断路器操作机构分合闸电磁铁线圈故障分析

蒋龙 马峰 范雪丽

（1．南方电网公司曲靖局 2．西安西电高压开关操动机构有限责任公司）

0 引言

电磁铁线圈是高压断路器操作机构的重要元件之一。当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，铁心受到电磁力作用吸合，打开锁扣或一级球阀，操作机构动作带动断路器灭弧室分闸或合闸。

不管断路器使用什么操动机构（电动机机构除外），都会有相应的分合闸线圈，作为断路器操作的一级控制单元，线圈的电流波形包含很多信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及有关传动件在操作过程中的工作情况。通过对断路器分合闸线圈电流的监测，可知道操动机构的铁心运动时间、机构启动时间、线圈通电时间等，同时结合断路器自身的参数范围，可判断断路器的线圈状态（如是否存在铁心吸合不良、铁心卡滞、匝间短路）以及操作机构相关元件的状况[1]。

1 分合闸线圈的工作原理和结构

1.1 分合闸回路的电磁铁线圈电路等效电路图

电磁铁线圈电路的等效电路图如图1所示。

1.2 液压机构中常用的电磁阀结构[2-4]

氮气储能液压机构常用的常闭式二位三通电磁阀的如图2所示，弹簧储能液压机构中常用的常闭式二位二通电磁阀如图3所示。

1.3 弹簧机构中常用的电磁铁结构[5、6]

弹簧机构中常用的合闸电磁铁和分闸电磁铁的结构分别如图4和图5所示。

2 电磁铁线圈电流的变化[7]

2.1 电磁铁线圈电流变化的微分方程

电磁铁线圈电流的变化可用微分方程表示为：

式中，Ψ为磁链。假设电磁铁不饱和，则有Ψ＝Li，电感L不随i变化，但随电磁铁的气隙δ变化而变化，即：

当电磁线圈刚接通电源U时，由于线圈有一定电感L，电流i不能马上达到触动电流Id，而是由零逐渐增大。与此同时，铁心的吸引力也逐渐增大。在电磁铁的吸引力不足以使铁心动作时，δ=δmax为常数，即铁心的运动速度为v=0。所以有：

式中，L1为δ=δmax时，电磁铁线圈电感微分方程的通解是：

式中，C为通解常数。由t=0，i=0的初始条件得微分方程的一个特解：

因此，在铁心运动之前，线圈电流i呈指数上升。在时间t1电流增大到动作电流Id，电磁铁的吸力超过反力（如铁心重力、加在铁心上的弹簧力等），铁心开始运动，v＞0。等值回路中增加一随时间增大的反电动势，一般情况下，线圈电流i比铁心刚开始运动时的触动电流Id的数值要小，因此，电流i偏离指数上升曲线，不断下降。这一过程直到铁心吸合，铁心停止运动，v＞0。由式（2），电流的微分方程变为

式（6）中，L2为δ=δmax时电磁铁线圈的电感。故电流以铁心停止t=t2时的电流I2为初值，按指数规律上升，最后达到稳定状态值

一般来说，电磁铁结构设计时：总行程S=空行程G+超行程g，最大气隙δmax＞S；最小气隙δmax≥0。

2.2 分合闸线圈铁心运动各时间段的电流特性波形

上述变化过程可用图6中的典型分合闸线圈电流特性波形说明，这一波形根据铁心的运动可以分为5个时间段：

2.2.1 触动时间段

t0至t1；触动时间段，线圈在t0时通电直到t1时动铁心开始运动到达触动电流Id，这个时间段线圈电流i波形呈指数上升,微分方程如式（4）所示。

2.2.2 运动时间段

t1至t2；运动时间段，电流下降。t2为线圈电流的谷点，称吸合电流I2，代表动铁心已经走完全行程（弹簧机构的全行程要保证一级挚子可靠解锁，液压机构的全行程要保证一级球阀完全打开），因而显著减速或停止运动，这个时间段线圈电流i波形偏离指数上升曲线，不断下降，微分方程如式（5）所示。

2.2.3 恢复时间段

t2至t3；恢复时间段，动铁心停止运动，电流又呈指数上升达到近似的稳态电流I，这个时间段线圈电流i波形又呈指数上升，微分方程如式（6）所示，直至升至稳态电流

2.2.4 稳态时间段

t3至t4；稳态时间段，这一时间段是时间段3的延续，电流i波形近似为稳态电流

2.2.5 分断时间段

t4至t5；分断时间段，电流开断阶段，辅助开关K切换分断、电弧熄灭、电流i从稳态到零。

其中，触动时间段t0↔t1；与控制电源及线圈电阻、动铁心重力、摩擦力、复位弹簧力等有关；运动时间段t1↔t2的变化表征电磁铁动铁心动作过程有无卡滞、操作机构脱扣挚子及球阀等机械负载变动情况；恢复时间段t2↔t3、稳态时间段t3↔t4反映铁心吸合面及辅开触点是否接触良好，操作传动系统运动有无异常（如震动过大）的情况；分断时间段t4↔t5反映辅开的开断能力。其中：时间段t0↔t2在操作机构中称为电磁铁（电磁阀）动作时间，也是操作机构机械特性的重要参数。通过以上几个不同特征时间的分析可以方便地诊断断路器部分机械故障及故障趋势，包括分、合闸时间变长，拒分、拒合等故障。

3 分合闸线圈（直流线圈）的基本要求[8、9]

3.1 适用温度

环境温度-30～70℃（超出范围在订货时要特别指出）。

3.2 耐电压性能

线圈对地工频耐压2kV/1min或2.5kV/1s，匝间绝缘应能承受2.5倍额定电压1min的交流试验电压；

3.3 工作制

工作制是电磁铁所承受的一系列负载状况的说明，操动机构电磁铁一般可选用短时工作制或瞬时周期工作制（如液压弹簧机构中哈威电磁阀的负载持续率为2%），在限制线圈最长通电时间的同时，为了保证吸合的可靠性，断路器中不同的操作机构、不同结构的电磁铁线圈都有一个最短通电时间。如某种弹簧机构电磁铁线圈的最短通电时间不小于40ms；某种液压机构不小于30ms。

3.4 操作电压

分闸电磁铁线圈在额定电源电压的65%～110%（直流）范围内、合闸电磁铁线圈在额定电源电压的85%～110%（直流）范围内、液压和气动机构在液（气）压操作压力的上、下限之间时，应能可靠动作。旁路开关的操作机构电磁铁和此要求相反。

当电源电压等于或小于额定电源电压的30%时，液压和气动机构在液（气）压操作压力的下限时，分合闸电磁铁不应导致操作机构动作。

3.5 绝缘等级及温升试验

不同的操作机构电磁铁线圈的绝缘等级要求也不一样，一般弹簧机构、气动机构和液压氮气机构的线圈要求最小为A级（40℃时温升不大于65K），液压弹簧机构要求最小为E级（40℃时温升不大于80K）。温升试验用电阻法测线圈温升，通电10次，每次1s，两次之间间隔10s；或一次通电15s（机构不具备自动断开线圈回路），其温升不应超过规定值。

3.6 液压机构电磁阀的内部密封

高压油液少量的损耗是不可避免的，液压机构电磁阀的允许泄漏率由各制造厂根据产品的整体要求自行规定。大多情况下＜4cc/24h, 泄漏率应低于允许泄漏率，且不应随时间的增长而持续增大，或不应随着断路器操作次数增加而增大，不应引起断路器的误动作，也不应对操作者造成任何伤害。

4 故障诊断实例分析

线圈电流波形对应的特征参数有：时间量（以t0为时间零点）t1、t2、t3、t4、t5和电流i变化后的量值Id、I2、I。由前述波形分析可知，电流波形中的时间参数t对应着线圈在励磁、动铁心全行程及机构运动过程中的各个时间段。

几种典型的线圈电流波形如图6～图10所示。状态完好的断路器线圈电流波形如图6所示，以线圈开始通电为时间原点.典型故障情况下的线圈电流波形，如图7～图10所示。

对各时间段的波形进行分析，从分析结果中很容易找到波形的畸变点，从畸变点发生位置对应的时间段，找到断路器分合闸线圈故障的原因。

4.1 断路器操动机构正常的线圈电流波形

4.2 典型故障情况下的线圈电流波形

4.2.1 故障点在触动电流段

故障点在触动时间段t0↔t1内的tx处；反映在波形图上如图7所示，这种故障可能导致电磁铁动作时间（t2）变长，使断路器的动作时间变长，严重的可引起拒动，影响产品可靠性。这种故障大都是动铁心或传动挚子（阀针）运动卡滞、或电压不足引起的。

4.2.2 故障点在触动电流和吸合电流交界点

故障点在t1终点附近，触动电流和吸合电流交界点，可能导致电磁铁或阀系统动作时间（t2）变长，甚至拒动。反映在波形图上如图8所示，这种故障大都由铁心空程变大、电压变低、动铁心卡滞引起的。

4.2.3 故障点在吸合电流点（t2终点）和恢复段（t2↔t3之间）

故障点在t2终点附近抖动，反映在波形图上如图9（a）所示，这种故障可能导致电磁铁恢复时间（t3）变长，使断路器的动作时间变长，影响可靠性。这种故障大都是动静铁心吸合时接触不良引起的。

故障点在（t2↔t3之间），反映在波形图上如图9（b）所示，这种故障可能导致电磁铁恢复时间（t3）变长，使断路器的动作时间变长，影响可靠性。这种故障可能是由动铁心杆（或阀针、撞杆）变形引起的。

4.2.4 故障点在恢复段（t2↔t3之间）

电磁铁线圈带电时间太短，还远没达到稳态电流辅助开关就切换了，反映在波形图上如图10所示，这种故障可能导致电磁铁吸合不可靠，影响可靠性。这种故障可能是由辅助开关传动移位或变形引起的。

4.2.5 故障点在稳态时间段（t3↔t4之间）

电磁铁线圈带电稳态时间段接触不好，有弹跳，反映在波形图上如图11所示，这种故障可能是由操作回路（包括辅助开关）接触点松动或断路器操作过程中震动太大引起的。会影响智能化断路器的保护或监测功能的可靠性。

4.2.6 故障点在恢复段（t4↔t5之间）

辅助开关切换时开断电流不成功，即电流未完全开断，反映在波形图上如图12所示，这种故障可能导致电磁铁脱开不可靠，影响可靠性。这种故障可能是由辅助开关断口耐电压不够引起的。

5 结束语

本文介绍了利用检测分合闸线圈电流波形来判断断路器动作特性故障的一种实践中使用的简单易行的方法，通过对分、合闸线圈电流波形进行分段，利用一定的数学方法分析各段电流波形的特征，用这种特征来描述、判断断路器操作机构的动作特性故障，检测（监测）断路器操动机构分、合闸线圈电流波形的变化，可以判断分、合过程中断路器特性产生的相关变化。实际应用证明：此方法简单可行，在新产品设计试验、产品出厂调试、电网运行检修时都能快速准确地分析判断故障，对现在智能断路器状态检修来说，通过对分合闸线圈电流波形的监测，可以发现高压断路器存在的隐患，诊断并预测出断路器的设备状态，进一步提高断路器的状态检修监测水平，保障电网的安全稳定运行。