測試、分合閘速度測試等[3]。以南網為例，Q/CSG 1206007-2017標準頒布后，要求每六年進行一次速度特性測試，可見高壓斷路器機械特性的重要性。然而在實際生產中，試驗人員在斷路器機械特性試驗數據分析處理上存在很多誤區，使試驗的有效性大打折扣，甚至對檢修人員發出錯誤的檢修指導，使設備隱患被掩蓋，最終導致事故的發生。鑒于此，筆者就斷路器分合閘動作電壓、分合閘時間參量及分合閘速度分別展開論述。

1 分合閘動作電壓

對于合閘動作電壓，最基本的要求是在某一規定的最低操作電壓下保證可靠動作。Q/CSG 1206007-2017標準的一般要求是合閘最低動作電壓不大于80%額定操作電壓。如果超過該電壓，可能導致斷路器正常合閘操作或故障重合閘不成功，甚至造成合閘線圈燒毀。現場實測經驗表明，一般斷路器最低合閘電壓在50%額定操作電壓左右。

對于分閘動作電壓，最基本的要求是在某一規定操作電壓下可靠不動作，且在某一規定最低操作電壓下可靠動作。Q/CSG 1206007-2017標準的一般要求是在30%額定操作電壓下可靠不動作，在65%額定操作電壓下應可靠動作。當分閘動作電壓小于30%額定操作電壓時，可能會造成斷路器誤動作。當分閘動作電壓大于65%額定操作電壓時，斷路器存在拒動的風險，使故障范圍擴大。

實際運行經驗表明，很多斷路器在預防性試驗合格后不久發生分合閘故障。其原因是斷路器分合閘線圈性能的改變是一個緩慢的過程。試驗診斷的誤區是，因相關技術標準未對此作出有效約束，試驗人員在測試時只關注動作電壓是否在規程合格范圍內，而忽視動作電壓的變化，未能及時發現設備隱患。

2 分合閘時間參量

2.1 合閘時間

合閘時間是指從合閘電磁鐵通電到斷路器觸頭接通的時間。合閘時間T可分成兩部分，第一部分是合閘電磁鐵通電到合閘掣子脫扣的時間T1，第二部分是合閘掣子脫扣到斷路器觸頭接通的時間T2。以合閘電磁鐵通電瞬間為時刻0，合閘掣子脫扣瞬間為時刻t1，則合閘時間組成示意圖可用圖1表示[4]。

圖1中，T1取決于合閘電磁鐵的性能，主要包括線圈的電磁性能及鐵芯與合閘掣子的配合度；T2主要取決于儲能彈簧或其他儲能原件的性能及機構的性能。

圖1 斷路器合閘時間

2.2 分閘時間

分閘時間是指從分閘電磁鐵通電到斷路器觸頭分開的時間。分閘時間T同樣包含兩部分，第一部分是分閘電磁鐵通電到分閘掣子脫扣的時間T1，第二部分是分閘掣子脫扣到斷路器觸頭分開的時間T2。以分閘電磁鐵通電瞬間為時刻0，以分閘掣子脫扣瞬間為時刻t1，則分閘時間組成示意圖可用圖2表示[3]。

圖2 斷路器分閘時間

圖2中，T1取決于分閘電磁鐵的性能，主要包括線圈的電磁性能及鐵芯與分閘掣子的配合度；T2主要取決于分閘彈簧或其他儲能原件的性能及機構的性能。

2.3 規程要求

規程及廠家技術標準均未對T1、T2作出具體要求，只對T1、T2之和T作出相關規定，Q/CSG 1206007-2017標準對分合閘時間T的規定如下：

1）分合閘時間應符合制造廠規定[2]；

2）除制造廠另有規定外，相間合閘不同期不大于5 ms，相間分閘不同期不大于3 ms[2]。

2.4 診斷誤區

無論分閘還是合閘，分合閘時間T均由兩部分組成。因此，當時間參量T超出廠家規定值或三相不同期超過規程要求時，可能的原因有三種：

1）分合閘電磁鐵性能改變，造成T1發生變化；

2）儲能彈簧、分閘彈簧或其他儲能原件性能改變，造成T2發生變化；

3）兩種因素的綜合作用，使T1、T2均發生變化。當分合閘時間T不合格時，應進一步分析原因，才能對癥檢修。而在實際檢修工作中，檢修人員通常只對分合閘電磁鐵進行調整，使分合閘時間參量測試數據滿足規程及廠家要求。只關注試驗數據的最終結果，而不重視數據異常的原因分析，這是一個很大的誤區。

當分合閘時間參量不合格是由儲能彈簧、分閘彈簧或其他儲能原件性能改變造成時，通過調整分合閘電磁鐵而使試驗數據合格，不但無法消除缺陷，還將設備隱患掩蓋起來，最終導致不良后果。

正確的處理方法是，當分合閘時間T不合格時，應根據速度測試結果，對數據進行綜合分析，找出數據異常的原因，根據具體原因進行針對性調整。

3 分合閘速度

3.1 測試意義

斷路器分合閘時，觸頭運動速度是斷路器的重要特性參數，最重要的是剛分、剛合速度，直接影響斷路器的工作性能[5]。合閘速度不足會引起觸頭合閘顫動，使觸頭預擊穿時間過長，甚至合閘不到位，造成嚴重后果；分閘速度不足，會使電弧燃燒時間過長，導致滅弧室壓力增大，輕則燒壞觸頭，重則斷路器爆炸[6]。

3.2 測試方法

斷路器速度測試的方法主要有旋轉傳感器法、直線傳感器法以及加速度傳感器法，其中加速度傳感器測試數據的準確性還有待研究。旋轉傳感器法和直線傳感器法本質上是一樣的，在斷路器機械特性測試儀中輸入斷路器的行程參數，傳感器的輸出電壓與斷路器行程自動匹配，并以電信號的形式繪制出行程曲線[7]。因為分合閘速度測量原理相同，以合閘行程曲線為例進行分析，如圖3。其中坐標橫軸為時間軸，縱軸為斷路器行程，t1為合閘掣子脫扣時刻。

斷路器在合閘過程中，速度不是恒定不變的，各時刻的瞬時速度vt是該時刻行程曲線的導數，即

在工程應用時，測試各時刻的瞬時速度實際意義不大。一般對合閘而言，剛合速度是最重要指標參數[8]。一般定義動靜觸頭接觸前10毫秒的平均速度為剛合速度。

圖3 斷路器合閘行程曲線

3.3 診斷誤區

Q/CSG 1206007-2017標準對斷路器速度測試的要求是測量方法和測量結果符合制造廠規定。不同廠家不同型號斷路器分合閘速度標準不一，分合閘速度通常為一范圍值。以220 kV某型號斷路器為例，其合閘速度標準為3.6±0.6 m/s，分閘速度標準為8.0±0.5 m/s。試驗人員在進行現場速度測試時，只要測試數據滿足廠家標準范圍，就會簡單地判斷該斷路器速度特性合格。根據上述分析，這顯然是不足的。由圖3合閘行程曲線可知，合閘速度數據合格，只能說明行程曲線在剛合前的平均斜率符合要求，合閘速度滿足斷路器的電氣性能指標。當行程曲線出現整體水平位移時，斷路器剛合速度并不會改變，但斷路器必然存在機械缺陷。

4 速度測試案例

2018年，在本局某220 kV變電站220 kV斷路器間隔預防性試驗中，試驗人員在測試中發現斷路器時間參量不合格，但速度測試數據符合廠家標準。該斷路器為三相獨立機構，主要技術參數見表1，合閘時間及速度測試數據見表2。

表1 斷路器主要技術參數

表2 合閘時間及速度測試數據

從表2測試數據可以看出，C相合閘時間參量及三相同期性均超標，但合閘速度測試數據滿足廠家技術標準。C相合閘時間參量不合格的因素，本文已經闡明。根據上文所述，合閘速度合格而時間不合格，可以判斷造成C相時間參量超標的原因為合閘電磁鐵，從而對C相合閘電磁鐵進行調整，這是很多檢修試驗人員容易步入的誤區。下面對合閘行程曲線作進一步分析，圖4為該斷路器三相合閘速度測試行程曲線。

圖4 三相合閘速度測試行程曲線

表3 合閘時間及速度復測數據

根據圖4三相合閘速度測試行程曲線，分析得出以下三點結論：

1）A、B、C三相行程曲線起始時刻相同，即合閘電磁鐵脫扣時間相同，可以排除合閘電磁鐵缺陷造成C相合閘時間參量超標；

2）A、B兩相行程曲線基本重合，C相行程曲線在40 mm之前上升幅度較小，之后上升幅度與A、B兩相基本相同，特別是行程末端曲線斜率基本相同，即剛合速度相同，這與測試數據相吻合；

3）C相行程曲線在時間軸上被拉長，主要原因是斷路器C相在合閘行程前40 mm速度比A、B兩相慢得多，因此造成C相合閘時間參量超標的原因是機械卡澀或儲能彈簧異常。

根據以上分析，檢查人員對C相機構進行潤滑等相關處理，并對儲能彈簧壓縮量進行逐步調整，直到C相合閘時間參量滿足要求。調整完成后的時間參量及速度復測數據見表3。

再對機構調整后三相合閘速度測試行程曲線進行比較，如圖5。

圖5 機構調整后合閘速度測試行程曲線

從圖5可以看出，C相機構調整前行程曲線40 mm之前上升幅較小的情況得到顯著改善，且A、B、C三相合閘行程曲線基本重合。至此，可以確定本臺斷路器機構缺陷成功消除。

5 結束語

1）斷路器分合閘動作電壓試驗比較簡單，數據判斷依據也不復雜，試驗人員僅根據試驗數據是否在規程要求范圍作出試驗結論，而缺乏對試驗數據的變化量的分析，使很多設備隱患不能及時發現；

2）斷路器分合閘時間參量及速度測試數據之間存在很多內在的關聯，不能進行孤立分析。當其中一項試驗數據不合格時，應同時分析另一項的試驗數據，方能找到缺陷的真正原因；

3）對斷路器分合閘速度試驗數據的判斷，不僅要看分合閘速度是否滿足廠家技術要求，還應關注分合閘行程曲線的變化。否則容易對斷路器的異常數據作出錯誤的判斷，甚至將潛在的設備隱患掩蓋。