基于二次側(cè)電流信號(hào)的中高壓斷路器機(jī)械特性狀態(tài)評(píng)估方法研究

梁錢勝

(大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司設(shè)備管理部,廣東深圳 518124)

斷路器是電力系統(tǒng)中極為重要的電力設(shè)備,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)完成系統(tǒng)的開關(guān)操作,控制電力設(shè)備或線路的投切運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)配或設(shè)備的調(diào)整;當(dāng)系統(tǒng)中某處發(fā)生故障時(shí),斷路器能迅速隔離故障設(shè)備以保護(hù)系統(tǒng)非故障線路的正常運(yùn)行,防止故障在系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)一步發(fā)展或擴(kuò)大[1]。因此保證斷路器的運(yùn)行可靠性對(duì)于電力系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本文提出了一種基于斷路器分合閘線圈電流的斷路器狀態(tài)評(píng)估方法。斷路器二次側(cè)回路的電流信號(hào),驅(qū)動(dòng)一次側(cè)觸頭的運(yùn)動(dòng)。故通過分析斷路器二次側(cè)電流信號(hào),可以有效評(píng)估斷路器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以有效評(píng)估斷路器性能狀態(tài),提高斷路器性能可靠性,確保斷路器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 技術(shù)原理

斷路器一般由觸頭、滅弧系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、脫扣器、外殼等構(gòu)成。二次回路電流信號(hào)帶動(dòng)電磁線圈的鐵芯運(yùn)動(dòng),進(jìn)而完成脫扣器脫扣,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在儲(chǔ)能裝置的帶動(dòng)下,帶動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng),完成分合閘工作。即通過電流信號(hào),驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的電磁鐵運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)傳動(dòng)回路的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),最終使動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng),從而完成斷路器分合閘操作。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)波形

所謂波形分析就是利用斷路器設(shè)備分/合閘控制回路的波形特征或統(tǒng)計(jì)特性建立控制回路波形的標(biāo)準(zhǔn)參考模式庫,通過控制回路波形檢測(cè)結(jié)果和模式庫的對(duì)比,就可進(jìn)行缺陷類型識(shí)別。

如圖1,其中曲線①為斷路器觸頭斷口曲線,實(shí)線代表斷路器處于合閘狀態(tài);曲線②為斷路器分閘回路電流波形,其含義如下:

圖1 斷路器設(shè)備分/合閘控制回路電流波形Fig.1 Current waveform of circuit breaker equipment opening/closing control loop

t0～t1:鐵芯頂桿克服阻力開始運(yùn)動(dòng)。分/合閘回路導(dǎo)通,分/合閘線圈中的電流從零開始以指數(shù)形式增加,增加到一定值時(shí),電磁吸力大到足以克服復(fù)位彈簧彈力和鐵芯自身重力之和,鐵芯開始運(yùn)動(dòng)。

t1～t2:鐵芯頂桿碰觸到彎板。鐵芯克服復(fù)位彈簧彈力開始運(yùn)動(dòng),速度逐漸增加,電磁鐵氣隙逐漸減小,電流出現(xiàn)局部降低,直到鐵芯頂桿碰觸到彎板。值得注意的是,由于現(xiàn)在斷路器鐵芯頂桿行程普遍較短,克服復(fù)位彈簧彈力較小,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中t2點(diǎn)往往不明顯。

t2～t3:鐵芯頂桿推動(dòng)脫扣半軸,斷路器脫扣,鐵芯頂桿運(yùn)動(dòng)到最大行程。鐵芯頂桿碰觸到彎板,受到彈簧彈力及脫扣半軸的反作用力,鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度降低,電流出現(xiàn)局部的增加。鐵芯推動(dòng)脫扣半軸轉(zhuǎn)動(dòng)后,繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),由于脫扣半軸的阻力減小,鐵芯運(yùn)動(dòng)速度的增加,電流出現(xiàn)局部的減小。鐵芯運(yùn)動(dòng)到t3時(shí)刻,鐵芯達(dá)到了最大行程并保持在此位置。此時(shí)的電感為另一常數(shù),電流按指數(shù)規(guī)律上升到穩(wěn)態(tài)值,穩(wěn)態(tài)值由電源電壓和線圈內(nèi)阻決定,穩(wěn)態(tài)值的大小可以反映斷路器二次回路電源狀態(tài)。

t3～t4:斷路器設(shè)備主觸頭分/合閘完成。T4的具體值需通過停電測(cè)試。

t5:斷路器設(shè)備輔助接點(diǎn)斷開,切斷分/合閘控制回路。分合閘過程的回路電流變化過程可以用公式U=iR+L(t)*di/dt表示。由于回路兩側(cè)的電壓恒定,式中電流i隨著感應(yīng)系數(shù)L的變化而變化,而L隨著鐵芯的運(yùn)動(dòng)處于變化中,直至最終的穩(wěn)態(tài),此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)消失,回路中只剩下電阻存在壓降。

1.2 缺陷判據(jù)

判據(jù)可從斷路器設(shè)備分/合閘控制回路電流波形圖進(jìn)行判斷,由于不同廠家生產(chǎn)的斷路器設(shè)備差異性導(dǎo)致不同廠家的斷路器設(shè)備的分/合閘控制回路電流波形圖也存在差異,因此,做對(duì)比判斷時(shí)建議在同溫同壓、同樣的控制回路電壓下,將所得到的斷路器設(shè)備分/合閘控制回路電流波形與該設(shè)備的出廠數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)做對(duì)比[2]。

t1～t2時(shí)間大于參考值時(shí),說明斷路器設(shè)備分/合閘啟動(dòng)部件存在線圈老化、卡澀等缺陷。

t2～t5時(shí)間大于參考值時(shí),說明斷路器設(shè)備分/合閘主執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧疲勞、機(jī)構(gòu)卡澀、傳動(dòng)部件潤(rùn)滑不夠等缺陷。

電流峰值大于參考值時(shí),說明斷路器設(shè)備分/合閘控制回路線圈存在匝間擊穿。斷路器設(shè)備分/合閘控制回路電流為零說明斷路器設(shè)備分/合閘控制回路開路。斷路器設(shè)備分/合閘控制回路電流大于參考值且不變說明斷路器設(shè)備分/合閘控制回路短路。利用在不同操作電壓下或同一操作電壓下進(jìn)行的多次測(cè)量操作,采用交叉驗(yàn)證的方式確認(rèn)缺陷的存在及其產(chǎn)生原因。

2 典型缺陷波形,下面詳細(xì)介紹幾種典型缺陷的電流波形

2.1 鐵芯卡澀

按照卡澀出現(xiàn)的不同位置大致可以分為兩類,一類是電磁鐵鐵芯卡澀,另外一類是脫扣器卡澀。機(jī)構(gòu)卡澀時(shí),反映在電流波形上為波形出現(xiàn)“凹坑”甚至“毛刺”。如圖2,如果出現(xiàn)在t0～t1段中,則一般為電磁鐵鐵芯存在卡澀,如果出現(xiàn)t2～t3段中,則一般表示脫扣器存在卡澀。

圖2 電磁鐵鐵芯卡澀波形Fig.2 Electromagnet core jammed waveform

2.2 斷路器拒動(dòng)

斷路器拒動(dòng)是指當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出斷路器分閘或者合閘指令時(shí),斷路器沒有或者未能成功執(zhí)行該指令的現(xiàn)象。這種故障對(duì)電廠的安全運(yùn)行的影響非常大。

2.3 三相動(dòng)作不同期

斷路器的分閘與合閘操作同期性是指斷路器在分閘和合閘操作時(shí),三相分閘和合閘的時(shí)間差,以及每相各觸頭分?jǐn)嗪徒佑|瞬間的時(shí)間差。電力系統(tǒng)上對(duì)三相同期性有一定的要求,一般要求合閘同期性不大于5ms,分閘同期性不大于3ms。如果合閘不同期,會(huì)引起三相電流差異較大,可能引起保護(hù)過流跳閘;如果分閘不同期,則高電壓等級(jí)空載線路或大容量空載變壓器會(huì)引起操作過電壓,可能造成系統(tǒng)設(shè)備絕緣損壞。

3 故障診斷試驗(yàn)和結(jié)果分析

本試驗(yàn)儀器設(shè)備具備斷路器分合閘電流、觸頭行程、輔助觸點(diǎn)狀態(tài)等檢測(cè)能力。

3.1 正常斷路器試驗(yàn)

本次試驗(yàn)斷路器共進(jìn)行了5次分合閘動(dòng)作,波形全部完整提取。將分閘與合閘曲線分開比對(duì),通過試驗(yàn)波形的對(duì)比,可以看出,斷路器在分合閘動(dòng)作過程中,其分合閘回路的電流波形曲線趨于一致,且本試驗(yàn)所用的傳感器和檢測(cè)儀器穩(wěn)定性優(yōu)良。

3.2 電磁鐵鐵芯未復(fù)歸故障試驗(yàn)

斷路器操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程是由線圈產(chǎn)生電磁力作用于鐵芯頂桿,當(dāng)一次動(dòng)作結(jié)束后,鐵芯會(huì)被復(fù)位彈簧拉回初始位置,為下次動(dòng)作做準(zhǔn)備。本次故障模擬方式為,斷路器處于合閘狀態(tài),用筆稍微頂住鐵芯頂桿一端,使其稍微偏離初始位置,隨后進(jìn)行分閘操作。試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 鐵芯未復(fù)歸故障波形圖Fig.3 Waveform diagram of core failure failure

圖4 鐵芯未復(fù)歸故障波形對(duì)比圖(紅色為故障波形,藍(lán)色為正常波形)Fig.4 Comparison diagram of the failure waveform of the iron core without reset (red is the failure waveform, blue is the normal waveform)

從試驗(yàn)結(jié)果看出,故障波形的鐵芯啟動(dòng)電流較低,輔助開關(guān)切斷電流一致,線圈帶電時(shí)間,轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作時(shí)間,脫扣完成時(shí)間相較都有延長(zhǎng)。從理論上分析,鐵芯未復(fù)歸故障具體表現(xiàn)為:由于鐵芯未復(fù)歸,啟動(dòng)位置的磁通量增大,導(dǎo)致公式(1)中的自感電動(dòng)勢(shì)L(t)增大,使電流值較正常值偏低,di/dt較小,即鐵芯啟動(dòng)前的曲線斜率較正常值偏低,導(dǎo)致鐵芯啟動(dòng)電流偏低;由于鐵芯的運(yùn)動(dòng)行程減小,鐵芯碰觸脫扣器的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能偏低,導(dǎo)致脫扣時(shí)間延長(zhǎng),導(dǎo)致轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作時(shí)間以及線圈帶電時(shí)間均延長(zhǎng);由于電阻值不變,故輔助開關(guān)切斷電流一致。綜上可知,試驗(yàn)結(jié)果符合故障表現(xiàn)形式。

3.3 保持摯子未與脫扣器連接半軸扣接故障試驗(yàn)

本次故障模擬方式為,斷路器處于分閘狀態(tài)下,按住就地分閘按鈕,導(dǎo)致合閘保持摯子未與脫扣器連接半軸扣接,隨后給斷路器合閘信號(hào),用傳感器監(jiān)測(cè)合閘電流信號(hào)。從試驗(yàn)結(jié)果看出,正常與故障的啟動(dòng)電流一致,開關(guān)切斷時(shí)兩者電流一致,脫扣、故障時(shí)間短于正常時(shí)間,脫扣時(shí)故障電流小于正常電流,最終故障情況未完成脫扣,導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)。從理論上分析,保持摯子未與脫扣器連接半軸扣接故障具體表現(xiàn)為:由于合閘保持摯子未與脫扣半軸扣接,導(dǎo)致脫扣半軸的運(yùn)動(dòng)阻力減小,所以合閘線圈鐵芯撞擊脫扣器完成脫扣的時(shí)間縮短,而且脫扣電流降低。由于合閘保持摯子未動(dòng)作,導(dǎo)致斷路器拒合。綜上可知,試驗(yàn)結(jié)果符合故障表現(xiàn)形式。

4 結(jié)論

(1)提出了一種基于二次側(cè)電流信號(hào)的中高壓斷路器狀態(tài)評(píng)估方式,介紹斷路器分合閘線圈電流波形分析基本原理。

(2)利用斷路器進(jìn)行缺陷模式試驗(yàn),模擬了電磁鐵線圈氣隙問題和脫扣器機(jī)械連接問題,分析對(duì)比了理論電流信號(hào)與缺陷模擬下的電流信號(hào),確定了該方法的有效性。

(3)此斷路器狀態(tài)評(píng)估方法可以有效評(píng)判斷路器從分合閘線圈帶電到脫扣器完成脫扣整個(gè)動(dòng)作過程中的任何潛在缺陷,檢出能力覆蓋斷路器二次回路和機(jī)械特性,并可具體定位缺陷位置。