基于二次侧电流信号的中高压断路器机械特性状态评估方法研究

梁钱胜

(大亚湾核电运营管理有限责任公司设备管理部,广东深圳 518124)

断路器是电力系统中极为重要的电力设备,在系统正常运行时完成系统的开关操作,控制电力设备或线路的投切运行,实现负荷调配或设备的调整;当系统中某处发生故障时,断路器能迅速隔离故障设备以保护系统非故障线路的正常运行,防止故障在系统内的进一步发展或扩大[1]。因此保证断路器的运行可靠性对于电力系统是至关重要的。本文提出了一种基于断路器分合闸线圈电流的断路器状态评估方法。断路器二次侧回路的电流信号,驱动一次侧触头的运动。故通过分析断路器二次侧电流信号,可以有效评估断路器运动状态。试验结果表明,该方法可以有效评估断路器性能状态,提高断路器性能可靠性,确保断路器安全稳定运行。

1 技术原理

断路器一般由触头、灭弧系统、操作机构、传动机构、脱扣器、外壳等构成。二次回路电流信号带动电磁线圈的铁芯运动,进而完成脱扣器脱扣,传动机构在储能装置的带动下,带动动触头运动,完成分合闸工作。即通过电流信号,驱动操作机构的电磁铁运动,带动传动回路的机构运动,最终使动触头运动,从而完成断路器分合闸操作。

1.1 标准波形

所谓波形分析就是利用断路器设备分/合闸控制回路的波形特征或统计特性建立控制回路波形的标准参考模式库,通过控制回路波形检测结果和模式库的对比,就可进行缺陷类型识别。

如图1,其中曲线①为断路器触头断口曲线,实线代表断路器处于合闸状态;曲线②为断路器分闸回路电流波形,其含义如下:

图1 断路器设备分/合闸控制回路电流波形Fig.1 Current waveform of circuit breaker equipment opening/closing control loop

t0～t1:铁芯顶杆克服阻力开始运动。分/合闸回路导通,分/合闸线圈中的电流从零开始以指数形式增加,增加到一定值时,电磁吸力大到足以克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力之和,铁芯开始运动。

t1～t2:铁芯顶杆碰触到弯板。铁芯克服复位弹簧弹力开始运动,速度逐渐增加,电磁铁气隙逐渐减小,电流出现局部降低,直到铁芯顶杆碰触到弯板。值得注意的是,由于现在断路器铁芯顶杆行程普遍较短,克服复位弹簧弹力较小,在现场实测中t2点往往不明显。

t2～t3:铁芯顶杆推动脱扣半轴,断路器脱扣,铁芯顶杆运动到最大行程。铁芯顶杆碰触到弯板,受到弹簧弹力及脱扣半轴的反作用力,铁芯的运动速度降低,电流出现局部的增加。铁芯推动脱扣半轴转动后,继续向下运动,由于脱扣半轴的阻力减小,铁芯运动速度的增加,电流出现局部的减小。铁芯运动到t3时刻,铁芯达到了最大行程并保持在此位置。此时的电感为另一常数,电流按指数规律上升到稳态值,稳态值由电源电压和线圈内阻决定,稳态值的大小可以反映断路器二次回路电源状态。

t3～t4:断路器设备主触头分/合闸完成。T4的具体值需通过停电测试。

t5:断路器设备辅助接点断开,切断分/合闸控制回路。分合闸过程的回路电流变化过程可以用公式U=iR+L(t)*di/dt表示。由于回路两侧的电压恒定,式中电流i随着感应系数L的变化而变化,而L随着铁芯的运动处于变化中,直至最终的稳态,此时感应电动势消失,回路中只剩下电阻存在压降。

1.2 缺陷判据

判据可从断路器设备分/合闸控制回路电流波形图进行判断,由于不同厂家生产的断路器设备差异性导致不同厂家的断路器设备的分/合闸控制回路电流波形图也存在差异,因此,做对比判断时建议在同温同压、同样的控制回路电压下,将所得到的断路器设备分/合闸控制回路电流波形与该设备的出厂数据或历史数据做对比[2]。

t1～t2时间大于参考值时,说明断路器设备分/合闸启动部件存在线圈老化、卡涩等缺陷。

t2～t5时间大于参考值时,说明断路器设备分/合闸主执行机构弹簧疲劳、机构卡涩、传动部件润滑不够等缺陷。

电流峰值大于参考值时,说明断路器设备分/合闸控制回路线圈存在匝间击穿。断路器设备分/合闸控制回路电流为零说明断路器设备分/合闸控制回路开路。断路器设备分/合闸控制回路电流大于参考值且不变说明断路器设备分/合闸控制回路短路。利用在不同操作电压下或同一操作电压下进行的多次测量操作,采用交叉验证的方式确认缺陷的存在及其产生原因。

2 典型缺陷波形,下面详细介绍几种典型缺陷的电流波形

2.1 铁芯卡涩

按照卡涩出现的不同位置大致可以分为两类,一类是电磁铁铁芯卡涩,另外一类是脱扣器卡涩。机构卡涩时,反映在电流波形上为波形出现“凹坑”甚至“毛刺”。如图2,如果出现在t0～t1段中,则一般为电磁铁铁芯存在卡涩,如果出现t2～t3段中,则一般表示脱扣器存在卡涩。

图2 电磁铁铁芯卡涩波形Fig.2 Electromagnet core jammed waveform

2.2 断路器拒动

断路器拒动是指当控制系统发出断路器分闸或者合闸指令时,断路器没有或者未能成功执行该指令的现象。这种故障对电厂的安全运行的影响非常大。

2.3 三相动作不同期

断路器的分闸与合闸操作同期性是指断路器在分闸和合闸操作时,三相分闸和合闸的时间差,以及每相各触头分断和接触瞬间的时间差。电力系统上对三相同期性有一定的要求,一般要求合闸同期性不大于5ms,分闸同期性不大于3ms。如果合闸不同期,会引起三相电流差异较大,可能引起保护过流跳闸;如果分闸不同期,则高电压等级空载线路或大容量空载变压器会引起操作过电压,可能造成系统设备绝缘损坏。

3 故障诊断试验和结果分析

本试验仪器设备具备断路器分合闸电流、触头行程、辅助触点状态等检测能力。

3.1 正常断路器试验

本次试验断路器共进行了5次分合闸动作,波形全部完整提取。将分闸与合闸曲线分开比对,通过试验波形的对比,可以看出,断路器在分合闸动作过程中,其分合闸回路的电流波形曲线趋于一致,且本试验所用的传感器和检测仪器稳定性优良。

3.2 电磁铁铁芯未复归故障试验

断路器操作机构运动过程是由线圈产生电磁力作用于铁芯顶杆,当一次动作结束后,铁芯会被复位弹簧拉回初始位置,为下次动作做准备。本次故障模拟方式为,断路器处于合闸状态,用笔稍微顶住铁芯顶杆一端,使其稍微偏离初始位置,随后进行分闸操作。试验结果见图3和图4。

图3 铁芯未复归故障波形图Fig.3 Waveform diagram of core failure failure

图4 铁芯未复归故障波形对比图(红色为故障波形,蓝色为正常波形)Fig.4 Comparison diagram of the failure waveform of the iron core without reset (red is the failure waveform, blue is the normal waveform)

从试验结果看出,故障波形的铁芯启动电流较低,辅助开关切断电流一致,线圈带电时间,转换开关动作时间,脱扣完成时间相较都有延长。从理论上分析,铁芯未复归故障具体表现为:由于铁芯未复归,启动位置的磁通量增大,导致公式(1)中的自感电动势L(t)增大,使电流值较正常值偏低,di/dt较小,即铁芯启动前的曲线斜率较正常值偏低,导致铁芯启动电流偏低;由于铁芯的运动行程减小,铁芯碰触脱扣器的运动动能偏低,导致脱扣时间延长,导致转换开关动作时间以及线圈带电时间均延长;由于电阻值不变,故辅助开关切断电流一致。综上可知,试验结果符合故障表现形式。

3.3 保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接故障试验

本次故障模拟方式为,断路器处于分闸状态下,按住就地分闸按钮,导致合闸保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接,随后给断路器合闸信号,用传感器监测合闸电流信号。从试验结果看出,正常与故障的启动电流一致,开关切断时两者电流一致,脱扣、故障时间短于正常时间,脱扣时故障电流小于正常电流,最终故障情况未完成脱扣,导致断路器拒动。从理论上分析,保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接故障具体表现为:由于合闸保持挚子未与脱扣半轴扣接,导致脱扣半轴的运动阻力减小,所以合闸线圈铁芯撞击脱扣器完成脱扣的时间缩短,而且脱扣电流降低。由于合闸保持挚子未动作,导致断路器拒合。综上可知,试验结果符合故障表现形式。

4 结论

(1)提出了一种基于二次侧电流信号的中高压断路器状态评估方式,介绍断路器分合闸线圈电流波形分析基本原理。

(2)利用断路器进行缺陷模式试验,模拟了电磁铁线圈气隙问题和脱扣器机械连接问题,分析对比了理论电流信号与缺陷模拟下的电流信号,确定了该方法的有效性。

(3)此断路器状态评估方法可以有效评判断路器从分合闸线圈带电到脱扣器完成脱扣整个动作过程中的任何潜在缺陷,检出能力覆盖断路器二次回路和机械特性,并可具体定位缺陷位置。