断路器故障分析

彭曼 盛健 张英豪 银星茜

摘 要：断路器作为高压开关设备的核心部件，起着极其重要的作用，但现有断路器种类较多，开断原理有较大区别，因此本文对2种常用的机械断路器进行原理分析，并对断路器易出现的故障进行分析，并给出了基于分合闸线圈的断路器监测方案。

关键词：断路器；高压开关设备；故障分析；分合闸线圈

中图分类号：TM561.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0066-02

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。如果断路器出现故障，例如拒分、拒合、开断失败时可能会产生巨大危害，严重时会导致断路器烧毁爆炸，严重威胁用电的安全性和可靠性，因此对不同类型的断路器进行故障分析有着积极重要的意义。

1 断路器分析类型

本文主要针对交流的真空断路器和SF6断路器进行分析。

1.1 真空断路器

绝缘原理：利用高真空下（平均真空度≤1.33×10-3Pa），电子在电场下能获得足够的能量，可保证在碰撞分子时碰撞出电子，但由于高真空下分子较少，碰撞的平均有效行程大于真空泡长度，因此有较强的绝缘性能。

灭弧原理：通过特殊设计的导电回路产生磁场，让电弧在磁场中快速旋转，避免集中在一点烧蚀，提高冷却效果，在电流过零点即开距能耐受恢复电压时表示开断成功。

1.2 SF6断路器

绝缘原理：利用高密度下，电子无法获得足够动能碰撞分子产生新的电子，平均碰撞行程较短，同时SF6具有较强的负电性，容易俘获电子，所以有较强的绝缘性能。

灭弧原理：利用内部开断过程中的压气结构，在开断过程中产生高压气体冷却电弧，同时SF6负电性及高温下的较好的冷却特性，以及在电流过零点后绝缘恢复强度高的特性，达到较好的灭弧特性。

2 断路器主要故障

断路器主要故障有：绝缘故障、拒动、误动、关合开断故障、载流故障、外力和其他故障六大类。

2.1 绝缘故障

断路器内部出现断口间、导电回路对地放电现象，通过采集主回路电压信号即可判断，表征为电压的跌落。

在故障预判分析上，采用检测局放值进行预判。

2.2 拒动

在给断路器线圈信号时，出现了断路器无法分、合闸现象，通过监测分、合闸线圈信号及采集的电流信号进行判断，表征为电流信号未发生变化。

在故障预判上，比对分合闸线圈电流信号与出厂值采集数据，如果偏差超出5%时应检查线圈是否有卡滞等现象；监测机构的压力信号和打压信号，频繁打压会导致压力闭锁进而出现拒动现象。

2.3 误动

在未给分合闸线圈信号时，出现了断路器分、合闸现象，通过监测分、合闸线圈信号及采集的电流信号进行判断，表征为电流信号发生变化。

在故障预判上，监测分、合闸线圈平时过程中是否出现明显的电流信号。

2.4 关合开断故障

断路器在分合闸过程中出现的无法开断或合不上闸的现象，这可以通过监测平时操作过程中分合闸时间是否在产品出厂给出的范围值内。

2.5 载流故障

主要表现为触头过热导致的熔毁事故，仅能通过温度监测，因为压降过小，很难通过电压信号进行判断。只能通过红外检测罐体温度进行判断。

2.6 外力和其他故障

主要表征为机构的泄漏故障及相应机构的损坏，可通过监测分合闸时间的偏差进行判断。

3 主回路电压电流信号的故障监测分析

对于整个断路器而言分为三种主要故障，其中灭弧室和导电回路占11%，辅助和控制回路占19%，机械问题占70%。

由于无机械传感器装置，在通过线圈及主回路信号进行监测的条件下，分别对这两部分进行分析。

3.1 分合闸线圈信号分析

对以上各种断路器原理分析，断路器分合操作基本通过分合闸线圈实现控制（除400V断路器），所对分合闸线圈信号监测有着重要的意义，辅助回路和控制回路大部分状况可通过线圈电流进行监测。图1（a）是一个典型的分闸机械特性图。

根据图1（b）分闸线圈电流波形图可知，整个分闸过程中，线圈铁心的运动分为5个阶段，以下分别对这5个阶段进行分析。

3.1.1 阶段t0-t1

阶段t0-t1，线圈在t0时刻带电，在t1时刻铁芯开始运动，t0-t1阶段铁心静止不动，主要该时刻线圈对铁芯的吸力小于铁芯的啟动力，所以电流一直在增长。通过该阶段电流监测可得出以下结论：

t0-t1与控制电源及线圈电阻有关，如果控制电源无问题，则线圈存在受潮、温度过高等影响；

给出分闸信号到t0时刻的时间为分闸时延，如果该时间显著增加，则控制回路存在虚接等问题；

如果一直未有明显的电流信号，则控制回路短路或开路。

可通过标定t0到刚分点时间差，作为后续刚分点位置的计算。

3.1.2 阶段t1-t2

阶段t1-t2，铁芯运动，电流下降，到t2时刻时，铁芯与操作机构机械负载接触而显著减速或停止运动，通过该阶段电流监测可得出以下结论：

在t1-t2时间内电流降低数值较比较值明显偏小，证明铁芯存在卡滞。

3.1.3 阶段t2-t3

阶段t2-t3，铁芯与机械负载接触而显著减速或停止运动，电流上升，逐步带动铁芯运动，通过该阶段电流监测可得出以下结论：

如果铁芯电流交上升速度较增长明显增快，证明存在机械负载卡滞；

如果该阶段电流持续降低，证明机械负载处于非正常位置，导致铁芯与机械负载无法接触。