断路器机械结构及其动态过程研究

崔建华

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，断路器在正常运转工作中的相关参数、原理以及构造是本文研究的主要内容。针对工作中的断路器来说，故障高发的部位主要是操动机构、电磁铁与缓冲器，断路器的工作状态简单，主要是表现在开关的开与合，本文也以此为切入点，重点研究这一动态过程。

关键词：断路器;机械结构;动态过程

引言

高压断路器使用寿命是生产厂家和电力企业都十分关心的一个可靠性指标，也是评价断路器可靠性水平高低的最具说服力和最直接的指标。国内外研究机构与高等院校在高压断路器的机械寿命预测方面做了大量的研究工作，虽然没有一种预测模型能获得普遍认可，但是有一点已然形成共识，那就是高压断路器的分合闸时间与开断次数有着明显的相关性，分合闸时间在一定程度上反映了高压断路器的使用寿命。机械特性参数是判断断路器性能的重要参数之一。规程中对断路器机械特性各参数都有明确规定值，各参数均在合格范围内是确保断路器可靠运行的前提。各参数间会相互影响，某个参数发生变化可能会引起其他参数的变化，所以在机械特性参数调整前应先弄清其变化缘由，并在调整时综合考虑。

1断路器的结构

断路器主要由四个部分组成，分别为导电、绝缘、接触系统和灭弧装置部分以及操作系统，断路器在工作中的正常运转形态正是依托于以上部分。导通电流作用的承担者是导电部分，其主要作用不只是保证电流长时间的流通，在功能上与承担压力上要经受超负荷与短路电流以及其他不正常的电流等，保证正常断路器正常工作状态;用于工作维修人员人身安全保护的措施主要依靠绝缘部分完成，绝缘在形式上包含了端口、对地与相间绝缘等;断路器在运行过程中开合操作由接触系统和灭弧装置完成，这两部分也可用于衡量开合闸的能力;在断路器中的控制触头的断开与接通操作主要是由操作系统完成，其保障了断路器的正常运转的速度与时间。在进行分闸时，首先要判断断路器处于的状态是否为合闸，操作机构的受电工作驱动始于分闸线圈，动静触头的相关运作状态取决于分闸弹簧的弹力和电磁力，当触头停留在可靠位置时，操动机构同时停止运动;当进行合闸操作时，首先要判断断路器处于的状态是否为分闸，操作机构的受电工作驱动始于线圈，分闸弹簧被压缩，从而为后续的分闸操作打下基础，为分闸做准备，相对运动发生在动与静触头之间，当触头停留在可靠位置時，操动机构同时结束运动。

2断路器的动态特性

2.1断路器的开关电弧

断路器工作的基本形态与操作就是在规定的时间内完成电路的开断。开断电流主要依靠触头完成，在断路器的正常工作形态下，当工作电压范围处于12-20V时，电流在数值上的范围是0.25-1A，断路器的触头之间会产生电弧，即拥有导电性能的气体，此气体拥有明亮的颜色且十分炙热。开断操作就是当电弧熄灭时顺利完成。导电特性的原因使存在电弧情况时系统的工作状态为导通且延时开断，触头在高温度环境状态下极容易造成磨损，导致绝缘效果变弱。电流经过零点位置之后，等离子体作为电弧的一项重要性质发挥着作用。其中的一项影响因素为衰减分量，即电流在流经零点位置时，其时间并不是准确固定的，当过早时会进而导致畸变电流的产生。燃弧时间段内，将电弧等效看作非线性电阻，电阻数值能够决定电流数值大小，进而导致开断电流在起弧时产生畸变，起弧时间可以根据这一特征得到确定。

2.2断路器机械参数测试装置校验系统的实现

为了确保断路器机械参数测试装置的精度，利用VHDL语言在FPGA内部构建“断路器动作模拟模型”，真实地模拟断路器3个或6个断口的分合闸动作过程，依据需要可以设置不同端口的动作时间，为待检测试装置提供标准值。待检测试装置测量值与设置值经过对比分析，得到待测检测仪精度是否达到要求。若达不到要求，可以根据测量值与设置值之间的差值对待测测试装置进行校准。该功能能够实现自检，同时也可以对其他断路器测试装置进行精细测试与校准。具体工作流程：当FPGA接收到来自LCD的测试装置校验命令时，启动FPGA内部事先建立的“断路器VHDL语言模型”，同时LCD显示合/分闸标准参数设置窗口，设置完毕后启动校准。将待校准测试装置测量参数与标准参数进行对比计算，得到待测测试装置的测量误差，进而实现校准。

2.3数据分级机制

系统设计充分考虑随着时间的推移，某些数据库表中的数据量增长过快，系统在运行的过程中所耗的数据库资源会越来越大，为解决此问题，需要根据系统中模块的业务来确认模块的使用周期，对于超过访问周期的数据采用定时器的方式，根据分级条件执行自动分级操作，分离业务历史数据，以提高系统核心数据的操作效率。分级方案是指在系统设计过程中建议使用的分级设计方案;现有数据量超过一百万的可以选用表分区的方式;数据年增长量小于十万的，使用分表前后对性能影响不大，建议不进行分表存储;年数据量增长大于十万的，并且有明确的数据有效期，建议采用分表的方式存储数据。对于复杂的统计报表，保证后台响应时间小于5min，需分析报表统计的周期，如：本日、本月、本周之类的统计，通过定时器的方式在系统不繁忙的时候进行统计运算，并将统计结果保存在数据库中，使得使用统计的时候可以直接从数据库中读取统计结果，减少统计运算时间。

2.4断路器的开合过程

断路器的正常工作状态在实质上就是触头在不断移动的过程。非正常状态的电力系统工作状态情况下，故障电流的开关作用由断路器开关完成，断开的时间较短，因为故障多为暂时的。断路器在正常工作状态情况下，电流大则速度快，操动系统的要求也会相应加大。在小电流工作状态时，为避免此种情况常会采用缓冲器装置保护触头并实现缓冲。上文中知悉存在故障的时间是极短的，为实现电网的稳定运行，目前主要使用自动重合闸的操作方式，在断开之后的较短时间内实现再次的闭合，降低了损失，当短暂断开的闭合之后故障仍未排除，那么开断操作进入第三次的运行开断。断路器的绝缘质量取决于瞬态恢复电压，工频电压的频率决定了其变化的快慢。在电流过零时，触头之间的电阻值数值可以看作是无穷大的，瞬态恢复电压的计算通过电路中的相关参数计算即可获得，与断路器的状态之间无过大关联。在断路器进行开断状态时都无交流电的情况，其电压在电网中称之为瞬态恢复电压，根据目前在实践应用中的规范，其都指固有瞬态恢复电压。

结语

断路器机械参数测试装置具有测量结果稳定、准确、精度高的特点，在强电磁干扰环境下能够稳定运行，能够满足对高压断路器测试装置的要求。同时，该装置还集成了断路器测试装置校准系统，能够实现自我校验，也可为其他断路器测试装置进行校准，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]王奥飞，李静，等.塑壳断路器电弧跃迁动态过程的仿真研究[J].电器与能效管理技术，2019（13）：6-11+34.

[2]王奥飞.不同驱弧方式下直流空气断路器全动态电弧特性研究[D].沈阳工业大学，2019.

[3]程亭婷，高文胜，等.高压SF6断路器动态回路电阻测量中的扰动现象[J].高电压技术，2018，44（11）：3604-3610.

[4]张晓芳，袁学兵，等.小型断路器分断过程动态仿真分析和试验验证[J].电器与能效管理技术，2018（18）：58-62.

[5]傅中.电容器组用SF6断路器弧触头关合侵蚀研究[D].华北电力大学（北京），2018.

[6]徐国政等编著.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[7]顾霓鸿，王学军.高压开关设备电力行业标准发展趋势[J].电力标准化与计量，2005（1）∶23-27.

[8]宋志明，李洪战.电气设备与运行[M].中国电力出版社，2008.

[9]王艳芳.高压开关机械特性测试装置校验装置的研制[D].哈尔滨理工大学，2010.