斷路器機械特性曲線分析

南方電網超高輸電公司百色局 熊 亮 韋 宇 農文輝

斷路器是電力系統中的一種不可或缺的重要控制設備，通過承載及切合負載電流和短路電流來改變電網運行方式和切斷系統故障，發揮控制和保護的雙重作用，其開斷性能直接影響到電力系統的安全、穩定運行。斷路器的分合閘速度、分合閘時間、分合閘同期度、分合閘線圈的動作電壓值等機械特性參數，直接體現斷路器的開斷性能[1-2]。由于斷路器在開斷過程中要經受電、熱、機械力的作用及大氣環境的影響，為了驗證其可靠的開斷性能，測量及分析斷路器機械特性成為檢測斷路器開斷性能是否完好的一種重要手段，在《南方電網檢修試驗規程》中明確了斷路器機械特性的具體檢測周期及標準。

同時，在南方電網年度運行方式及反措中已經明文規定，斷路器應逐臺開展機械動作特性分析，基于機械特性曲線重點開展分合閘線圈電流波形、行程曲線、斷口變位信號等主要特征量歷史曲線的對比、同廠同型斷路器個體及斷路器相別間的對比，確保分析準確、有效[3-5]。由此可見，斷路器的機械特測曲線分析的重要性。

本文以目前主流的彈簧機構斷路器為例，介紹了斷路器機械特性曲線中各曲線動態變化與分合閘過程中各零部件動態變化的對應關系，為試驗人員采用分析機械特性曲線手段來判斷斷路器是否存在機械故障提供依據。

1 斷路器合閘過程與機械特性曲線的關系

斷路器合閘前提條件為斷路器處于分閘位置且合閘彈簧儲能，下文結合圖2中各條曲線變化過程來說明圖1中斷路器合閘過程中的各個階段，具體如下：

0～t1時段主要描述合閘線圈通電后產生的電磁力推動鐵芯的頂桿運動至接觸合閘掣子瞬間的過程，具體分析如下：結合圖1、圖2中D曲線分析，當斷路器收到合閘命令時，合閘線圈兩端加電壓，動鐵芯未能運動，由于線圈自感的作用，流過合閘線圈的電流按指數規律由0A逐漸向第一次峰值i2增長，靜鐵芯產生的電磁力也逐漸增大。

圖1 斷路器分閘狀態示意圖

圖2 斷路器合閘機械特性曲線

當合閘線圈電流增加到一定值后，通過其靜鐵芯產生的電磁力推可動鐵芯及其頂桿克服零部件間摩擦力、動鐵芯復位彈簧彈力等開始向靜鐵芯開始運動，隨著動鐵芯的速度逐漸增加，靜鐵芯的電磁能逐漸轉化為動鐵芯運動所需的機械能，同時動、靜鐵芯氣隙也逐漸減小導致磁阻逐漸變小，流過線圈的電流增長也逐漸減小。直到t1時刻瞬間，動鐵芯上的頂桿碰到合閘掣子。在此時段內，由于斷路器機構未動作，滅弧室（斷口）內動靜觸頭的狀態、串聯于分合閘控制回路中輔助開關接點的狀態均未發生變化，因此A、B、C、E曲線狀態保持不變。

t1～t2時段主要描述在合閘線圈的電磁力作用下，合閘線圈的動鐵芯頂桿從接觸合閘掣子瞬間開始至其行程極限（即動、靜鐵芯相遇撞擊時刻）過程中，推動合閘掣子運動的過程，具體分析過程如下：結合圖1、圖2中D曲線分析，從t1時刻開始，高速運動的動鐵芯通過其頂桿撞擊合閘掣子的方式將能量傳遞給合閘掣子，其速度降低。同時，在靜鐵芯產生的電磁吸力作用下，動鐵芯及其頂桿繼續克服零部件間摩擦力、動鐵芯復位彈簧彈力、合閘掣子復位彈簧彈力等，繼續推動合閘掣子沿著順時針方向做旋轉加速運動。

隨著合閘掣子加速運動及動、靜鐵芯間隙逐漸減小，動鐵芯受到的阻力逐漸減小而其速度越來越大，流過合閘線圈的電流也越來越小。直到t2時刻瞬間，動鐵芯因撞擊靜鐵芯受阻，動鐵芯運動至其最大行程，動鐵芯上的頂桿與合閘掣子脫離，流過合閘線圈的電流達到第一次低谷值i1。在此時段內，由于斷路器機構未動作，滅弧室（斷口）內動靜觸頭的接觸狀態、串聯于分合閘控制回路中輔助開關接點的狀態均未發生變化，即A、B、C、E曲線狀態保持不變。

t2～t4時段主要描述合閘掣子在慣性作用下，繼續運動導致儲能保持掣子與棘輪脫離，儲滿能量的合閘彈簧推動與棘輪同軸的凸輪撞擊拐臂，引起拐臂向“合閘”方向運動，同時與拐臂直接連接的動觸頭（滅弧室）、輔助開關也相繼開始運動的過程，具體分析如下：

一是結合圖1、圖2中D曲線分析，在t2時刻，合閘線圈的動鐵芯達到其最大行程，其頂桿與合閘掣子脫離，靜鐵芯產生的電磁吸力保持不變、不再增大，在外部電壓和線圈自感作用下，流過合閘線圈電流曲線D按指數規律從i1（t2時刻）逐漸增長至第二次峰值i3（t4時刻）。

二是結合圖1及圖2中A、B、C、E曲線分析，從t2時刻開始，具有能量的合閘掣子克服零部件間摩擦力、合閘掣子復位彈簧彈力等沿著順時針方向做旋轉運動，導致其與儲能保持掣子失去平衡而發生脫離，合閘彈簧的能量開始釋放。在合閘彈簧推動下，儲能保持掣子被棘輪上的滾輪推動至兩者脫離，然后合閘彈簧繼續通過釋放能量的方式推動棘輪及與棘輪同軸的凸輪沿著逆時針方向做旋轉加速運動。直到t3時刻瞬間，在高速旋轉的凸輪撞擊下，拐臂獲取巨大的能量，該能量克服緩沖器阻力、分閘彈簧阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內氣體壓力等開始沿著順時針方向做旋轉加速運動，拐臂通過（絕緣）拉桿帶動滅弧室內動觸頭、機構輔助空開開始運動，即斷路器開始合閘，動觸頭行程曲線E開始動態變化。

根據t3至t4時段內動觸頭行程曲線E的變化趨勢（行程由0mm向H方向逐漸增加），滅弧室內動觸頭開始向靜觸頭方向運動。直到t4時刻，滅弧室內動、靜觸頭都未能接觸，曲線A的狀態保持不變。同時，由于輔助空開接點的動、靜觸點存在一定接觸行程且接點間的接觸行程長短不同，串于合閘回路常閉輔助接點觸頭被切斷，曲線C的狀態發生變化，而串聯于分閘回路的常開輔助接點由于接觸行程較長而未導通，故曲線B的狀態發生變化。

t4～t8時段主要描述具有動能的拐臂克服緩沖器、分閘彈簧、零部件間摩擦、滅弧室內氣體壓力等阻力，最終將滅弧室內動觸頭插入靜觸頭并保持在“合閘”位置，同時拐臂帶動輔助開關切換的動作過程，具體分析如下：

一是在t4至t5時段，根據圖3中D曲線分析，由于串于合閘回路常閉輔助接點在t4時刻瞬間被切斷，由于該常閉接點觸頭間的距離不夠長、滅弧能力不夠，無法熄滅施加在合閘線圈兩端電壓產生燃弧，合閘線圈繼續流過電流。隨著輔助空開的運動，常閉接點間距離逐漸增大，滅弧能力逐漸變強，流過的電流逐漸減少。直到t5時刻，接點間的燃弧熄滅，合閘線圈的電流降至第二次低谷值0A。

二是從t4時刻開始，拐臂利用自身獲取的能量克服緩沖器、分閘彈簧、零部件間摩擦等阻力繼續沿著順時針方向做旋轉加速運動，帶動滅弧室內動觸頭、機構輔助空開繼續運動。當拐臂運動至t6時刻瞬間，串聯于分閘線圈的常開接點閉合，曲線B狀態改變，為斷路器合于故障時快速分閘做準備。拐臂運動至t7時刻瞬間，滅弧室內動、靜觸頭接觸導通（稱為“剛合點”），曲線A狀態改變。拐臂繼續運動至t8時刻瞬間，由于緩沖器阻力、分閘彈簧阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內氣壓等從t3～t8時間持續反作用，拐臂的能量除一部分轉化為分閘彈簧儲存的能量，其余能量用于克服其他阻力而消耗掉。失去能量的拐臂最終在合閘保持掣子、分閘掣子的相互作用下被鎖住，此時斷路器處于并保持在“合閘”狀態（詳見圖3中拐臂位置），行程曲線E高度增至Hmm。

圖3 斷路器合閘狀態示意圖

2 斷路器分閘過程與機械特性曲線的關系

斷路器分閘前提條件為斷路器處于合閘位置且分閘彈簧儲能，下文結合圖4中各條曲線變化過程來說明圖2中斷路器分閘過程中的各個階段，具體如下：

圖4 斷路器分閘機械特性曲線

0～t1時段主要描述分閘線圈通電后產生的電磁力推動鐵芯的頂桿運動至接觸分閘掣子瞬間的過程，具體分析如下：結合圖3、圖4中D曲線分析，當斷路器收到分閘命令時，分閘線圈兩端加電壓，由于線圈自感的作用，流過分閘線圈的電流按指數規律由0A逐漸增長至第一次峰值i2，靜鐵芯產生的電磁力也逐漸增大。

當分閘線圈電流增加到一定值后，通過其靜鐵芯產生的電磁力推可動鐵芯及其頂桿克服零部件間摩擦力、動鐵芯復位彈簧彈力等開始向靜鐵芯開始運動，隨著動鐵芯的速度逐漸增加，靜鐵芯的電磁能逐漸轉化為動鐵芯運動所需的機械能，同時動、靜鐵芯氣隙也逐漸減小導致磁阻逐漸變小，流過線圈的電流增長也逐漸減小。直到t1時刻瞬間，動鐵芯上的頂桿碰到分閘掣子。在此時段內，由于斷路器機構未動作，滅弧室（斷口）內動靜觸頭的狀態、串聯于分合閘控制回路中輔助開關接點的狀態均未發生變化，因此A、B、C、E曲線狀態保持不變。

t1～t2時段主要描述在分閘線圈的電磁力作用下，分閘線圈的動鐵芯頂桿從接觸合閘掣子瞬間開始至其行程極限（即動、靜鐵芯相遇撞擊時刻）過程中，推動分閘掣子運動的過程，具體分析過程如下：結合圖3、圖4中D曲線分析，從t1時刻開始，高速運動的動鐵芯通過其頂桿撞擊分閘掣子的方式將能量傳遞給分閘掣子，其速度降低。同時，在靜鐵芯產生的電磁吸力作用下，動鐵芯及其頂桿克服零部件間摩擦力、動鐵芯復位彈簧彈力、分閘掣子復位彈簧彈力等繼續推動分閘掣子沿著順時針方向做旋轉加速運動。

隨著分閘掣子加速運動及動、靜鐵芯間隙逐漸減小，動鐵芯受到的阻力逐漸減小而其速度越來越大，流過分閘線圈的電流也越來越小。直到t2時刻瞬間，動鐵芯因撞擊靜鐵芯受阻，動鐵芯運動至其最大行程，動鐵芯上的頂桿與分閘掣子脫離，流過分閘線圈的電流達到第一次低谷值i1。在此時段內，由于斷路器機構未動作，滅弧室（斷口）內動靜觸頭的接觸狀態、串聯于分合閘控制回路中輔助開關接點的狀態均未發生變化，即A、B、C、E曲線狀態保持不變。

t2～t4時段主要描述分閘掣子在慣性作用下，繼續運動導致合閘保持掣子與拐臂脫離，儲滿能量的分閘彈簧推動拐臂向“分閘”方向運動，同時與拐臂直接連接的動觸頭（滅弧室）、輔助開關也相繼開始運動的過程，具體分析如下：

一是結合圖3、圖4中D曲線分析，在t2時刻，分閘線圈的動鐵芯達到其最大行程，其頂桿與分閘掣子脫離，靜鐵芯產生的電磁吸力保持不變、不再增大，在外部電壓和線圈自感作用下，流過分閘線圈電流曲線D按指數規律由i1（t2時刻）逐漸增長至第二次峰值i3（t4時刻）。

二是結合圖3及圖4中A、B、C、E曲線分析，從t2時刻開始，具有能量的分閘掣子克服零部件間摩擦力、分閘掣子復位彈簧彈力等沿著順時針方向做旋轉運動。直到t3時刻瞬間，分閘掣子與合閘保持掣子失去平衡而發生脫離，拐臂與合閘保持掣子脫扣，分閘彈簧儲存的能量開始釋放，分閘彈簧推動拐臂克服緩沖器阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內氣體壓力等開始沿著逆時針方向做旋轉加速運動，拐臂通過（絕緣）拉桿帶動滅弧室內動觸頭、機構輔助空開開始運動，斷路器開始分閘，動觸頭行程曲線E開始動態變化（行程由H向0mm方向逐漸降低）。到t4時刻，由于滅弧室內動、靜觸頭未能脫離，曲線A的狀態保持不變。同時，由于輔助空開接點的動、靜觸點存在一定接觸行程且接點間的接觸行程長短不同，串于分閘回路常閉輔助接點被切斷，曲線B的狀態發生變化，而串聯于合閘回路的常開輔助接點由于行程較長而未導通，曲線C的狀態發生變化。

t4～t8時段主要描述拐臂在分閘彈簧推動下克服緩沖器、零部件間摩擦、滅弧室內氣體壓力等阻力，最終將滅弧室內動觸頭從靜觸頭脫離并保持在“分閘”位置，同時拐臂帶動輔助開關切換的動作過程，具體分析如下：

一是在t4～t5時段，根據圖3中D曲線分析，由于串于分閘回路常閉輔助接點在t4時刻瞬間被切斷，由于該常閉接點觸頭間的距離不夠長、滅弧能力不夠，無法熄滅施加在分閘線圈兩端電壓產生燃弧，分閘線圈繼續流過電流。隨著輔助空開的運動，常閉接點間距離逐漸增大，滅弧能力逐漸變強，流過的電流逐漸減少。直到t5時刻，接點間的燃弧熄滅，分閘線圈的電流降至第二次低谷值0A。

二是從t4時刻開始，分閘彈簧繼續通過釋放能量推動拐臂克服緩沖器、零部件間摩擦、滅弧室內氣體壓力等阻力繼續沿著逆時針方向做旋轉加速運動。拐臂運動至t6時刻瞬間，滅弧室內動、靜觸頭脫離（稱為“剛分點”），曲線A狀態改變。拐臂繼續運動至t7時刻瞬間，串聯于合閘回路的常開輔助接點導通，曲線C狀態改變。拐臂運動至t8時刻瞬間，由于緩沖器阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內氣壓等阻力從t3-t8時間持續反作用，分閘彈簧儲能的能量被逐漸消耗掉，拐臂最終停止運動，此時斷路器處于“分閘”狀態（詳見圖1中拐臂位置），行程曲線E高度降至0mm。

3 結語

本文以彈簧機構斷路器的機械特性曲線為例，詳細闡述了機械特性曲線變化過程與斷路器動作過程的對應關系，為試驗人員采用分析機械特性曲線手段，來判斷斷路器是否存在機械故障提供依據。隨著動作次數逐年增加、電網短路容量逐年增大，斷路器開斷過程造成機械方面的損害逐年累加，最終導致機械特性曲線會發生相應的變化，斷路器故障率逐漸提高。因此，斷路器定期開展機械特性曲線分析的必要性越來越大。