真空斷路器機(jī)械特性及其測量技術(shù)的分析與研究

吳晗序

(國網(wǎng)遼寧省電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

真空斷路器機(jī)械特性及其測量技術(shù)的分析與研究

吳晗序

(國網(wǎng)遼寧省電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

本文以12kV彈簧操作機(jī)構(gòu)真空斷路器為研究樣本，對真空斷路器的機(jī)械特性的關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)分析了真空滅弧室的觸頭內(nèi)力系統(tǒng)，建立分析方程，并對剛分、剛合點(diǎn)主流的3種采樣方式進(jìn)行了評估和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括電流通斷法、輔助開關(guān)通斷法、振動傳感器取樣，得出了振動傳感器取樣的最優(yōu)方案。

真空高壓斷路器；機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測；觸頭開斷

1 引言

高壓真空斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，為保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，高壓真空斷路器的機(jī)械穩(wěn)定性十分重要，據(jù)統(tǒng)計(jì)20世紀(jì)末最后的十年中，高壓真空斷路器的拒分、拒合事故占比為29.15%[1]，對沈陽虎石臺高壓試驗(yàn)站的檢測記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，機(jī)械故障缺陷占總?cè)毕輸?shù)的36.3%，斷路器機(jī)械狀態(tài)的故障呈現(xiàn)多種后果，主要是抵制、鎖定故障、開關(guān)速度變小等。斷路器的故障將造成線路故障擴(kuò)大，造成母線故障或主變壓器故障，并對系統(tǒng)造成巨大的傷害，關(guān)閉速度達(dá)不到要求，會導(dǎo)致斷路器的開斷和閉合負(fù)荷電流和故障電流不能有效地熄滅電弧，引起過電壓或斷路器發(fā)生爆炸，后果是很嚴(yán)重的[2-3]。

本文意在彈簧操作機(jī)構(gòu)真空斷路器的設(shè)計(jì)理論研究的基礎(chǔ)上，從斷路器操作機(jī)構(gòu)的動作特性進(jìn)行分析，通過故障模擬實(shí)驗(yàn)，機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷路器各機(jī)械部分特性變化的信號波形產(chǎn)生相應(yīng)的變化和相應(yīng)的數(shù)據(jù)的變化，基于特征值算法提出，相關(guān)曲線和動作診斷技術(shù)，尤其是對剛分剛合點(diǎn)的判別技術(shù)，以改善綜合的監(jiān)測診斷技術(shù)。

2 數(shù)據(jù)分析和自動診斷算法

通過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)典型的時(shí)間位移曲線，速度位移曲線，輔助觸頭運(yùn)動曲線，合閘線圈電流曲線，電機(jī)電流曲線等波形中含有大量的機(jī)械狀態(tài)信息。進(jìn)行分析，以產(chǎn)生能有效地反映斷路器的觸頭運(yùn)動特性，開關(guān)控制電路，電動機(jī)儲能特性，并聯(lián)系參數(shù)值[4]，關(guān)于特征值的定義，已經(jīng)有大量文獻(xiàn)闡述說明，本文僅對開關(guān)觸頭動作特性進(jìn)行討論。合閘和分閘時(shí)間-位移曲線按同一方向畫圖說明，見圖1～2。

以合閘時(shí)間-位移曲線為例，將曲線分成4段：空程段、開距段、超程段、緩沖段。時(shí)間值和相關(guān)度反映了動觸頭在各段所受到的推動力和阻力特性[5]。根據(jù)開關(guān)的分合閘位置可算出開關(guān)的剛分速度和剛合速度。最大速度以及最大速度對應(yīng)時(shí)間也可根據(jù)時(shí)間位移曲線計(jì)算，這組特征值可有效反映機(jī)構(gòu)的動作特性。另外增加啟動速度和緩沖速度特征值以反映緩沖彈簧的性能。

圖1 合閘時(shí)間位移曲線

圖2 分閘時(shí)間位移曲線

3 觸頭系統(tǒng)負(fù)載分析

3.1 真空滅弧室觸頭系統(tǒng)負(fù)載分析

如圖3～4 所示,Fn—真空斷路器觸頭壓力；F1—靜觸頭對動觸頭產(chǎn)生的支撐力；Fe1—靜觸頭對動觸頭產(chǎn)生的反向電動力；F2—動觸頭對靜觸頭產(chǎn)生的支撐力；Fe2—動觸頭對靜觸頭產(chǎn)生的反向電動力；Fz—真空斷路器支撐結(jié)構(gòu)對靜觸頭產(chǎn)生的支撐力。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下，有Fn=Fz。 (1)對于動觸頭，總是保持F1+Fe1=Fn。動觸頭在工作過程中，負(fù)載電流從零開始增加，F(xiàn)1大小從Fn變化為零；Fe1大小從零變化為Fn。

(2)對于靜觸頭，總是保持F2+Fe2=Fz。靜觸頭在工作過程中，負(fù)載電流從零開始增加，F(xiàn)2開始減小，其大小從Fz變化為零；Fe2開始增大，其大小從零變化為Fz。根據(jù)上述分析，F(xiàn)1和F2是一對大小相等方向相反的作用力和反作用力，它們的大小決定了動靜觸頭之間的實(shí)際接觸壓力。若保持正常工作，F(xiàn)1和F2的數(shù)值量需要在零和Fn之前。

圖3 真空斷路器動觸頭受力分析

圖4 真空斷路器靜觸頭受力分析

3.2 觸頭系統(tǒng)臨界負(fù)載分析

當(dāng)真空斷路器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，在電流作用下，真空斷路器動觸頭和靜觸頭之間產(chǎn)生的反向電動力達(dá)到觸頭彈簧壓力時(shí)，動、靜觸頭間的接觸壓力為零，如圖5～6。在真空滅弧室中，觸頭系統(tǒng)在工作過程，因?yàn)橛蠪n=Fz；F1+Fe1=Fn；F2+Fe2=Fz；并且當(dāng)負(fù)載電流從零增加，F(xiàn)1大小從Fn減小為零；F2大小從Fz減小為零；Fe1與Fe2大小從零增大為Fn。所以，當(dāng)Fe=Fn；對于動觸頭，F(xiàn)1=0。對于靜觸頭，F(xiàn)2=0。也就是說真空滅弧室中觸頭系統(tǒng)在臨界負(fù)載狀態(tài)下動、靜觸頭間壓力為零。

圖5 帶負(fù)載的真空斷路器動觸頭臨界狀態(tài)受力分析

圖6 帶負(fù)載的真空斷路器靜觸頭臨界狀態(tài)受力分析

真空滅弧室中觸頭系統(tǒng)工作過程中，動觸頭與靜觸頭之間的反向電動力實(shí)際上是系統(tǒng)的內(nèi)力，并不能讓系統(tǒng)能量產(chǎn)生變化，只有當(dāng)Fe>Fn時(shí)，動觸頭會被斥開。一般情況下，考慮系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，F(xiàn)n遠(yuǎn)小于Fz的最大值。真空斷路器是根據(jù)短路開斷、關(guān)合能力來設(shè)計(jì)的，也具備動熱穩(wěn)定能力。所以真空斷路器觸頭彈簧壓力設(shè)計(jì)是根據(jù)就是在額定短路條件下產(chǎn)生的最大反向電動力。又因?yàn)橛|頭彈簧的壓力是操動機(jī)構(gòu)的主要工作負(fù)載，所以這也是操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 真空斷路器的負(fù)載特性

斷路器在關(guān)合過程中，電動力作用在超程階段。根據(jù)之前的分析，在接觸行程階段，電動力只是觸頭系統(tǒng)的內(nèi)力，不是操動機(jī)構(gòu)要克服的負(fù)載，操動機(jī)構(gòu)克服的負(fù)載只能是觸頭彈簧在壓縮過程中產(chǎn)生的反作用力。因此真空斷路器的負(fù)載參數(shù)應(yīng)該如圖7所示。

圖7 真空斷路器的負(fù)載參數(shù)曲線

5 監(jiān)測分、合閘時(shí)動觸頭的行程-時(shí)間特性

5.1 差動變壓器式位移傳感器

根據(jù)不同的力學(xué)參數(shù)，對斷路器機(jī)械故障的一般判斷。斷路器行程-時(shí)間特性監(jiān)測的困難在于行程傳感器不能安裝在可動觸頭上，因此不能直接測量的觸頭行程，因此被轉(zhuǎn)化或重新制定監(jiān)測的技術(shù)條件。目前，多采用光電式位移傳感器和差動變壓器式位移傳感器與相應(yīng)的測量電路檢測。

差動變壓器式位移傳感器，包括一個(gè)軸向式感應(yīng)變壓器和輕便磁心，可以在其軸向自由移動。斷路器，在斷路器分合閘時(shí)主軸桿運(yùn)動帶動位移傳感器的金屬桿相對軸電感變壓器運(yùn)動，通過位移傳感器可以被轉(zhuǎn)換成輸出電壓同步變化[6]。雖然直流差動變壓器式位移傳感器的動態(tài)接觸行程信號測試的測量結(jié)果是比較理想的，但是結(jié)構(gòu)很緊湊型斷路器，安裝傳感器的位置極為有限。

5.2 增量式旋轉(zhuǎn)/直線光電編碼器

增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器或直線光電編碼器也常被應(yīng)用，它的工作原理如下：在斷路器的直線運(yùn)動部件上安裝光電編碼器，或旋轉(zhuǎn)光電編碼器安裝在斷路器的操作機(jī)構(gòu)的主軸，通過傳感器，分合操作時(shí)，操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動信號波形。通過光電轉(zhuǎn)換，利用旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入軸的角位移傳感器的一個(gè)圓光柵是用來轉(zhuǎn)換軸的旋轉(zhuǎn)角度為電脈沖信號。利用動觸頭行程時(shí)間波形，可以計(jì)算出運(yùn)動時(shí)間、行程速度和動觸頭的運(yùn)動速度。

測量動觸頭行程信號時(shí)，便于采用轉(zhuǎn)角法和光柵法測量，但當(dāng)斷路器跳閘比較小，主軸旋轉(zhuǎn)角度小，使用轉(zhuǎn)角法測量響應(yīng)速度差，精度不高。此外，轉(zhuǎn)角法和光柵法需要更多的電子元件，操作很復(fù)雜，測量的結(jié)果是不理想的，并且在實(shí)際操作領(lǐng)域的高壓斷路器，斷路器的合(分)操作和低壓交流(直流)回路內(nèi)運(yùn)行的電氣設(shè)備操作，電氣設(shè)備周圍的靜電場，電磁波的輻射和傳輸線路或設(shè)備故障產(chǎn)生的暫態(tài)變化過程中會產(chǎn)生電磁干擾和巨大的振動都會嚴(yán)重干擾編碼器。

6 剛分、剛合信號的獲取方法

剛分、剛合點(diǎn)的獲取在機(jī)械特性的測試中至關(guān)重要，測試中判斷精確度要求很高。在設(shè)計(jì)測試時(shí)，共使用了3種方案來獲取剛分、剛合點(diǎn)：

(1)根據(jù)主回路的電流通斷來判斷剛分、剛合點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)證明存在一些問題。首先在三相交流電是過零回路的主回路中并不好判斷線路的通斷，剛分、剛合時(shí)的采樣被主回中產(chǎn)生的非50Hz諧波電流干擾。之后考慮將電流整流成直流判斷，但是線路的滯后性較大，導(dǎo)致機(jī)械特性參數(shù)的計(jì)算誤差很大。

(2)根據(jù)輔助開關(guān)的通斷來獲取剛分、剛合點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]描述了采用輔助開關(guān)來獲取觸頭剛分、合信號，輔助開關(guān)安裝位置的很大關(guān)系上影響了通斷誤差，即使輔助開關(guān)在合適的位置被安裝，在輔助開關(guān)的長期使用中也會增加機(jī)械系統(tǒng)誤差。

(3)根據(jù)振動傳感器來獲取剛分、剛合點(diǎn)。振動傳感器在有振動時(shí)輸出隨振動頻率和振幅大小輸出相對應(yīng)的頻率和振幅波形的交變電壓信號。監(jiān)測斷路器的機(jī)械振動信號，利用振動傳感器采集振動信號，通過時(shí)分析技術(shù)提取狀態(tài)特征參量，為斷路器的機(jī)械故障診斷提供依據(jù)。

作為被測物體的附加質(zhì)量的傳感器必然影響被測物體運(yùn)動狀態(tài)，因此要求傳感器的質(zhì)量遠(yuǎn)小于被測物體傳感器安裝點(diǎn)的動態(tài)質(zhì)量。傳感器的靈敏度越高，抗干擾能力越強(qiáng)，信噪比越大。就特定結(jié)構(gòu)的傳感器來講，靈敏度越高，傳感器的重量越大，量程和諧振頻率也越低。盡量選擇高靈敏度的傳感器，這樣可降低信號調(diào)理器的增益，提高系統(tǒng)的信噪比。在12kV真空斷路器上安裝振動傳感器，在實(shí)驗(yàn)中和做了800次的合閘動作并與傳統(tǒng)的離線測量剛合點(diǎn)信號的方法進(jìn)行對比，確認(rèn)到傳感器最大振幅信號與傳統(tǒng)離線測量剛合點(diǎn)信號最大誤差在時(shí)間軸上相差61μs，測量波形如圖8所示。

因?yàn)閯偡贮c(diǎn)信號物理震動難以測得，對于其的獲取方法，本文采用自適應(yīng)算法。利用斷路器的分閘和合閘長度位移軸上的相同特征，算法只需通過收集的分閘時(shí)的長度位移值和時(shí)間值，根據(jù)剛合點(diǎn)在長度位移軸上的位置，即可得出分閘動作位移時(shí)間上剛分點(diǎn)的位置，從而確定對應(yīng)剛分點(diǎn)的位置的時(shí)間。

圖8 剛合點(diǎn)震動傳感器輸出波形

7 結(jié)語

本文對真空斷路器的機(jī)械特性的一些關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了討論，重點(diǎn)分析了真空滅弧室的觸頭內(nèi)力系統(tǒng)，建立分析方程，解釋了接觸行程階段真空滅弧室動、靜觸頭之間的電動力不是操動機(jī)構(gòu)要克服的負(fù)載，而是觸頭系統(tǒng)的內(nèi)力，操動機(jī)構(gòu)克服的最大負(fù)載只能是觸頭彈簧在壓縮過程中產(chǎn)生的反作用力。以12kV真空斷路器為實(shí)驗(yàn)對象對剛分、剛合點(diǎn)主流的3種采樣方式進(jìn)行了評估和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括電流通斷法、輔助開關(guān)通斷法、振動傳感器取樣，給出了振動傳感器測量剛分點(diǎn)的指導(dǎo)性方案。

[1] 劉全志，師明義，秦紅三，等.高壓斷路器在線狀態(tài)檢測與診斷技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2001，27(5)：29-31.

[2] 郭碧紅，楊曉洪，甄為紅，等.國內(nèi)電力設(shè)備運(yùn)行在線監(jiān)測裝置的開發(fā)、應(yīng)用、主要性能情況調(diào)查[M].北京：中國電力科學(xué)研究院，1998.

[3] 林 莘.現(xiàn)代高電壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 常 廣，王 毅.高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測裝置的研 究[J].高壓電器，2003，39(2)：44-47.

[5] 郭賢珊，李仲夫.試驗(yàn)電源在斷路器機(jī)械特性試驗(yàn)中的影響[J].華中電力，1999(2)：15-17.

[5] VOUMARD P R.A simple approach to condition monitoring of circuit breakers[C]//CIGRE Session 1994：13203.

[6] 王昌鈞.SF6 高壓斷路器機(jī)械參量在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù),1999,23(7):34-37.

[7] 楊壯壯，徐建源，李 斌，等.高壓真空斷路器機(jī)械狀態(tài) 監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].高壓電器，2013，49(8)：26-34.

Analysis and Research on Measuring Technology of Mechanical Characteristics for Vacuum Circuit Breaker

WUHan-xu

(Liaoning Electric Power Research Institute，Shenyang 110003，China)

It takes 12kV spring operating mechanism of vacuum circuit breaker as the research sample,and the key points of monitoring the mechanical characteristics of vacuum circuit breaker were studied,focusing on analysis of the vacuum arc extinguishing chamber of the contact force system,build up analytical equations,and the jus,just close the main point of three sampling methods were evaluated and verified experimentally,including current through breaking,auxiliary switch through breaking,vibration sensors and sampling,the vibration sensors and sampling of the optimal scheme is obtained.

vacuum high voltage breaker;Mechanical condition monitoring;Contact opening

1004-289X(2016)05-0068-03

TM561

B

2016-06-18

吳晗序(1985-)，男(漢族)，遼寧沈陽人，碩士，主要研究方向：真空斷路器，在線監(jiān)測技術(shù)。