斷路器機(jī)械特性曲線分析

南方電網(wǎng)超高輸電公司百色局 熊 亮 韋 宇 農(nóng)文輝

斷路器是電力系統(tǒng)中的一種不可或缺的重要控制設(shè)備，通過承載及切合負(fù)載電流和短路電流來改變電網(wǎng)運(yùn)行方式和切斷系統(tǒng)故障，發(fā)揮控制和保護(hù)的雙重作用，其開斷性能直接影響到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。斷路器的分合閘速度、分合閘時(shí)間、分合閘同期度、分合閘線圈的動(dòng)作電壓值等機(jī)械特性參數(shù)，直接體現(xiàn)斷路器的開斷性能[1-2]。由于斷路器在開斷過程中要經(jīng)受電、熱、機(jī)械力的作用及大氣環(huán)境的影響，為了驗(yàn)證其可靠的開斷性能，測(cè)量及分析斷路器機(jī)械特性成為檢測(cè)斷路器開斷性能是否完好的一種重要手段，在《南方電網(wǎng)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中明確了斷路器機(jī)械特性的具體檢測(cè)周期及標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，在南方電網(wǎng)年度運(yùn)行方式及反措中已經(jīng)明文規(guī)定，斷路器應(yīng)逐臺(tái)開展機(jī)械動(dòng)作特性分析，基于機(jī)械特性曲線重點(diǎn)開展分合閘線圈電流波形、行程曲線、斷口變位信號(hào)等主要特征量歷史曲線的對(duì)比、同廠同型斷路器個(gè)體及斷路器相別間的對(duì)比，確保分析準(zhǔn)確、有效[3-5]。由此可見，斷路器的機(jī)械特測(cè)曲線分析的重要性。

本文以目前主流的彈簧機(jī)構(gòu)斷路器為例，介紹了斷路器機(jī)械特性曲線中各曲線動(dòng)態(tài)變化與分合閘過程中各零部件動(dòng)態(tài)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為試驗(yàn)人員采用分析機(jī)械特性曲線手段來判斷斷路器是否存在機(jī)械故障提供依據(jù)。

1 斷路器合閘過程與機(jī)械特性曲線的關(guān)系

斷路器合閘前提條件為斷路器處于分閘位置且合閘彈簧儲(chǔ)能，下文結(jié)合圖2中各條曲線變化過程來說明圖1中斷路器合閘過程中的各個(gè)階段，具體如下：

0～t1時(shí)段主要描述合閘線圈通電后產(chǎn)生的電磁力推動(dòng)鐵芯的頂桿運(yùn)動(dòng)至接觸合閘掣子瞬間的過程，具體分析如下：結(jié)合圖1、圖2中D曲線分析，當(dāng)斷路器收到合閘命令時(shí)，合閘線圈兩端加電壓，動(dòng)鐵芯未能運(yùn)動(dòng)，由于線圈自感的作用，流過合閘線圈的電流按指數(shù)規(guī)律由0A逐漸向第一次峰值i2增長(zhǎng)，靜鐵芯產(chǎn)生的電磁力也逐漸增大。

圖1 斷路器分閘狀態(tài)示意圖

圖2 斷路器合閘機(jī)械特性曲線

當(dāng)合閘線圈電流增加到一定值后，通過其靜鐵芯產(chǎn)生的電磁力推可動(dòng)鐵芯及其頂桿克服零部件間摩擦力、動(dòng)鐵芯復(fù)位彈簧彈力等開始向靜鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，隨著動(dòng)鐵芯的速度逐漸增加，靜鐵芯的電磁能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械能，同時(shí)動(dòng)、靜鐵芯氣隙也逐漸減小導(dǎo)致磁阻逐漸變小，流過線圈的電流增長(zhǎng)也逐漸減小。直到t1時(shí)刻瞬間，動(dòng)鐵芯上的頂桿碰到合閘掣子。在此時(shí)段內(nèi)，由于斷路器機(jī)構(gòu)未動(dòng)作，滅弧室（斷口）內(nèi)動(dòng)靜觸頭的狀態(tài)、串聯(lián)于分合閘控制回路中輔助開關(guān)接點(diǎn)的狀態(tài)均未發(fā)生變化，因此A、B、C、E曲線狀態(tài)保持不變。

t1～t2時(shí)段主要描述在合閘線圈的電磁力作用下，合閘線圈的動(dòng)鐵芯頂桿從接觸合閘掣子瞬間開始至其行程極限（即動(dòng)、靜鐵芯相遇撞擊時(shí)刻）過程中，推動(dòng)合閘掣子運(yùn)動(dòng)的過程，具體分析過程如下：結(jié)合圖1、圖2中D曲線分析，從t1時(shí)刻開始，高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)鐵芯通過其頂桿撞擊合閘掣子的方式將能量傳遞給合閘掣子，其速度降低。同時(shí)，在靜鐵芯產(chǎn)生的電磁吸力作用下，動(dòng)鐵芯及其頂桿繼續(xù)克服零部件間摩擦力、動(dòng)鐵芯復(fù)位彈簧彈力、合閘掣子復(fù)位彈簧彈力等，繼續(xù)推動(dòng)合閘掣子沿著順時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)。

隨著合閘掣子加速運(yùn)動(dòng)及動(dòng)、靜鐵芯間隙逐漸減小，動(dòng)鐵芯受到的阻力逐漸減小而其速度越來越大，流過合閘線圈的電流也越來越小。直到t2時(shí)刻瞬間，動(dòng)鐵芯因撞擊靜鐵芯受阻，動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)至其最大行程，動(dòng)鐵芯上的頂桿與合閘掣子脫離，流過合閘線圈的電流達(dá)到第一次低谷值i1。在此時(shí)段內(nèi)，由于斷路器機(jī)構(gòu)未動(dòng)作，滅弧室（斷口）內(nèi)動(dòng)靜觸頭的接觸狀態(tài)、串聯(lián)于分合閘控制回路中輔助開關(guān)接點(diǎn)的狀態(tài)均未發(fā)生變化，即A、B、C、E曲線狀態(tài)保持不變。

t2～t4時(shí)段主要描述合閘掣子在慣性作用下，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致儲(chǔ)能保持掣子與棘輪脫離，儲(chǔ)滿能量的合閘彈簧推動(dòng)與棘輪同軸的凸輪撞擊拐臂，引起拐臂向“合閘”方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與拐臂直接連接的動(dòng)觸頭（滅弧室）、輔助開關(guān)也相繼開始運(yùn)動(dòng)的過程，具體分析如下：

一是結(jié)合圖1、圖2中D曲線分析，在t2時(shí)刻，合閘線圈的動(dòng)鐵芯達(dá)到其最大行程，其頂桿與合閘掣子脫離，靜鐵芯產(chǎn)生的電磁吸力保持不變、不再增大，在外部電壓和線圈自感作用下，流過合閘線圈電流曲線D按指數(shù)規(guī)律從i1（t2時(shí)刻）逐漸增長(zhǎng)至第二次峰值i3（t4時(shí)刻）。

二是結(jié)合圖1及圖2中A、B、C、E曲線分析，從t2時(shí)刻開始，具有能量的合閘掣子克服零部件間摩擦力、合閘掣子復(fù)位彈簧彈力等沿著順時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其與儲(chǔ)能保持掣子失去平衡而發(fā)生脫離，合閘彈簧的能量開始釋放。在合閘彈簧推動(dòng)下，儲(chǔ)能保持掣子被棘輪上的滾輪推動(dòng)至兩者脫離，然后合閘彈簧繼續(xù)通過釋放能量的方式推動(dòng)棘輪及與棘輪同軸的凸輪沿著逆時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)。直到t3時(shí)刻瞬間，在高速旋轉(zhuǎn)的凸輪撞擊下，拐臂獲取巨大的能量，該能量克服緩沖器阻力、分閘彈簧阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內(nèi)氣體壓力等開始沿著順時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)，拐臂通過（絕緣）拉桿帶動(dòng)滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭、機(jī)構(gòu)輔助空開開始運(yùn)動(dòng)，即斷路器開始合閘，動(dòng)觸頭行程曲線E開始動(dòng)態(tài)變化。

根據(jù)t3至t4時(shí)段內(nèi)動(dòng)觸頭行程曲線E的變化趨勢(shì)（行程由0mm向H方向逐漸增加），滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭開始向靜觸頭方向運(yùn)動(dòng)。直到t4時(shí)刻，滅弧室內(nèi)動(dòng)、靜觸頭都未能接觸，曲線A的狀態(tài)保持不變。同時(shí)，由于輔助空開接點(diǎn)的動(dòng)、靜觸點(diǎn)存在一定接觸行程且接點(diǎn)間的接觸行程長(zhǎng)短不同，串于合閘回路常閉輔助接點(diǎn)觸頭被切斷，曲線C的狀態(tài)發(fā)生變化，而串聯(lián)于分閘回路的常開輔助接點(diǎn)由于接觸行程較長(zhǎng)而未導(dǎo)通，故曲線B的狀態(tài)發(fā)生變化。

t4～t8時(shí)段主要描述具有動(dòng)能的拐臂克服緩沖器、分閘彈簧、零部件間摩擦、滅弧室內(nèi)氣體壓力等阻力，最終將滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭插入靜觸頭并保持在“合閘”位置，同時(shí)拐臂帶動(dòng)輔助開關(guān)切換的動(dòng)作過程，具體分析如下：

一是在t4至t5時(shí)段，根據(jù)圖3中D曲線分析，由于串于合閘回路常閉輔助接點(diǎn)在t4時(shí)刻瞬間被切斷，由于該常閉接點(diǎn)觸頭間的距離不夠長(zhǎng)、滅弧能力不夠，無法熄滅施加在合閘線圈兩端電壓產(chǎn)生燃弧，合閘線圈繼續(xù)流過電流。隨著輔助空開的運(yùn)動(dòng)，常閉接點(diǎn)間距離逐漸增大，滅弧能力逐漸變強(qiáng)，流過的電流逐漸減少。直到t5時(shí)刻，接點(diǎn)間的燃弧熄滅，合閘線圈的電流降至第二次低谷值0A。

二是從t4時(shí)刻開始，拐臂利用自身獲取的能量克服緩沖器、分閘彈簧、零部件間摩擦等阻力繼續(xù)沿著順時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭、機(jī)構(gòu)輔助空開繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)拐臂運(yùn)動(dòng)至t6時(shí)刻瞬間，串聯(lián)于分閘線圈的常開接點(diǎn)閉合，曲線B狀態(tài)改變，為斷路器合于故障時(shí)快速分閘做準(zhǔn)備。拐臂運(yùn)動(dòng)至t7時(shí)刻瞬間，滅弧室內(nèi)動(dòng)、靜觸頭接觸導(dǎo)通（稱為“剛合點(diǎn)”），曲線A狀態(tài)改變。拐臂繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至t8時(shí)刻瞬間，由于緩沖器阻力、分閘彈簧阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內(nèi)氣壓等從t3～t8時(shí)間持續(xù)反作用，拐臂的能量除一部分轉(zhuǎn)化為分閘彈簧儲(chǔ)存的能量，其余能量用于克服其他阻力而消耗掉。失去能量的拐臂最終在合閘保持掣子、分閘掣子的相互作用下被鎖住，此時(shí)斷路器處于并保持在“合閘”狀態(tài)（詳見圖3中拐臂位置），行程曲線E高度增至Hmm。

圖3 斷路器合閘狀態(tài)示意圖

2 斷路器分閘過程與機(jī)械特性曲線的關(guān)系

斷路器分閘前提條件為斷路器處于合閘位置且分閘彈簧儲(chǔ)能，下文結(jié)合圖4中各條曲線變化過程來說明圖2中斷路器分閘過程中的各個(gè)階段，具體如下：

圖4 斷路器分閘機(jī)械特性曲線

0～t1時(shí)段主要描述分閘線圈通電后產(chǎn)生的電磁力推動(dòng)鐵芯的頂桿運(yùn)動(dòng)至接觸分閘掣子瞬間的過程，具體分析如下：結(jié)合圖3、圖4中D曲線分析，當(dāng)斷路器收到分閘命令時(shí)，分閘線圈兩端加電壓，由于線圈自感的作用，流過分閘線圈的電流按指數(shù)規(guī)律由0A逐漸增長(zhǎng)至第一次峰值i2，靜鐵芯產(chǎn)生的電磁力也逐漸增大。

當(dāng)分閘線圈電流增加到一定值后，通過其靜鐵芯產(chǎn)生的電磁力推可動(dòng)鐵芯及其頂桿克服零部件間摩擦力、動(dòng)鐵芯復(fù)位彈簧彈力等開始向靜鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，隨著動(dòng)鐵芯的速度逐漸增加，靜鐵芯的電磁能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械能，同時(shí)動(dòng)、靜鐵芯氣隙也逐漸減小導(dǎo)致磁阻逐漸變小，流過線圈的電流增長(zhǎng)也逐漸減小。直到t1時(shí)刻瞬間，動(dòng)鐵芯上的頂桿碰到分閘掣子。在此時(shí)段內(nèi)，由于斷路器機(jī)構(gòu)未動(dòng)作，滅弧室（斷口）內(nèi)動(dòng)靜觸頭的狀態(tài)、串聯(lián)于分合閘控制回路中輔助開關(guān)接點(diǎn)的狀態(tài)均未發(fā)生變化，因此A、B、C、E曲線狀態(tài)保持不變。

t1～t2時(shí)段主要描述在分閘線圈的電磁力作用下，分閘線圈的動(dòng)鐵芯頂桿從接觸合閘掣子瞬間開始至其行程極限（即動(dòng)、靜鐵芯相遇撞擊時(shí)刻）過程中，推動(dòng)分閘掣子運(yùn)動(dòng)的過程，具體分析過程如下：結(jié)合圖3、圖4中D曲線分析，從t1時(shí)刻開始，高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)鐵芯通過其頂桿撞擊分閘掣子的方式將能量傳遞給分閘掣子，其速度降低。同時(shí)，在靜鐵芯產(chǎn)生的電磁吸力作用下，動(dòng)鐵芯及其頂桿克服零部件間摩擦力、動(dòng)鐵芯復(fù)位彈簧彈力、分閘掣子復(fù)位彈簧彈力等繼續(xù)推動(dòng)分閘掣子沿著順時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)。

隨著分閘掣子加速運(yùn)動(dòng)及動(dòng)、靜鐵芯間隙逐漸減小，動(dòng)鐵芯受到的阻力逐漸減小而其速度越來越大，流過分閘線圈的電流也越來越小。直到t2時(shí)刻瞬間，動(dòng)鐵芯因撞擊靜鐵芯受阻，動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)至其最大行程，動(dòng)鐵芯上的頂桿與分閘掣子脫離，流過分閘線圈的電流達(dá)到第一次低谷值i1。在此時(shí)段內(nèi)，由于斷路器機(jī)構(gòu)未動(dòng)作，滅弧室（斷口）內(nèi)動(dòng)靜觸頭的接觸狀態(tài)、串聯(lián)于分合閘控制回路中輔助開關(guān)接點(diǎn)的狀態(tài)均未發(fā)生變化，即A、B、C、E曲線狀態(tài)保持不變。

t2～t4時(shí)段主要描述分閘掣子在慣性作用下，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致合閘保持掣子與拐臂脫離，儲(chǔ)滿能量的分閘彈簧推動(dòng)拐臂向“分閘”方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與拐臂直接連接的動(dòng)觸頭（滅弧室）、輔助開關(guān)也相繼開始運(yùn)動(dòng)的過程，具體分析如下：

一是結(jié)合圖3、圖4中D曲線分析，在t2時(shí)刻，分閘線圈的動(dòng)鐵芯達(dá)到其最大行程，其頂桿與分閘掣子脫離，靜鐵芯產(chǎn)生的電磁吸力保持不變、不再增大，在外部電壓和線圈自感作用下，流過分閘線圈電流曲線D按指數(shù)規(guī)律由i1（t2時(shí)刻）逐漸增長(zhǎng)至第二次峰值i3（t4時(shí)刻）。

二是結(jié)合圖3及圖4中A、B、C、E曲線分析，從t2時(shí)刻開始，具有能量的分閘掣子克服零部件間摩擦力、分閘掣子復(fù)位彈簧彈力等沿著順時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直到t3時(shí)刻瞬間，分閘掣子與合閘保持掣子失去平衡而發(fā)生脫離，拐臂與合閘保持掣子脫扣，分閘彈簧儲(chǔ)存的能量開始釋放，分閘彈簧推動(dòng)拐臂克服緩沖器阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內(nèi)氣體壓力等開始沿著逆時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)，拐臂通過（絕緣）拉桿帶動(dòng)滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭、機(jī)構(gòu)輔助空開開始運(yùn)動(dòng)，斷路器開始分閘，動(dòng)觸頭行程曲線E開始動(dòng)態(tài)變化（行程由H向0mm方向逐漸降低）。到t4時(shí)刻，由于滅弧室內(nèi)動(dòng)、靜觸頭未能脫離，曲線A的狀態(tài)保持不變。同時(shí)，由于輔助空開接點(diǎn)的動(dòng)、靜觸點(diǎn)存在一定接觸行程且接點(diǎn)間的接觸行程長(zhǎng)短不同，串于分閘回路常閉輔助接點(diǎn)被切斷，曲線B的狀態(tài)發(fā)生變化，而串聯(lián)于合閘回路的常開輔助接點(diǎn)由于行程較長(zhǎng)而未導(dǎo)通，曲線C的狀態(tài)發(fā)生變化。

t4～t8時(shí)段主要描述拐臂在分閘彈簧推動(dòng)下克服緩沖器、零部件間摩擦、滅弧室內(nèi)氣體壓力等阻力，最終將滅弧室內(nèi)動(dòng)觸頭從靜觸頭脫離并保持在“分閘”位置，同時(shí)拐臂帶動(dòng)輔助開關(guān)切換的動(dòng)作過程，具體分析如下：

一是在t4～t5時(shí)段，根據(jù)圖3中D曲線分析，由于串于分閘回路常閉輔助接點(diǎn)在t4時(shí)刻瞬間被切斷，由于該常閉接點(diǎn)觸頭間的距離不夠長(zhǎng)、滅弧能力不夠，無法熄滅施加在分閘線圈兩端電壓產(chǎn)生燃弧，分閘線圈繼續(xù)流過電流。隨著輔助空開的運(yùn)動(dòng)，常閉接點(diǎn)間距離逐漸增大，滅弧能力逐漸變強(qiáng)，流過的電流逐漸減少。直到t5時(shí)刻，接點(diǎn)間的燃弧熄滅，分閘線圈的電流降至第二次低谷值0A。

二是從t4時(shí)刻開始，分閘彈簧繼續(xù)通過釋放能量推動(dòng)拐臂克服緩沖器、零部件間摩擦、滅弧室內(nèi)氣體壓力等阻力繼續(xù)沿著逆時(shí)針方向做旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)。拐臂運(yùn)動(dòng)至t6時(shí)刻瞬間，滅弧室內(nèi)動(dòng)、靜觸頭脫離（稱為“剛分點(diǎn)”），曲線A狀態(tài)改變。拐臂繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至t7時(shí)刻瞬間，串聯(lián)于合閘回路的常開輔助接點(diǎn)導(dǎo)通，曲線C狀態(tài)改變。拐臂運(yùn)動(dòng)至t8時(shí)刻瞬間，由于緩沖器阻力、零部件間摩擦力、滅弧室內(nèi)氣壓等阻力從t3-t8時(shí)間持續(xù)反作用，分閘彈簧儲(chǔ)能的能量被逐漸消耗掉，拐臂最終停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)斷路器處于“分閘”狀態(tài)（詳見圖1中拐臂位置），行程曲線E高度降至0mm。

3 結(jié)語

本文以彈簧機(jī)構(gòu)斷路器的機(jī)械特性曲線為例，詳細(xì)闡述了機(jī)械特性曲線變化過程與斷路器動(dòng)作過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為試驗(yàn)人員采用分析機(jī)械特性曲線手段，來判斷斷路器是否存在機(jī)械故障提供依據(jù)。隨著動(dòng)作次數(shù)逐年增加、電網(wǎng)短路容量逐年增大，斷路器開斷過程造成機(jī)械方面的損害逐年累加，最終導(dǎo)致機(jī)械特性曲線會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，斷路器故障率逐漸提高。因此，斷路器定期開展機(jī)械特性曲線分析的必要性越來越大。