高壓斷路器操動機構機械特性實驗研究

唐專敏，高興宇，蘇 毅，張 煒，黎衛國，王佳琳，范興明

（1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.廣西電網有限責任公司電力科學研究院廣西電力裝備智能控制與運維重點實驗室，廣西 南寧 530023；3.廣西電網有限責任公司電力科學研究院廣西電網設備監測及診斷工程技術研究中心，廣西 南寧 530023；4.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司 檢修試驗中心，廣東 廣州 510663；5.廣西廣西電網有限責任公司 創新管理部，廣西 南寧 530023）

0 引言

針對高壓斷路器機械特性方面的研究持續深入，涌現出了一些采用斷路器振動信號的檢測及處理方法[1-5]、基于數據驅動的機械狀態信號檢測預處理[6-10]等有益的監測手段和方法。其中，常廣等[11]基于較少的計算量從高壓斷路器振動信號中獲取機械狀態信息，提出一種零相位濾波時頻熵方法；楊元威等[12]針對斷路器機械故障監測，提出一種基于聲音信號識別高壓斷路器機械故障的方法。夏小飛等[12]針對斷路器分合閘過程產生的聲音信號中含有豐富的信息，提出一種基于聲學指紋的高壓斷路器機械故障診斷方法。

綜上所述，斷路器操動機構的質量與工作性能直接決定了斷路器的工作性能。為了深入探討斷路器機械操動機構的工作過程對斷路器分合閘性能的影響，本文采用高壓開關動特性測試儀對斷路器分合閘過程進行測試，獲取不同分合閘電壓值下斷路器的機械參數，并重點分析斷路器的平均分合閘速度、超行程、彈跳等現象的影響因素及解決措施，為實現斷路器的可靠分合閘操作提供有益的參考。

1 實驗對象和條件

圖1 真空斷路器機械特性試驗樣機

實驗斷路器配備三相可單獨驅動的永磁操動機構，實驗中所應用的高壓真空斷路器進行分、合閘操作，分閘電壓設置為180 V，合閘電壓為200 V。驅動電源采用電容器，選用電容值分別為3300 μF 和4700 μF 的充電電容即可達到預期的分、合閘目的。

1.1 分（合）閘電容充電回路

分（合）閘電容的預期控制電壓是利用調壓器、隔離變壓器經過二極管半波整流后對其進行充電的。具體的電容充電回路如圖2 所示。高壓斷路器操動機構的分、合閘動作都是由一個充電電容放電回路控制的。二者的回路結構與工作過程基本相同，不同的是電容的放電對象與參數不同。合閘電容放電是針對合閘線圈的，分閘電容放電是針對分閘線圈的。

圖2 電容充電控制回路

1.2 分（合）閘電容放電控制回路

本實驗所應用的高壓真空斷路器進行分、合閘操作，通過選用電容值分別為3300 μF 和4700 μF 的充電電容便能達到分、合閘目的。斷路器操動機構的電源控制電路實物如圖3 所示。

圖3 操動機構的電源控制電路實物

1.3 實驗條件

采用上海國試電力科技有限公司開發的GKC-6000A 型高壓開關動特性測試儀來對斷路器的機械特性進行試驗研究，該設備實物如圖4 所示。該儀器是針對高壓開關研制的一種通用型電腦智能化測試儀器，它主要應用光電脈沖技術、單片機技術、計算機技術及可靠的抗電磁輻射技術，配以精確可靠的速度/距離傳感器，可用于各種電壓等級的真空、六氟化硫、少油、多油等高壓開關的機械特性參數的調試與測量。該儀器接線方便，操作簡單，操作時只需一次合（分）動作便可得到合（分）閘全部數據，并能打印所需的全部數據、斷口電流波形和動觸頭運動曲線，便于分析、保存。

圖4 高壓開關動特性測試儀

該測試儀上位機菜單欄包括文件、設置、測試、查看、系統、幫助6 項功能，其界面如圖5 所示。實驗時可以查看斷路器三相各個斷口的行程-時間特性曲線、速度-時間特性曲線、還有線圈電壓-時間特性曲線、電流-時間特性曲線等。在圖5 中，曲線1、2、3 分別代表斷路器A、B、C 三相的分（合）閘彈跳次數；曲線4 是斷路器在不同的分、合閘電壓下的行程-時間特性曲線，通過該曲線可以得知斷路器的剛分（剛合）時刻，并且可以計算出其分（合）閘時間以及動觸頭隨時間變化所運動的位移等；曲線5 是操作線圈的電流隨隨時間變化的曲線。

圖5 斷路器各斷口機械特性波形

該測試儀上位機菜單還可以查看斷路器動特性的試驗報告（圖6）。試驗報告涵蓋了斷路器的大部分機械特性參數，將該參數進行對比分析，可以判斷出斷路器的運行狀態。

圖6 試驗報告

2 實驗方法和結果

配永磁操動機構的高壓真空斷路器取消了傳統操動機構的機械脫、鎖扣裝置，極大地減少了機構零部件，這可以提高斷路器的工作可靠性，從而降低機械故障率。其中，斷路器的行程、速度、線圈電壓特性是永磁操動機構真空斷路器機械特性的重要特征，也是該產品在出廠和檢修過程中都必須要求測試的項目。為獲取高壓斷路器在分、合閘過程中的機械參數，本次實驗采用GKC-6000A 型高壓開關動特性測試儀與上位機斷路器智能測試系統相結合的方式，并通過斷路器的電源控制器控制分、合閘過程來完成本次測試目的。本研究的實驗室測試線路如圖7 所示。

圖7 斷路器機械特性測試實驗系統圖

2.1 合閘特性

為了比較斷路器的分、合閘機械特性，實驗通過對該斷路器電源控制器的充電電容充入不同的電壓值來獲取其不同的機械特征參數。通過斷路器不同合閘電壓下的行程、速度特性分析及對比來分析斷路器的機械參數機器操作性能。

其中，“古之善為士者，微妙玄通”原意是指在古代，擅長修道的智者既能通曉奧妙又能玄通遠達。在原文中，包含著兩個短句，而林語堂在進行翻譯的過程中，將這兩個短句進行了合并，以“The wise ones of old had subtle wisdom and depth of understanding”（老智者有難以描述的智慧以及深刻的理解）表達了原意。在這句的翻譯中，并沒有進行字字的對應，而是在把握原文主旨的基礎上，進行了轉化與融合，便于讀者的理解。

圖8 所示為合閘電壓為232 V 時斷路器機械特性曲線，圖9 為速度-時間特性曲線。對比分析圖8 中曲線1 與圖9 曲線，可以看出動觸頭發生了2 次彈跳。分析表明，該彈跳與合閘時動觸頭的撞擊力、觸頭的材料等有關。這主要是由于動觸頭在合閘時所產生的合閘力相對較大的原因造成的。觸頭材料的硬度越大，發生彈跳的時間就越長；在觸頭材料的硬度相同時，若觸頭的壓力越大，則彈跳時間越短。

圖8 232V 合閘電壓機械特性實驗曲線

圖9 232V 合閘電壓速度-時間特性曲線

圖8 曲線2 是該動觸頭的行程-時間特性曲線。圖中觸頭從速度點a 運動到速度點b 所完成的行程，就是觸頭合閘的平均速度，其中速度點a 處的速度就是剛合速度。可以看出，動觸頭在16 ms 時開始與靜觸頭接觸，到21.5 ms 時動靜觸頭已完全合上。說明在該合閘電壓下，斷路器能很好地實現合閘操作。圖8 曲線3 是合閘過程中線圈電壓隨時間的變化波形圖。由于合閘線圈是一個電感元件，當接通直流電源后，在合閘線圈內部以及合閘電纜的線路上會產生電壓降，因此線圈電壓隨時間增大而減少，直到最后趨于穩定狀態。在曲線4 的速度-時間曲線中，首先動觸頭在12 ms 時與靜觸頭發生第一次碰撞，此刻的合閘速度最大，碰撞過后，速度慢慢減少，之后又出現2次反彈，直到21 ms 后，合閘速度幾乎為零，說明動靜觸頭已經合閘到位。

不同的合閘電壓下斷路器機械參數見表1，從表中可以看出，不同的充電電壓對平均合閘速度、反彈時間、反彈次數等影響顯著。同時還可以看出不同的合閘速度對觸頭的彈跳影響也比較明顯，動觸頭的平均合閘速度越大，造成的反彈次數也越多。由此可知，合閘速度偏快也是斷路器產生合閘彈跳的重要原因之一。從降低機械應力和沖擊力角度來分析，若合閘速度低，雖可減少波紋管的振動，但會延長電弧預擊穿時間，加劇觸頭的電侵蝕，會產生合閘過電壓，并且在做短路關合實驗時，容易引起觸頭熔焊；若合閘速度過快，雖可減少觸頭的電磨損，減少電弧預擊穿時間，但也會加大動觸頭的沖擊，延長彈跳時間。

表1 不同的合閘電壓下斷路器機械參數

經研究可得，觸頭撞擊力的大小與動觸頭系統的質量、動靜觸頭碰撞前后的速度差值還有兩者的作用時間有關，因此在滿足斷路器力學性能的要求下，為降低動觸頭發生彈跳的大小，可采取以下措施進行改進：

（1）減輕動觸頭系統的質量。可通過減少導電夾與軟連接之間的尺寸、縮短導電桿的長度，并選擇輕質絕緣子等來實現。

（2）減少觸頭碰撞前后速度差的絕對值。根據經驗分析，不能通過減少動觸頭碰撞前的速度，因為該速度若太小，會使合閘能量不足，容易加劇觸頭彈跳幅度，因此只能設法減少碰撞后的速度。主要方法有：在動觸頭系統中加裝彈簧，當斷路器合閘操作時，壓縮彈簧，使其產生一個觸頭的預壓力，以此抵消動觸頭的回彈力。

（3）通過增大動靜觸頭的碰撞時間來實現：一是在靜觸頭端加裝緩沖元件，如橡膠墊圈，可增加觸頭的撞擊時間；二是在生產斷路器時設法確保斷路器的動靜導電桿的同軸度，并且要盡量保證動靜觸頭為平面接觸，而不是點或線的接觸。

因此在斷路器投入使用前，必須對其進行開斷等形式試驗。通過大量的運行試驗，可以總結出斷路器最佳的合閘電壓取值范圍，這對延長滅弧室的使用壽命、減少觸頭電磨損及提高斷路器的可靠運行性具有相當重要的意義。

2.2 分閘特性

分閘速度的大小直接影響到斷路器的開斷能力。而在斷路器的分斷過程中，真正起作用的就是剛分速度，也就是動靜觸頭剛剛分開瞬間的速度，它是由超行程決定的。超程是指動靜觸頭完全閉合后，動觸頭所能移動的距離。

以斷路器處于無負載狀態下的分閘電壓為173 V的機械特性曲線進行實驗，在圖10 中曲線1 代表的是斷路器分閘彈跳的次數，曲線2 代表了斷路器行程-時間特性，在曲線2 中觸頭從速度點c 運動到速度點d 所完成的行程，就是觸頭分閘的平均速度，其中速度點c 處的速度就是剛分速度，由圖10 和11 的分閘行程、速度特性曲線可以看出，斷路器的動觸頭沒有發生彈跳現象。

圖10 173V 分閘電壓行程-時間特性

表2 給出了分閘電容在不同充電電壓下的相關機械特征參數，從表2 可以看出，不同的分閘電壓下，獲取的機械參數不同。分閘電壓高，平均速度大，分閘時間越短；分閘電壓低，平均速度低，分閘時間越長。分析分閘時觸頭的反彈次數，可知從動靜觸頭剛分開一直到動觸頭運動結束，在靜觸頭端沒有出現彈跳現象，并且在動觸頭的下端點也沒有出現反彈，運動特性呈線性。之所以沒有出現彈跳現象，主要是因為本次試驗是在斷路器處于空載狀態下完成的，若把斷路器接入負載中，在斷路器的分閘操作時就容易出現分閘速度過快、分閘彈跳等現象。

表2 不同的分閘電壓下斷路器機械參數

圖11 173V 分閘電壓速度-時間特性

分閘速度的快慢將直接到電流過零后，動靜觸頭間介質的恢復速度。若分閘速度太低，不僅不容易滅弧，而且還會加重觸頭的電磨損量，甚至產生過電壓等現象。若分閘速度過快，容易引起分閘反彈，這對滅弧室波紋管的振動、壓縮造成嚴重影響，容易使波紋管提前損壞而出現漏氣現象。因此斷路器的分閘速度也需選擇適當。

3 結論

通過高壓開關動特性測試儀測試斷路器的機械特性，包括斷路器的總行程、彈跳時間等數據的測試與記錄，這使存儲、管理、分析該數據更方便、快捷。同時，斷路器的機械性能參數也是互相影響的，調整時也需要統籌兼顧。通過多次試驗總結出了斷路器的分、合閘電壓的最佳取值范圍，這為斷路器的正常運行提供了良好的實驗數據參考依據，具有一定的工程應用價值。