基于綜合試驗分析的高壓斷路器分合閘線圈可靠性研究

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 唐 山 李 昭

高壓斷路器作為電力網(wǎng)絡(luò)中非常重要的一次控制及保護(hù)設(shè)備，在運行中負(fù)責(zé)接通和斷開電力回路，在電網(wǎng)發(fā)生故障時及時隔離和切除電網(wǎng)故障的重要控制設(shè)備，如果高壓斷路器由于自身設(shè)備問題不能在電網(wǎng)發(fā)生故障時快速、準(zhǔn)確、可靠地斷開與故障點的連接，電力事故可能會進(jìn)一步擴(kuò)大，造成電網(wǎng)大面積停電甚至電網(wǎng)事故[1]。如今的電力網(wǎng)絡(luò)，可靠性已成為高壓斷路器影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素之一。相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在斷路器故障中有43%～45%是由機(jī)械故障引起的[2]，且分合閘線圈作為斷路器動作指令執(zhí)行第一單元，其能否可靠動作決定了斷路器后續(xù)整個過程的成功率。

目前，高壓斷路器分合閘線圈檢測存在檢測手段單一、隱患排查困難等問題。本文提出了通過直流電阻測試、電流狀態(tài)監(jiān)測、通流能力檢測、頻率響應(yīng)測試和匝間絕緣測試多維度評估分合閘線圈可靠性的研究方法，并在某一起分合閘故障分析中進(jìn)行應(yīng)用。

1 分合閘線圈綜合試驗研究方法

本研究方法為一種流程化試驗檢測方案，涉及5個維度、2種檢測方法（無損、有損），試驗順序如圖1所示。

圖1 分合閘線圈綜合試驗流程圖

本文針對某分閘線圈開展綜合性檢測后，通過線圈解體驗證了本檢測方案的可行性、準(zhǔn)確性。

1.1 直流電阻測試

直流電阻試驗可以檢查線圈引線的焊接或連接質(zhì)量、繞組有無匝間短路或開路等缺陷[3]。

本文對比故障線圈、正常線圈，分別開展直流電阻測試，對試驗中發(fā)現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，詳見表1。

表1 直流電阻測試情況

通過對比兩只線圈的直阻測試結(jié)果可見，故障線圈的直阻達(dá)到645kΩ，遠(yuǎn)高于規(guī)定值，初步判斷故障線圈內(nèi)部可能存在斷線。

1.2 頻率響應(yīng)測試

高壓斷路器的線圈繞組在頻率為50Hz 的電壓作用下，可視為一個由線性電阻、電容、電感等元器件構(gòu)成的無源雙口網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電阻、電容、電感等元件各項參數(shù)與該網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)H（jω）的函數(shù)值密切相關(guān)。假如線圈繞組發(fā)生過短路、變形或斷路等故障，那么線圈繞組的傳遞函數(shù)也會在測試中相應(yīng)地發(fā)生一定的變化，也就是網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性隨即發(fā)生相應(yīng)的變化[4]。常見的測試方法，可通過在線圈繞組的一側(cè)施加預(yù)先設(shè)定頻率信號，通過測試設(shè)備，在繞組另一端接收相應(yīng)的測量響應(yīng)信號，通過對比計算兩端信號變化的幅值比，得到線圈的頻率響應(yīng)曲線，通過對比輸入不同頻率的響應(yīng)曲線判斷繞組狀態(tài)[5]，分別對故障線圈、正常線圈開展頻率響應(yīng)測試，測試結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 正常線圈的頻率響應(yīng)測試曲線圖

圖3 故障線圈的頻率響應(yīng)測試曲線圖

圖4 頻率響應(yīng)測試曲線對比圖

通過以上3張圖可知，故障線圈頻率響應(yīng)數(shù)值為負(fù)數(shù)，說明線圈對外呈現(xiàn)容性，即線圈內(nèi)部存在斷線。

1.3 電流狀態(tài)監(jiān)測

分合閘線圈作為斷路器分合閘控制模塊中最重要的元器件，當(dāng)控制回路中動作電流來到線圈時，線圈隨即在內(nèi)部產(chǎn)生大量的磁通，電磁力會驅(qū)動線圈內(nèi)部的鐵芯進(jìn)行運動，使斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合閘。在線圈帶電動作過程中，其產(chǎn)生的電流波形中包含了大量的線圈狀態(tài)信息，例如線圈鐵芯是否存在卡澀遲滯，線圈是否匝間短路、斷路，斷路器脫扣機(jī)構(gòu)是否存在阻滯等。

從線圈接通電流，到建立磁場吸引鐵芯運動的整個期間，流經(jīng)線圈的電流會呈現(xiàn)明顯的規(guī)律，試驗時通過鉗形霍爾傳感器監(jiān)測記錄線圈動作電流的各項狀態(tài)，可得到許多狀態(tài)信息，以判斷線圈本身及鐵芯運動是否存在異常等，例如線圈內(nèi)部是否存在匝間短路，如果短路，其電阻值會減小，電阻值減小后測得的電流值比正常動作時偏大，此時應(yīng)立即更換線圈，防止線圈燒毀，甚至造成斷路器拒動。試驗電流遠(yuǎn)低于正常線圈電流，判斷線圈內(nèi)部存在斷線。

1.4 通流能力檢測

線圈得電動作時，本身要消耗一部分能量，包括銅損耗、鐵芯損耗、附加損耗等，該損耗轉(zhuǎn)換為熱能，使線圈溫度升高。正常線圈在長期通過小電流或短時通過額定電流時，單位時間內(nèi)產(chǎn)生熱量與散發(fā)熱量相等時，線圈溫度將升高趨近于穩(wěn)定值。反之，若存在匝間短路或絕緣性能下降問題，可能引起線圈過熱，溫升異常。

根據(jù)南方電網(wǎng)公司發(fā)布的《110kV-500kV 組合電器（GIS 和HGIS）技術(shù)規(guī)范（通用部分）》第5.2.4.7部分要求：線圈的通流能力應(yīng)滿足在額定電源電壓下或額定電流下通電10次，每次1s，兩次通電時間間隔取10s，線圈不燒毀，且溫升不超過40K。線圈骨架應(yīng)采用耐熱等級不低于E 級的絕緣材料。線圈應(yīng)在長期通過電流50mA 不發(fā)生燒壞，且溫升不超過40K。

線圈標(biāo)準(zhǔn)阻值溫度折算系數(shù)：

Tx表示環(huán)境溫度，R20表示20℃時線圈標(biāo)準(zhǔn)阻值。

經(jīng)測試，目標(biāo)線圈溫升不變，進(jìn)一步驗證線圈內(nèi)部存在斷線，無法正常通流。

1.5 匝間絕緣試驗

線圈匝間絕緣試驗可以考驗線圈的匝間絕緣性能，試驗中分別給故障、正常線圈施加3kV 脈沖電壓，使線圈在振蕩回路中產(chǎn)生自激振蕩，通過判斷沖擊電壓在故障、正常線圈引起的衰減振蕩波形是否存在區(qū)別，來檢驗線圈匝間絕緣是否保持正常。本文將自激振蕩的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較來判斷線圈的匝間絕緣，試驗結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 正常線圈匝間絕緣試驗情況

圖6 故障線圈匝間絕緣試驗情況

從匝間絕緣試驗結(jié)果看，故障線圈的匝間絕緣試驗脈沖波形前期出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，可能存在匝間絕緣破損或斷線。

2 線圈解體檢查推論驗證

對故障合閘線圈進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)線圈銅絲存在斷線，如圖7所示，驗證以上試驗中線圈繞組斷線判斷均正確。

圖7 故障線圈解體檢查情況

3 結(jié)語

本文提出了結(jié)合直流電阻測試、電流狀態(tài)監(jiān)測、通流能力檢測、頻率響應(yīng)測試、匝間絕緣測試的綜合分析研究方法，實際對比分析故障線圈與正常線圈試驗數(shù)據(jù)及波形，初步判斷線圈內(nèi)部銅線存在斷線，并通過線圈解體得以驗證。該研究方法提供了多種線圈可靠性的檢測手段，從多維度提供試驗參考，實際工作中靈活組合運用檢測手段，可及時發(fā)現(xiàn)處理線圈隱患、缺陷，有效預(yù)防斷路器拒動事故，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。