基于綜合試驗分析的高壓斷路器分合閘線圈可靠性研究

云南電網有限責任公司玉溪供電局 唐 山 李 昭

高壓斷路器作為電力網絡中非常重要的一次控制及保護設備，在運行中負責接通和斷開電力回路，在電網發生故障時及時隔離和切除電網故障的重要控制設備，如果高壓斷路器由于自身設備問題不能在電網發生故障時快速、準確、可靠地斷開與故障點的連接，電力事故可能會進一步擴大，造成電網大面積停電甚至電網事故[1]。如今的電力網絡，可靠性已成為高壓斷路器影響電力系統安全穩定運行的重要因素之一。相關的統計數據表明，在斷路器故障中有43%～45%是由機械故障引起的[2]，且分合閘線圈作為斷路器動作指令執行第一單元，其能否可靠動作決定了斷路器后續整個過程的成功率。

目前，高壓斷路器分合閘線圈檢測存在檢測手段單一、隱患排查困難等問題。本文提出了通過直流電阻測試、電流狀態監測、通流能力檢測、頻率響應測試和匝間絕緣測試多維度評估分合閘線圈可靠性的研究方法，并在某一起分合閘故障分析中進行應用。

1 分合閘線圈綜合試驗研究方法

本研究方法為一種流程化試驗檢測方案，涉及5個維度、2種檢測方法（無損、有損），試驗順序如圖1所示。

圖1 分合閘線圈綜合試驗流程圖

本文針對某分閘線圈開展綜合性檢測后，通過線圈解體驗證了本檢測方案的可行性、準確性。

1.1 直流電阻測試

直流電阻試驗可以檢查線圈引線的焊接或連接質量、繞組有無匝間短路或開路等缺陷[3]。

本文對比故障線圈、正常線圈，分別開展直流電阻測試，對試驗中發現的異常數據進行判斷分析，詳見表1。

表1 直流電阻測試情況

通過對比兩只線圈的直阻測試結果可見，故障線圈的直阻達到645kΩ，遠高于規定值，初步判斷故障線圈內部可能存在斷線。

1.2 頻率響應測試

高壓斷路器的線圈繞組在頻率為50Hz 的電壓作用下，可視為一個由線性電阻、電容、電感等元器件構成的無源雙口網絡，網絡內電阻、電容、電感等元件各項參數與該網絡的傳遞函數H（jω）的函數值密切相關。假如線圈繞組發生過短路、變形或斷路等故障，那么線圈繞組的傳遞函數也會在測試中相應地發生一定的變化，也就是網絡的頻率響應特性隨即發生相應的變化[4]。常見的測試方法，可通過在線圈繞組的一側施加預先設定頻率信號，通過測試設備，在繞組另一端接收相應的測量響應信號，通過對比計算兩端信號變化的幅值比，得到線圈的頻率響應曲線，通過對比輸入不同頻率的響應曲線判斷繞組狀態[5]，分別對故障線圈、正常線圈開展頻率響應測試，測試結果如圖2～圖4所示。

圖2 正常線圈的頻率響應測試曲線圖

圖3 故障線圈的頻率響應測試曲線圖

圖4 頻率響應測試曲線對比圖

通過以上3張圖可知，故障線圈頻率響應數值為負數，說明線圈對外呈現容性，即線圈內部存在斷線。

1.3 電流狀態監測

分合閘線圈作為斷路器分合閘控制模塊中最重要的元器件，當控制回路中動作電流來到線圈時，線圈隨即在內部產生大量的磁通，電磁力會驅動線圈內部的鐵芯進行運動，使斷路器機構進行分合閘。在線圈帶電動作過程中，其產生的電流波形中包含了大量的線圈狀態信息，例如線圈鐵芯是否存在卡澀遲滯，線圈是否匝間短路、斷路，斷路器脫扣機構是否存在阻滯等。

從線圈接通電流，到建立磁場吸引鐵芯運動的整個期間，流經線圈的電流會呈現明顯的規律，試驗時通過鉗形霍爾傳感器監測記錄線圈動作電流的各項狀態，可得到許多狀態信息，以判斷線圈本身及鐵芯運動是否存在異常等，例如線圈內部是否存在匝間短路，如果短路，其電阻值會減小，電阻值減小后測得的電流值比正常動作時偏大，此時應立即更換線圈，防止線圈燒毀，甚至造成斷路器拒動。試驗電流遠低于正常線圈電流，判斷線圈內部存在斷線。

1.4 通流能力檢測

線圈得電動作時，本身要消耗一部分能量，包括銅損耗、鐵芯損耗、附加損耗等，該損耗轉換為熱能，使線圈溫度升高。正常線圈在長期通過小電流或短時通過額定電流時，單位時間內產生熱量與散發熱量相等時，線圈溫度將升高趨近于穩定值。反之，若存在匝間短路或絕緣性能下降問題，可能引起線圈過熱，溫升異常。

根據南方電網公司發布的《110kV-500kV 組合電器（GIS 和HGIS）技術規范（通用部分）》第5.2.4.7部分要求：線圈的通流能力應滿足在額定電源電壓下或額定電流下通電10次，每次1s，兩次通電時間間隔取10s，線圈不燒毀，且溫升不超過40K。線圈骨架應采用耐熱等級不低于E 級的絕緣材料。線圈應在長期通過電流50mA 不發生燒壞，且溫升不超過40K。

線圈標準阻值溫度折算系數：

Tx表示環境溫度，R20表示20℃時線圈標準阻值。

經測試，目標線圈溫升不變，進一步驗證線圈內部存在斷線，無法正常通流。

1.5 匝間絕緣試驗

線圈匝間絕緣試驗可以考驗線圈的匝間絕緣性能，試驗中分別給故障、正常線圈施加3kV 脈沖電壓，使線圈在振蕩回路中產生自激振蕩，通過判斷沖擊電壓在故障、正常線圈引起的衰減振蕩波形是否存在區別，來檢驗線圈匝間絕緣是否保持正常。本文將自激振蕩的波形與標準波形進行比較來判斷線圈的匝間絕緣，試驗結果如圖5～圖6所示。

圖5 正常線圈匝間絕緣試驗情況

圖6 故障線圈匝間絕緣試驗情況

從匝間絕緣試驗結果看，故障線圈的匝間絕緣試驗脈沖波形前期出現振蕩現象，可能存在匝間絕緣破損或斷線。

2 線圈解體檢查推論驗證

對故障合閘線圈進行解體檢查，發現線圈銅絲存在斷線，如圖7所示，驗證以上試驗中線圈繞組斷線判斷均正確。

圖7 故障線圈解體檢查情況

3 結語

本文提出了結合直流電阻測試、電流狀態監測、通流能力檢測、頻率響應測試、匝間絕緣測試的綜合分析研究方法，實際對比分析故障線圈與正常線圈試驗數據及波形，初步判斷線圈內部銅線存在斷線，并通過線圈解體得以驗證。該研究方法提供了多種線圈可靠性的檢測手段，從多維度提供試驗參考，實際工作中靈活組合運用檢測手段，可及時發現處理線圈隱患、缺陷，有效預防斷路器拒動事故，提高電力系統穩定性。