高压断路器机械特性试验数据及误区分析

余云光，岳倩倩，余炜，何磊

（云南电网有限责任公司红河供电局，云南 蒙自 661100）

0 前言

高压断路器是电力系统的重要设备，它可以根据电力系统运行及检修需要，将线路或其他设备投入或退出运行。此外，在电力系统设备发生故障时，与保护自动装置配合，将故障设备从系统中切除。因此，高压断路器除应能承载并切除负载电流，还需具备切除故障电流的能力。为保证安全可靠运行，高压断路器除必须满足的绝缘及其他电气性能外，其机械性能也同样重要。有关文献表明，导致高压断路器无法运行的严重故障中，由机械或控制回路导致的故障占83%[1-2]。在断路器停电预防性试验中，主要进行断路器的机械特性试验，如分合闸动作电压测试、分合闸时间参量测试、分合闸速度测试等[3]。以南网为例，Q/CSG 1206007-2017标准颁布后，要求每六年进行一次速度特性测试，可见高压断路器机械特性的重要性。然而在实际生产中，试验人员在断路器机械特性试验数据分析处理上存在很多误区，使试验的有效性大打折扣，甚至对检修人员发出错误的检修指导，使设备隐患被掩盖，最终导致事故的发生。鉴于此，笔者就断路器分合闸动作电压、分合闸时间参量及分合闸速度分别展开论述。

1 分合闸动作电压

对于合闸动作电压，最基本的要求是在某一规定的最低操作电压下保证可靠动作。Q/CSG 1206007-2017标准的一般要求是合闸最低动作电压不大于80%额定操作电压。如果超过该电压，可能导致断路器正常合闸操作或故障重合闸不成功，甚至造成合闸线圈烧毁。现场实测经验表明，一般断路器最低合闸电压在50%额定操作电压左右。

对于分闸动作电压，最基本的要求是在某一规定操作电压下可靠不动作，且在某一规定最低操作电压下可靠动作。Q/CSG 1206007-2017标准的一般要求是在30%额定操作电压下可靠不动作，在65%额定操作电压下应可靠动作。当分闸动作电压小于30%额定操作电压时，可能会造成断路器误动作。当分闸动作电压大于65%额定操作电压时，断路器存在拒动的风险，使故障范围扩大。

实际运行经验表明，很多断路器在预防性试验合格后不久发生分合闸故障。其原因是断路器分合闸线圈性能的改变是一个缓慢的过程。试验诊断的误区是，因相关技术标准未对此作出有效约束，试验人员在测试时只关注动作电压是否在规程合格范围内，而忽视动作电压的变化，未能及时发现设备隐患。

2 分合闸时间参量

2.1 合闸时间

合闸时间是指从合闸电磁铁通电到断路器触头接通的时间。合闸时间T可分成两部分，第一部分是合闸电磁铁通电到合闸掣子脱扣的时间T1，第二部分是合闸掣子脱扣到断路器触头接通的时间T2。以合闸电磁铁通电瞬间为时刻0，合闸掣子脱扣瞬间为时刻t1，则合闸时间组成示意图可用图1表示[4]。

图1中，T1取决于合闸电磁铁的性能，主要包括线圈的电磁性能及铁芯与合闸掣子的配合度；T2主要取决于储能弹簧或其他储能原件的性能及机构的性能。

图1 断路器合闸时间

2.2 分闸时间

分闸时间是指从分闸电磁铁通电到断路器触头分开的时间。分闸时间T同样包含两部分，第一部分是分闸电磁铁通电到分闸掣子脱扣的时间T1，第二部分是分闸掣子脱扣到断路器触头分开的时间T2。以分闸电磁铁通电瞬间为时刻0，以分闸掣子脱扣瞬间为时刻t1，则分闸时间组成示意图可用图2表示[3]。

图2 断路器分闸时间

图2中，T1取决于分闸电磁铁的性能，主要包括线圈的电磁性能及铁芯与分闸掣子的配合度；T2主要取决于分闸弹簧或其他储能原件的性能及机构的性能。

2.3 规程要求

规程及厂家技术标准均未对T1、T2作出具体要求，只对T1、T2之和T作出相关规定，Q/CSG 1206007-2017标准对分合闸时间T的规定如下：

1）分合闸时间应符合制造厂规定[2]；

2）除制造厂另有规定外，相间合闸不同期不大于5 ms，相间分闸不同期不大于3 ms[2]。

2.4 诊断误区

无论分闸还是合闸，分合闸时间T均由两部分组成。因此，当时间参量T超出厂家规定值或三相不同期超过规程要求时，可能的原因有三种：

1）分合闸电磁铁性能改变，造成T1发生变化；

2）储能弹簧、分闸弹簧或其他储能原件性能改变，造成T2发生变化；

3）两种因素的综合作用，使T1、T2均发生变化。当分合闸时间T不合格时，应进一步分析原因，才能对症检修。而在实际检修工作中，检修人员通常只对分合闸电磁铁进行调整，使分合闸时间参量测试数据满足规程及厂家要求。只关注试验数据的最终结果，而不重视数据异常的原因分析，这是一个很大的误区。

当分合闸时间参量不合格是由储能弹簧、分闸弹簧或其他储能原件性能改变造成时，通过调整分合闸电磁铁而使试验数据合格，不但无法消除缺陷，还将设备隐患掩盖起来，最终导致不良后果。

正确的处理方法是，当分合闸时间T不合格时，应根据速度测试结果，对数据进行综合分析，找出数据异常的原因，根据具体原因进行针对性调整。

3 分合闸速度

3.1 测试意义

断路器分合闸时，触头运动速度是断路器的重要特性参数，最重要的是刚分、刚合速度，直接影响断路器的工作性能[5]。合闸速度不足会引起触头合闸颤动，使触头预击穿时间过长，甚至合闸不到位，造成严重后果；分闸速度不足，会使电弧燃烧时间过长，导致灭弧室压力增大，轻则烧坏触头，重则断路器爆炸[6]。

3.2 测试方法

断路器速度测试的方法主要有旋转传感器法、直线传感器法以及加速度传感器法，其中加速度传感器测试数据的准确性还有待研究。旋转传感器法和直线传感器法本质上是一样的，在断路器机械特性测试仪中输入断路器的行程参数，传感器的输出电压与断路器行程自动匹配，并以电信号的形式绘制出行程曲线[7]。因为分合闸速度测量原理相同，以合闸行程曲线为例进行分析，如图3。其中坐标横轴为时间轴，纵轴为断路器行程，t1为合闸掣子脱扣时刻。

断路器在合闸过程中，速度不是恒定不变的，各时刻的瞬时速度vt是该时刻行程曲线的导数，即

在工程应用时，测试各时刻的瞬时速度实际意义不大。一般对合闸而言，刚合速度是最重要指标参数[8]。一般定义动静触头接触前10毫秒的平均速度为刚合速度。

图3 断路器合闸行程曲线

3.3 诊断误区

Q/CSG 1206007-2017标准对断路器速度测试的要求是测量方法和测量结果符合制造厂规定。不同厂家不同型号断路器分合闸速度标准不一，分合闸速度通常为一范围值。以220 kV某型号断路器为例，其合闸速度标准为3.6±0.6 m/s，分闸速度标准为8.0±0.5 m/s。试验人员在进行现场速度测试时，只要测试数据满足厂家标准范围，就会简单地判断该断路器速度特性合格。根据上述分析，这显然是不足的。由图3合闸行程曲线可知，合闸速度数据合格，只能说明行程曲线在刚合前的平均斜率符合要求，合闸速度满足断路器的电气性能指标。当行程曲线出现整体水平位移时，断路器刚合速度并不会改变，但断路器必然存在机械缺陷。

4 速度测试案例

2018年，在本局某220 kV变电站220 kV断路器间隔预防性试验中，试验人员在测试中发现断路器时间参量不合格，但速度测试数据符合厂家标准。该断路器为三相独立机构，主要技术参数见表1，合闸时间及速度测试数据见表2。

表1 断路器主要技术参数

表2 合闸时间及速度测试数据

从表2测试数据可以看出，C相合闸时间参量及三相同期性均超标，但合闸速度测试数据满足厂家技术标准。C相合闸时间参量不合格的因素，本文已经阐明。根据上文所述，合闸速度合格而时间不合格，可以判断造成C相时间参量超标的原因为合闸电磁铁，从而对C相合闸电磁铁进行调整，这是很多检修试验人员容易步入的误区。下面对合闸行程曲线作进一步分析，图4为该断路器三相合闸速度测试行程曲线。

图4 三相合闸速度测试行程曲线

表3 合闸时间及速度复测数据

根据图4三相合闸速度测试行程曲线，分析得出以下三点结论：

1）A、B、C三相行程曲线起始时刻相同，即合闸电磁铁脱扣时间相同，可以排除合闸电磁铁缺陷造成C相合闸时间参量超标；

2）A、B两相行程曲线基本重合，C相行程曲线在40 mm之前上升幅度较小，之后上升幅度与A、B两相基本相同，特别是行程末端曲线斜率基本相同，即刚合速度相同，这与测试数据相吻合；

3）C相行程曲线在时间轴上被拉长，主要原因是断路器C相在合闸行程前40 mm速度比A、B两相慢得多，因此造成C相合闸时间参量超标的原因是机械卡涩或储能弹簧异常。

根据以上分析，检查人员对C相机构进行润滑等相关处理，并对储能弹簧压缩量进行逐步调整，直到C相合闸时间参量满足要求。调整完成后的时间参量及速度复测数据见表3。

再对机构调整后三相合闸速度测试行程曲线进行比较，如图5。

图5 机构调整后合闸速度测试行程曲线

从图5可以看出，C相机构调整前行程曲线40 mm之前上升幅较小的情况得到显著改善，且A、B、C三相合闸行程曲线基本重合。至此，可以确定本台断路器机构缺陷成功消除。

5 结束语

1）断路器分合闸动作电压试验比较简单，数据判断依据也不复杂，试验人员仅根据试验数据是否在规程要求范围作出试验结论，而缺乏对试验数据的变化量的分析，使很多设备隐患不能及时发现；

2）断路器分合闸时间参量及速度测试数据之间存在很多内在的关联，不能进行孤立分析。当其中一项试验数据不合格时，应同时分析另一项的试验数据，方能找到缺陷的真正原因；

3）对断路器分合闸速度试验数据的判断，不仅要看分合闸速度是否满足厂家技术要求，还应关注分合闸行程曲线的变化。否则容易对断路器的异常数据作出错误的判断，甚至将潜在的设备隐患掩盖。