断路器弹簧操动机构分/合闸弹簧的状态诊断

郭博文 李 楠 李松原 李 琳 赵 聪

断路器弹簧操动机构分/合闸弹簧的状态诊断

郭博文 李 楠 李松原 李 琳 赵 聪

（国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300392）

为保证断路器弹簧操动机构的安全可靠运行，本文提出一种针对弹簧操动机构分/合闸弹簧的状态诊断方法。通过分析弹簧在断路器储能过程和分/合闸动作过程中的动作特性，提取储能过程中电机有效输出功和分/合闸过程中的动作速度作为诊断弹簧性能的特征参数，分析阐述基于对特征参数判断的分/合闸弹簧状态诊断流程，设计分/合闸弹簧状态诊断系统，并结合CT20弹簧操动机构对该方法进行验证。通过对新旧分/合闸弹簧进行对比实验，证明所提出的分/合闸弹簧状态诊断方法简单、准确，具有良好的诊断效果。

弹簧操动机构；特征参数；电机有效输出功；分/合闸速度；弹簧状态；诊断方法

0 引言

弹簧操动机构具有结构简单、可靠性高、维护方便等优点[1]，是高压断路器操动机构中最常见且使用最广泛的形式。在长期的运行过程中，弹簧操动机构中的核心部件——分/合闸弹簧长时间处于压缩或拉伸的状态[2]。随着服役时间的增长，弹簧会出现疲劳、蠕变、应力松弛等现象[3]，导致断路器分/合闸速度减小，分/合闸时间增长，严重时甚至造成断路器拒动，对电网的安全稳定运行造成严重的威胁[4]。

近年来，国内外学者利用操动机构的多种特征信号对断路器的机械故障进行了诊断研究。文献[5]提出一种合闸弹簧动态特性及储能状态检测方法，对合闸过程中弹簧的加速度信号进行分段分析，求取空间距离和本征频率的加权欧氏距离，作为合闸弹簧储能状态的特征参数，该方法可以对合闸弹簧进行检测，但其无法对分闸弹簧进行检测诊断。文献[6]通过监测断路器的分合闸速度、时间、同期性等参数对断路器的整体性能进行评判，但没有对弹簧状态进行评判，且监测过程复杂，不适宜在现场使用。上述研究虽然取得了一定成果，但尚未有有效诊断断路器分/合闸弹簧状态的方法。

为解决上述问题，本文提出一种断路器分/合闸弹簧状态的诊断方法。通过分析弹簧操动机构的动作特性，提取电机有效输出功、分/合闸速度作为诊断弹簧状态的特征参数，提出基于特征参数的诊断流程。以CT20弹簧操动机构作为模拟实验平台，选取新旧分/合闸弹簧作为实验样本进行诊断验证。结果表明，所提出的方法可以不使用压力参数就能对弹簧状态进行有效诊断。

1 弹簧操动机构动作特性

弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧操动机构的动作过程如图1所示[7]。

图1 弹簧操动机构的动作过程

合闸动作时，合闸线圈接收到合闸控制信号，锁扣借助磁力脱扣，合闸弹簧释放能量，经过机械传递单元使触头运动。合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸动作结束后，储能电机立即起动工作，为合闸弹簧储能。分闸动作时，分闸线圈接收到分闸信号，锁扣借助磁力脱扣，分闸弹簧释放能量，经过机械传递单元使触头运动[8]。

1.1 合闸弹簧储能过程

断路器合闸动作后，限位开关闭合，接通电动机回路，使储能电机起动，带动合闸储能弹簧储能，储能完毕后，经过锁扣系统使其保持在储能状态。以CT20为例分析合闸弹簧在储能动作过程中的受力情况，如图2所示。

点代表储能电机驱动的主动轴，为合闸弹簧的位置，为合闸弹簧活动端。储能时，摇臂随轴顺时针旋转，拉动弹簧导程杆运动，合闸弹簧压缩储能。合闸弹簧活动端点在轴上随着旋转角的变化而运动，当为0°时，弹簧处于释能状态，当为180°时，弹簧处于储能状态。储能电机的动作带动点的旋转，使完成0°～180°旋转，弹簧的受力过程可用式（1）～式（4）表示[9]。

图2 断路器储能过程受力示意图

式中：D为的距离；为的长度；为的长度；为的距离；D*为力在上动作的距离；D为力在上动作的距离；为电机出力；为弹簧系数。

在CT20的弹簧操动机构中，为50mm，为600mm，为150mm。根据式（1）～式（4）和操动机构中各部件的实际长度及图2中与的三角几何关系，可得电机出力和转角的关系曲线如图3所示。

图3 电机出力F和转角a的关系曲线

储能电机出力所做的功转化到合闸弹簧中储存起来，表明电机有效输出功可以反映合闸弹簧储能时的状态性能。根据式（5）积分计算可得电机在合闸过程中的输出功。

在合闸弹簧运动过程中，储能电机有效输出电流-时间曲线如图4所示[10]。根据能量守恒定律，储能电机所消耗的电能转换为电机压缩弹簧所输出的功，由此可得

式中：为储能电机消耗的电能；为储能电机的额定电压；()为储能电机电流；2～4为储能电机的有效工作时间。

因此，可以把电机有效输出功作为判断断路器合闸弹簧状态的特征参数。

图4 储能电机电流-时间曲线

1.2 分/合闸动作过程

根据弹簧运动过程中的能量变化，具体分析分/合闸动作过程。

式中：S为储能电机存储在合闸弹簧上的能量；0为断路器分闸弹簧所储存的能量；1为断路器合闸弹簧用来合闸的能量。断路器合闸时，合闸弹簧释放的一部分能量驱动操动机构和绝缘拉杆运动，使动静触头接触，完成合闸操作；另一部分能量用来压缩分闸弹簧，使分闸弹簧储能。断路器分闸时，存储在分闸弹簧内的能量释放，使动静触头分开，完成分闸操作。

利用“功能关系”分析弹簧能量与弹簧速度之间的关系。在物理学中，质量为的物体在驱动力的作用下，克服阻力z、运动行程后，速度从1增加至2，可得

如果在运动过程中，与z都在变化，则式（8）改写为

根据断路器操动过程中的弹簧运动特性，弹簧的负载等效质量()为一变量，其值随弹簧的形变量而变化，()为弹簧储能高度为时负载部件的等效质量[11]。弹簧与负载的受力示意图如图5所示。

图5 弹簧与负载的受力示意图

由运动学方程可知，()也为一变量，其值同样随弹簧的形变量而变化，则有

式中：为弹簧刚度；()为弹簧储能高度为时弹簧的力值。

根据()、()与弹簧形变量的关系，可以将式（9）改写为

计算断路器弹簧运动速度时，运动部分总是由静止状态开始运动，因此在=0行程开始处1=0。任一行程处的运动速度可由下式计算，即

由式（13）得出，只要知道弹簧力值()与弹簧负载等效质量()的变化情况，即能计算出任一行程的物体运动速度。

因此，可以用分闸弹簧的运动速度f来反映分闸弹簧的状态性能，用合闸弹簧的运动速度h来反映合闸弹簧的状态性能。同时，依据分/合闸弹簧能量传递关系，合闸弹簧的运动速度h也可以来反映分闸弹簧的储能状态。所以，选取分闸速度（包括刚分速度和平均分闸速度）、合闸速度（包括刚合速度和平均合闸速度）作为特征参数。

2 诊断方法

2.1 特征参数的采集和提取

根据分/合闸弹簧的运动和储能过程，采用电流互感器获取储能电机在断路器储能过程中的电流-时间曲线，采用角位移传感器获得分/合闸动作行 程-时间曲线。对采集的数据进行数学运算分析，提取反映分/闸弹簧状态的特征参数。

1）电机有效输出功

对于交流储能电机得到的电流-时间曲线，对其进行希尔伯特变换，提取包络线，并进行滤波去噪处理后，选取电机在有效工作时间内的波形，根据式（6）进行积分运算，得到电机有效输出功。对于直流储能电机得到的曲线，可直接对其进行积分运算，得到电机有效输出功。

2）分/合闸速度

在断路器合闸动作行程曲线中，去掉首尾各10%的行程后，利用剩余80%的行程曲线段计算合闸弹簧平均速度，触头合闸行程曲线如图6所示。

图6 触头合闸行程曲线

式中：P1为合闸弹簧的平均速度（m/s）；为断路器合闸的有效行程；D为0.8行程对应的时间。

将合闸行程曲线微分后得到合闸速度-时间曲线，该曲线配合断路器触头的分断时间可得到断路器的刚合速度。

同理，从断路器分闸动作行程-时间曲线和分闸速度-时间曲线中可得断路器平均分闸速度和刚分速度。

2.2 分/合闸弹簧状态诊断方法

通过对弹簧储能过程和分/合闸过程的分析，可利用电机有效输出功、分闸速度和合闸速度作为特征参数来诊断分/合闸弹簧状态。

分/合闸弹簧状态诊断流程如图7所示，分为以下几个步骤：

1）操动断路器完成分/合闸动作和储能动作过程，采集和提取电机有效输出功、分/合闸速度等特征参数。

2）电机有效输出功反映合闸弹簧的状态，通过分析储能电机输出功对合闸弹簧进行第一次诊断。储能电机输出功在标准值范围内时，合闸弹簧的状态良好，进行下一步诊断；未在标准值范围内时，合闸弹簧的状态已不能满足断路器动作要求，诊断结束，诊断结果为合闸弹簧需要及时维修或更换。

图7 分/合闸弹簧状态诊断流程

3）分闸速度反映分闸弹簧的状态，通过分析分闸速度对分闸弹簧进行第一次诊断。分闸速度在标准值范围内时，分闸弹簧的状态良好，进行下一步诊断；未在标准值范围内时，分闸弹簧的状态已不能满足断路器动作要求，诊断结束，诊断结果为分闸弹簧需要及时维修或更换。

4）合闸速度大小可以反映分/合闸弹簧的状态。通过合闸速度对分/合闸弹簧的状态进行二次诊断验证。二次诊断可以有效避免由于测量误差引起的一次误诊。合闸速度在标准值范围内时，诊断结束，诊断结果为分/合闸弹簧的状态良好；未在标准值范围内时，分/合闸弹簧状态异常，诊断结束，诊断结果为分/合闸弹簧已不能满足断路器动作要求，需要及时维修或更换。

3 诊断装置的设计

3.1 诊断装置的结构设计

断路器弹簧操动机构分/合闸储能弹簧状态诊断系统的结构如图8所示。上位机为工控计算机，通过USB总线控制下位机CPU的工作。停电检修时，上位机控制CPU完成分/合闸、储能动作过程。在该过程中，数据采集卡采集各个传感器的输出值，并上传至上位机进行特征参数的提取，通过上位机对分/合闸弹簧的状态进行有效诊断。

图8 状态诊断系统结构

3.2 传感器的选择与安装位置的设计

根据CT20系列弹簧操动机构的机械特点选择设计安装传感器。

1）角位移传感器的选择及安装位置的设计

为有效地获取分/合闸行程曲线，系统使用角位移传感器监测主传动轴的转速[12]。在断路器动作过程中，角位移传感器随着主轴以相同速度转动，其输出信号直接反映了断路器动触头运动的速度大小。通过A/D采集卡的采集，后在上位机中进行信号处理，得到分/合闸行程-时间曲线，再经微分处理后得到分/合闸弹簧的速度-时间曲线。

2）电流互感器的选择

CT20弹簧操动机构采用的单相交流电机，其额定功率300W，额定电压AC 220V，额定电流为4A。采用穿心式电流互感器对储能电机电流进行测量[13-14]，其量程为100A，电机电源线安放在电流互感器的穿心孔中进行测量。

4 实例验证

4.1 模拟实验平台

模拟实验平台为CT20型弹簧操动机构。使用自主研发制造的断路器弹簧操动机构分/合闸弹簧状态诊断系统进行诊断，操动机构配备与LW25—126断路器负载等重的模拟负载，现场测试如图9所示。

图9 现场测试

4.2 实验验证

选取同一厂家生产的两组CT20弹簧操动机构及配套分/合闸弹簧，如图10所示。

图10 CT20断路器弹簧

其中，A组为全新弹簧，分/合弹簧结构完整，弹簧表面无裂纹、光滑且无锈蚀，弹簧出厂参数见表1和表2。B组为运行17年的旧弹簧，旧分/合闸弹簧同样结构完整，但运行时间较长，动作次数多，且弹簧表面有一定程度的锈蚀，可能会有疲劳、应力松弛等现象。对A、B两组的分/合闸弹簧状态特征参数分别进行检测，得到新旧分/合闸弹簧的实验诊断数据见表1。

根据本文所提出的方法对弹簧状态进行诊断，A组分/合闸弹簧的力学性能参数均在标准值范围内，性能优良；B组电机有效输出功在正常范围内，说明其合闸弹簧的性能良好，而分闸弹簧的刚分速度和平均分闸速度低于标准值，表明分闸弹簧已不能满足断路器动作要求，需要及时更换或处理。

表1 新旧分/合闸弹簧的实验诊断数据

CT20型弹簧操动机构分闸弹簧参数见表2。为了进一步验证B组分闸弹簧的状态，在弹簧压力试验机上将B组分闸弹簧压缩至储能高度342mm，测得弹簧压力值为15 800N，对比分析表2中的标准参数，可得B组分闸弹簧压缩后的储能力值减小，弹簧本身出现应力松弛、储能不足的现象，因此，导致分闸速度降低。

表2 CT20型弹簧操动机构分闸弹簧参数

通过上述结果可以看出，断路器的分、合闸弹簧状态与系统诊断所得的状态结果基本一致，进一步验证了诊断方法的有效性。

5 结论

本文主要对断路器分/合闸弹簧的状态诊断进行了研究：

1）根据断路器弹簧操动机构的动作特性，分析了电机输出功与合闸弹簧储能的关系，以及分/合闸速度与分/合闸弹簧压缩能量的关系。

2）使用角位移传感器和电流互感器对分/合闸动作和储能过程进行数据采集，将采集到的数据上传至上位机进行特征参数提取。

3）在CT20弹簧操动机构模拟实验平台上对两组新旧分/合闸弹簧分别进行了状态诊断实验。实验表明，本文所提出的诊断方法能够有效评估高压断路器的分/合闸弹簧的状态，为断路器弹簧的状态检修提供了依据。

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State diagnosis for closing/opening spring in the spring operating mechanism of circuit breaker

GUO Bowen LI Nan LI Songyuan LI Lin ZHAO Cong

(Electric Power Research Institute of Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300392)

In order to ensure safe and reliable operation of the spring operating mechanism, a method of spring’s state diagnosis in spring operating mechanism is proposed. Through analyzing the spring’s operation characteristic in storing process and in closing/opening process, the effective output of motor in storing process and the closing/opening speed are extracted, which are used as characteristic parameters to diagnose spring’s state. The diagnosis process of closing/opening spring’s state is specifically analyzed and described based on the judgment of characteristic parameters. The diagnosis system of closing/opening spring’s state is designed, and it is verified by combining with the CT20 spring operating mechanism. Through the contrast experiment of old and new closing/opening spring, the proposed diagnosis method for opening/closing spring is validated to be simple and accurate, and the result of the diagnosis is very well.

spring operating mechanism; characteristic parameters; the effective output of motor; the opening or closing speed; state of spring; diagnosis method

2021-01-19

2021-03-10

郭博文（1992—），男，天津人，硕士，工程师，从事高压试验、设备故障诊断技术等工作。