断路器机械特性曲线分析

南方电网超高输电公司百色局 熊 亮 韦 宇 农文辉

断路器是电力系统中的一种不可或缺的重要控制设备，通过承载及切合负载电流和短路电流来改变电网运行方式和切断系统故障，发挥控制和保护的双重作用，其开断性能直接影响到电力系统的安全、稳定运行。断路器的分合闸速度、分合闸时间、分合闸同期度、分合闸线圈的动作电压值等机械特性参数，直接体现断路器的开断性能[1-2]。由于断路器在开断过程中要经受电、热、机械力的作用及大气环境的影响，为了验证其可靠的开断性能，测量及分析断路器机械特性成为检测断路器开断性能是否完好的一种重要手段，在《南方电网检修试验规程》中明确了断路器机械特性的具体检测周期及标准。

同时，在南方电网年度运行方式及反措中已经明文规定，断路器应逐台开展机械动作特性分析，基于机械特性曲线重点开展分合闸线圈电流波形、行程曲线、断口变位信号等主要特征量历史曲线的对比、同厂同型断路器个体及断路器相别间的对比，确保分析准确、有效[3-5]。由此可见，断路器的机械特测曲线分析的重要性。

本文以目前主流的弹簧机构断路器为例，介绍了断路器机械特性曲线中各曲线动态变化与分合闸过程中各零部件动态变化的对应关系，为试验人员采用分析机械特性曲线手段来判断断路器是否存在机械故障提供依据。

1 断路器合闸过程与机械特性曲线的关系

断路器合闸前提条件为断路器处于分闸位置且合闸弹簧储能，下文结合图2中各条曲线变化过程来说明图1中断路器合闸过程中的各个阶段，具体如下：

0～t1时段主要描述合闸线圈通电后产生的电磁力推动铁芯的顶杆运动至接触合闸掣子瞬间的过程，具体分析如下：结合图1、图2中D曲线分析，当断路器收到合闸命令时，合闸线圈两端加电压，动铁芯未能运动，由于线圈自感的作用，流过合闸线圈的电流按指数规律由0A逐渐向第一次峰值i2增长，静铁芯产生的电磁力也逐渐增大。

图1 断路器分闸状态示意图

图2 断路器合闸机械特性曲线

当合闸线圈电流增加到一定值后，通过其静铁芯产生的电磁力推可动铁芯及其顶杆克服零部件间摩擦力、动铁芯复位弹簧弹力等开始向静铁芯开始运动，随着动铁芯的速度逐渐增加，静铁芯的电磁能逐渐转化为动铁芯运动所需的机械能，同时动、静铁芯气隙也逐渐减小导致磁阻逐渐变小，流过线圈的电流增长也逐渐减小。直到t1时刻瞬间，动铁芯上的顶杆碰到合闸掣子。在此时段内，由于断路器机构未动作，灭弧室（断口）内动静触头的状态、串联于分合闸控制回路中辅助开关接点的状态均未发生变化，因此A、B、C、E曲线状态保持不变。

t1～t2时段主要描述在合闸线圈的电磁力作用下，合闸线圈的动铁芯顶杆从接触合闸掣子瞬间开始至其行程极限（即动、静铁芯相遇撞击时刻）过程中，推动合闸掣子运动的过程，具体分析过程如下：结合图1、图2中D曲线分析，从t1时刻开始，高速运动的动铁芯通过其顶杆撞击合闸掣子的方式将能量传递给合闸掣子，其速度降低。同时，在静铁芯产生的电磁吸力作用下，动铁芯及其顶杆继续克服零部件间摩擦力、动铁芯复位弹簧弹力、合闸掣子复位弹簧弹力等，继续推动合闸掣子沿着顺时针方向做旋转加速运动。

随着合闸掣子加速运动及动、静铁芯间隙逐渐减小，动铁芯受到的阻力逐渐减小而其速度越来越大，流过合闸线圈的电流也越来越小。直到t2时刻瞬间，动铁芯因撞击静铁芯受阻，动铁芯运动至其最大行程，动铁芯上的顶杆与合闸掣子脱离，流过合闸线圈的电流达到第一次低谷值i1。在此时段内，由于断路器机构未动作，灭弧室（断口）内动静触头的接触状态、串联于分合闸控制回路中辅助开关接点的状态均未发生变化，即A、B、C、E曲线状态保持不变。

t2～t4时段主要描述合闸掣子在惯性作用下，继续运动导致储能保持掣子与棘轮脱离，储满能量的合闸弹簧推动与棘轮同轴的凸轮撞击拐臂，引起拐臂向“合闸”方向运动，同时与拐臂直接连接的动触头（灭弧室）、辅助开关也相继开始运动的过程，具体分析如下：

一是结合图1、图2中D曲线分析，在t2时刻，合闸线圈的动铁芯达到其最大行程，其顶杆与合闸掣子脱离，静铁芯产生的电磁吸力保持不变、不再增大，在外部电压和线圈自感作用下，流过合闸线圈电流曲线D按指数规律从i1（t2时刻）逐渐增长至第二次峰值i3（t4时刻）。

二是结合图1及图2中A、B、C、E曲线分析，从t2时刻开始，具有能量的合闸掣子克服零部件间摩擦力、合闸掣子复位弹簧弹力等沿着顺时针方向做旋转运动，导致其与储能保持掣子失去平衡而发生脱离，合闸弹簧的能量开始释放。在合闸弹簧推动下，储能保持掣子被棘轮上的滚轮推动至两者脱离，然后合闸弹簧继续通过释放能量的方式推动棘轮及与棘轮同轴的凸轮沿着逆时针方向做旋转加速运动。直到t3时刻瞬间，在高速旋转的凸轮撞击下，拐臂获取巨大的能量，该能量克服缓冲器阻力、分闸弹簧阻力、零部件间摩擦力、灭弧室内气体压力等开始沿着顺时针方向做旋转加速运动，拐臂通过（绝缘）拉杆带动灭弧室内动触头、机构辅助空开开始运动，即断路器开始合闸，动触头行程曲线E开始动态变化。

根据t3至t4时段内动触头行程曲线E的变化趋势（行程由0mm向H方向逐渐增加），灭弧室内动触头开始向静触头方向运动。直到t4时刻，灭弧室内动、静触头都未能接触，曲线A的状态保持不变。同时，由于辅助空开接点的动、静触点存在一定接触行程且接点间的接触行程长短不同，串于合闸回路常闭辅助接点触头被切断，曲线C的状态发生变化，而串联于分闸回路的常开辅助接点由于接触行程较长而未导通，故曲线B的状态发生变化。

t4～t8时段主要描述具有动能的拐臂克服缓冲器、分闸弹簧、零部件间摩擦、灭弧室内气体压力等阻力，最终将灭弧室内动触头插入静触头并保持在“合闸”位置，同时拐臂带动辅助开关切换的动作过程，具体分析如下：

一是在t4至t5时段，根据图3中D曲线分析，由于串于合闸回路常闭辅助接点在t4时刻瞬间被切断，由于该常闭接点触头间的距离不够长、灭弧能力不够，无法熄灭施加在合闸线圈两端电压产生燃弧，合闸线圈继续流过电流。随着辅助空开的运动，常闭接点间距离逐渐增大，灭弧能力逐渐变强，流过的电流逐渐减少。直到t5时刻，接点间的燃弧熄灭，合闸线圈的电流降至第二次低谷值0A。

二是从t4时刻开始，拐臂利用自身获取的能量克服缓冲器、分闸弹簧、零部件间摩擦等阻力继续沿着顺时针方向做旋转加速运动，带动灭弧室内动触头、机构辅助空开继续运动。当拐臂运动至t6时刻瞬间，串联于分闸线圈的常开接点闭合，曲线B状态改变，为断路器合于故障时快速分闸做准备。拐臂运动至t7时刻瞬间，灭弧室内动、静触头接触导通（称为“刚合点”），曲线A状态改变。拐臂继续运动至t8时刻瞬间，由于缓冲器阻力、分闸弹簧阻力、零部件间摩擦力、灭弧室内气压等从t3～t8时间持续反作用，拐臂的能量除一部分转化为分闸弹簧储存的能量，其余能量用于克服其他阻力而消耗掉。失去能量的拐臂最终在合闸保持掣子、分闸掣子的相互作用下被锁住，此时断路器处于并保持在“合闸”状态（详见图3中拐臂位置），行程曲线E高度增至Hmm。

图3 断路器合闸状态示意图

2 断路器分闸过程与机械特性曲线的关系

断路器分闸前提条件为断路器处于合闸位置且分闸弹簧储能，下文结合图4中各条曲线变化过程来说明图2中断路器分闸过程中的各个阶段，具体如下：

图4 断路器分闸机械特性曲线

0～t1时段主要描述分闸线圈通电后产生的电磁力推动铁芯的顶杆运动至接触分闸掣子瞬间的过程，具体分析如下：结合图3、图4中D曲线分析，当断路器收到分闸命令时，分闸线圈两端加电压，由于线圈自感的作用，流过分闸线圈的电流按指数规律由0A逐渐增长至第一次峰值i2，静铁芯产生的电磁力也逐渐增大。

当分闸线圈电流增加到一定值后，通过其静铁芯产生的电磁力推可动铁芯及其顶杆克服零部件间摩擦力、动铁芯复位弹簧弹力等开始向静铁芯开始运动，随着动铁芯的速度逐渐增加，静铁芯的电磁能逐渐转化为动铁芯运动所需的机械能，同时动、静铁芯气隙也逐渐减小导致磁阻逐渐变小，流过线圈的电流增长也逐渐减小。直到t1时刻瞬间，动铁芯上的顶杆碰到分闸掣子。在此时段内，由于断路器机构未动作，灭弧室（断口）内动静触头的状态、串联于分合闸控制回路中辅助开关接点的状态均未发生变化，因此A、B、C、E曲线状态保持不变。

t1～t2时段主要描述在分闸线圈的电磁力作用下，分闸线圈的动铁芯顶杆从接触合闸掣子瞬间开始至其行程极限（即动、静铁芯相遇撞击时刻）过程中，推动分闸掣子运动的过程，具体分析过程如下：结合图3、图4中D曲线分析，从t1时刻开始，高速运动的动铁芯通过其顶杆撞击分闸掣子的方式将能量传递给分闸掣子，其速度降低。同时，在静铁芯产生的电磁吸力作用下，动铁芯及其顶杆克服零部件间摩擦力、动铁芯复位弹簧弹力、分闸掣子复位弹簧弹力等继续推动分闸掣子沿着顺时针方向做旋转加速运动。

随着分闸掣子加速运动及动、静铁芯间隙逐渐减小，动铁芯受到的阻力逐渐减小而其速度越来越大，流过分闸线圈的电流也越来越小。直到t2时刻瞬间，动铁芯因撞击静铁芯受阻，动铁芯运动至其最大行程，动铁芯上的顶杆与分闸掣子脱离，流过分闸线圈的电流达到第一次低谷值i1。在此时段内，由于断路器机构未动作，灭弧室（断口）内动静触头的接触状态、串联于分合闸控制回路中辅助开关接点的状态均未发生变化，即A、B、C、E曲线状态保持不变。

t2～t4时段主要描述分闸掣子在惯性作用下，继续运动导致合闸保持掣子与拐臂脱离，储满能量的分闸弹簧推动拐臂向“分闸”方向运动，同时与拐臂直接连接的动触头（灭弧室）、辅助开关也相继开始运动的过程，具体分析如下：

一是结合图3、图4中D曲线分析，在t2时刻，分闸线圈的动铁芯达到其最大行程，其顶杆与分闸掣子脱离，静铁芯产生的电磁吸力保持不变、不再增大，在外部电压和线圈自感作用下，流过分闸线圈电流曲线D按指数规律由i1（t2时刻）逐渐增长至第二次峰值i3（t4时刻）。

二是结合图3及图4中A、B、C、E曲线分析，从t2时刻开始，具有能量的分闸掣子克服零部件间摩擦力、分闸掣子复位弹簧弹力等沿着顺时针方向做旋转运动。直到t3时刻瞬间，分闸掣子与合闸保持掣子失去平衡而发生脱离，拐臂与合闸保持掣子脱扣，分闸弹簧储存的能量开始释放，分闸弹簧推动拐臂克服缓冲器阻力、零部件间摩擦力、灭弧室内气体压力等开始沿着逆时针方向做旋转加速运动，拐臂通过（绝缘）拉杆带动灭弧室内动触头、机构辅助空开开始运动，断路器开始分闸，动触头行程曲线E开始动态变化（行程由H向0mm方向逐渐降低）。到t4时刻，由于灭弧室内动、静触头未能脱离，曲线A的状态保持不变。同时，由于辅助空开接点的动、静触点存在一定接触行程且接点间的接触行程长短不同，串于分闸回路常闭辅助接点被切断，曲线B的状态发生变化，而串联于合闸回路的常开辅助接点由于行程较长而未导通，曲线C的状态发生变化。

t4～t8时段主要描述拐臂在分闸弹簧推动下克服缓冲器、零部件间摩擦、灭弧室内气体压力等阻力，最终将灭弧室内动触头从静触头脱离并保持在“分闸”位置，同时拐臂带动辅助开关切换的动作过程，具体分析如下：

一是在t4～t5时段，根据图3中D曲线分析，由于串于分闸回路常闭辅助接点在t4时刻瞬间被切断，由于该常闭接点触头间的距离不够长、灭弧能力不够，无法熄灭施加在分闸线圈两端电压产生燃弧，分闸线圈继续流过电流。随着辅助空开的运动，常闭接点间距离逐渐增大，灭弧能力逐渐变强，流过的电流逐渐减少。直到t5时刻，接点间的燃弧熄灭，分闸线圈的电流降至第二次低谷值0A。

二是从t4时刻开始，分闸弹簧继续通过释放能量推动拐臂克服缓冲器、零部件间摩擦、灭弧室内气体压力等阻力继续沿着逆时针方向做旋转加速运动。拐臂运动至t6时刻瞬间，灭弧室内动、静触头脱离（称为“刚分点”），曲线A状态改变。拐臂继续运动至t7时刻瞬间，串联于合闸回路的常开辅助接点导通，曲线C状态改变。拐臂运动至t8时刻瞬间，由于缓冲器阻力、零部件间摩擦力、灭弧室内气压等阻力从t3-t8时间持续反作用，分闸弹簧储能的能量被逐渐消耗掉，拐臂最终停止运动，此时断路器处于“分闸”状态（详见图1中拐臂位置），行程曲线E高度降至0mm。

3 结语

本文以弹簧机构断路器的机械特性曲线为例，详细阐述了机械特性曲线变化过程与断路器动作过程的对应关系，为试验人员采用分析机械特性曲线手段，来判断断路器是否存在机械故障提供依据。随着动作次数逐年增加、电网短路容量逐年增大，断路器开断过程造成机械方面的损害逐年累加，最终导致机械特性曲线会发生相应的变化，断路器故障率逐渐提高。因此，断路器定期开展机械特性曲线分析的必要性越来越大。