高寒条件下超高压隔离开关机械特性研究

齐 超

(大唐黑龙江发电有限公司，哈尔滨 150078)

0 引 言

隔离开关的可靠性在很大程度上取决于其机械操作系统的可靠性。随着国家电网建设向高寒地区的全面展开，对高压隔离开关的可靠性、寿命等方面的要求越来越高，迫切需要户外隔离开关运维技术的快速发展。统计表明，高寒地区的高压隔离开关的故障大部分是机械操作系统故障，且多是因低温环境导致的导电回路和动作机构故障。因此，亟需研究高寒条件下隔离开关的机械特性，提出可用于监测高寒条件隔离开关运行状态的物理量。

目前，学者关于隔离开关机械特性及在线监测技术的研究较多。常林晶等人通过对隔离开关的传动模型进行简化和等效力矩计算，得到了影响隔离开关操作力矩的关键因素，即与触头触指的接触压力、接触轮廓和传动连杆的位置有关，提出了一种基于主轴扭矩的隔离开关机械状态故障诊断方法[1-2]；黄聿琛等人通过研究分析建立了隔离开关电机电流和转轴转矩与不同缺陷情况的对应关系，提取关键特征量，提出了缺陷诊断判据和方法[3-4]；雷兴等人测得隔离开关处于正常状态、轴承卡涩、三相不同期、合闸不到位等典型机械状态的操作力矩-转角曲线，通过对比分析提出了基于操作力矩-转角曲线的纵向比较法与横向比较法来判断隔离开关机械状态[5-6]；董洪达分析了高压隔离开关典型机械故障(绝缘子断裂、操作不灵活、部件锈蚀)的产生原因，阐述了各类机械故障的检测方法，并通过对比研究，提出了科学合理的诊断检修改进措施[7-8]。但上述研究只针对常温条件，未考虑低温对各项特性的影响。

针对上述问题，通过建立超高压隔离开关的高寒条件试验平台，测试并对比分析了低温对隔离开关电极定子电流、输出转轴及输出功率的影响，为其在高寒环境下运行状态的监测与诊断提供数据参考。

1 试验平台

1.1 隔离开关试品

该试验以550 kV防污型双柱单臂水平伸缩式隔离开关为试验对象，为了方便观察分合闸动作及后期调试过程，所用试样未安装支柱绝缘子、旋转绝缘子以及相应位置的均压环。但由于齿轮箱处的均压环会随着齿轮箱的运动而运动，为了模拟其对隔离开关的影响，需在齿轮箱处安装配重块，试样在实验室及高寒环境下的布置如图1、图2所示。

图1 隔离开关实验室布置图

图2 隔离开关高寒环境试验布置图

1.2 测量系统

为满足对隔离开关典型机械特性参数的测量，分别搭建输出电机定子电流(电机功率)及转轴应变检测系统。其中，电机功率通过对卡扣式电流互感器、电压传感器与电压探夹的测量而得到，并通过数据采集模块上传至LabVIEW软件平台，其原理如图3所示。

图3 功率测试接线原理图

考虑到在检修过程中，不允许拆动原有的二次回路，试验时将卡扣式电流互感器安装到对应的接触器以及A、C两相的进线端进行测量，并通过采集模块将数据送至软件平台。输出功率则采用二表法，通过测量两相电流以及对应的线电压，来计算电机的输出功率。

同时，在测量隔离开关转轴应变时，为不破坏其原有轴系，采用非植入式检测系统，将输出转轴应变转化为输出转轴力矩，匀速驱动隔离开关动作，同时测得驱动隔离开关动作需要的操作力矩和手动输入端的转动角度。再根据机构箱内减速机的减速比，将测量的操作机构箱手动输入端转角折算为主轴的转角，最终得到操作力矩-转角曲线。

常温试验选取温度为25～35 ℃，同时，为模拟高寒气候条件，测试时利用低温箱及室外实际环境将温度降为-40～-20 ℃，分、合闸时间均设定为12 s，在额定操作电压下，操动5次，并记录相关数据[9]。

2 高寒环境对隔离开关电机定子电流的影响

运用上述设备测得常温及高寒环境下分、合闸电机定子电流曲线，如图4所示。

图4 电机定子电流随分、合闸时间变化曲线

分析图4可知，由于隔离开关驱动电机采用了直接启动方式，故启动电流幅值比较大，但分合闸过程中电流幅值较为平稳。

与常温情况相比，高寒环境下分、合闸电流幅值均明显增大，且在合闸啮合过程中存在一个较小的波峰。但由于电机电流仅在负载较大时会随之波动，当负载较小时变化不明显，故难以通过电机电流曲线评判隔离开关的机械状态。

3 高寒环境对隔离开关输出转轴应变的影响

测试得到常温及高寒环境下状态隔离开关分合闸输出转轴应变曲线，如图5所示。可以看出，总体上合闸过程所需力矩较大，力矩变化更为明显。具体分析可分为4个过程：0°～8.6°，即合闸初始运动阶段操作力矩幅值较小，且不随角度的变化而变化，这是由于此阶段上、下导电臂位置基本不发生改变；8.6°～138.4°，即导电臂展开阶段，在该阶段合闸曲线先上升后下降，并出现一个较大的波峰，这是由于合闸过程弹簧的形变量与重心的位移量变化速率不一致，当弹性势能变化较大时，主轴转动所需力矩增大，当重力势能变化较大时，主轴转动所需力矩减小；138.4°～163.8°，触头与触指啮合阶段，该阶段合闸曲线存在两次明显下降，分别由弹簧形变及重力势能变化导致；163.8°～182.8°，合闸末尾运动阶段，该阶段操作力矩变化特性与初始阶段相同，这是由于上、下导电臂位置、重力势能与弹性势能基本不变。

图5 输出转轴应变随分、合闸时间变化曲线

对比得出，高寒环境及常温环境下力矩行程曲线的变化趋势大致相同，但高寒环境下幅值平均增大2.26 N·m，分闸过程中幅值增大2.20 N·m。这是由于高寒环境下金属受冷收缩，轴承转动过程受到的阻力增大；同时金属的韧性大幅下降，触指、导电弯板的形变过程需要克服更大的阻力。

4 高寒环境对隔离开关输出功率的影响

测试得到常温及高寒环境下状态隔离开关输出功率曲线，如图6所示。分析可知，合闸运动所需的时间略大于分闸运动，且由于弹性势能与重力势能时刻发生改变，难以平衡，故动作过程中导电臂展开或收缩也无法维持匀速，主轴力矩变化较大，分合闸曲线也有较多的波动。

图6 输出功率随分、合闸时间变化曲线

高寒状态下，电机的运动时间在分闸和合闸过程中分别下降为10.54 s和10.68 s，且电机功率明显上升，合闸过程平均输出功率为518 W，比正常状态增加143 W；分闸过程平均输出功率为439 W，比正常状态增加197 W，合、分闸过程做功之比从1.57下降为1.25，试验规律与应变检测结果一致。

5 结 语

为得到能够监控隔离开关机械特性的特征量，通过建立试验平台，并测试对比常温环境及高寒条件下电机定子电流、输出转轴应变及输出功率随时间的变化曲线，得到如下结论：

1)高寒条件下电机电流较常温条件下增大，但由于合闸过程中电流幅值较为平稳，对于动作过程中力矩较小的隔离开关，难以通过电机电流曲线评判隔离开关机械状态；

2)高寒条件下力矩行程曲线与常温环境下输出转轴应变的变化趋势大致相同，但分合闸过程的操作力矩均明显增大，分别增加2.26 N·m及2.20 N·m；

3)高寒条件下，分合闸过程电机功率较常温环境下明显上升，且合、分闸做功之比减小，与转轴应变随温度变化规律一致。