高压断路器操动机构机械特性实验研究

唐专敏，高兴宇，苏 毅，张 炜，黎卫国，王佳琳，范兴明

（1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.广西电网有限责任公司电力科学研究院广西电力装备智能控制与运维重点实验室，广西 南宁 530023；3.广西电网有限责任公司电力科学研究院广西电网设备监测及诊断工程技术研究中心，广西 南宁 530023；4.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司 检修试验中心，广东 广州 510663；5.广西广西电网有限责任公司 创新管理部，广西 南宁 530023）

0 引言

针对高压断路器机械特性方面的研究持续深入，涌现出了一些采用断路器振动信号的检测及处理方法[1-5]、基于数据驱动的机械状态信号检测预处理[6-10]等有益的监测手段和方法。其中，常广等[11]基于较少的计算量从高压断路器振动信号中获取机械状态信息，提出一种零相位滤波时频熵方法；杨元威等[12]针对断路器机械故障监测，提出一种基于声音信号识别高压断路器机械故障的方法。夏小飞等[12]针对断路器分合闸过程产生的声音信号中含有丰富的信息，提出一种基于声学指纹的高压断路器机械故障诊断方法。

综上所述，断路器操动机构的质量与工作性能直接决定了断路器的工作性能。为了深入探讨断路器机械操动机构的工作过程对断路器分合闸性能的影响，本文采用高压开关动特性测试仪对断路器分合闸过程进行测试，获取不同分合闸电压值下断路器的机械参数，并重点分析断路器的平均分合闸速度、超行程、弹跳等现象的影响因素及解决措施，为实现断路器的可靠分合闸操作提供有益的参考。

1 实验对象和条件

图1 真空断路器机械特性试验样机

实验断路器配备三相可单独驱动的永磁操动机构，实验中所应用的高压真空断路器进行分、合闸操作，分闸电压设置为180 V，合闸电压为200 V。驱动电源采用电容器，选用电容值分别为3300 μF 和4700 μF 的充电电容即可达到预期的分、合闸目的。

1.1 分（合）闸电容充电回路

分（合）闸电容的预期控制电压是利用调压器、隔离变压器经过二极管半波整流后对其进行充电的。具体的电容充电回路如图2 所示。高压断路器操动机构的分、合闸动作都是由一个充电电容放电回路控制的。二者的回路结构与工作过程基本相同，不同的是电容的放电对象与参数不同。合闸电容放电是针对合闸线圈的，分闸电容放电是针对分闸线圈的。

图2 电容充电控制回路

1.2 分（合）闸电容放电控制回路

本实验所应用的高压真空断路器进行分、合闸操作，通过选用电容值分别为3300 μF 和4700 μF 的充电电容便能达到分、合闸目的。断路器操动机构的电源控制电路实物如图3 所示。

图3 操动机构的电源控制电路实物

1.3 实验条件

采用上海国试电力科技有限公司开发的GKC-6000A 型高压开关动特性测试仪来对断路器的机械特性进行试验研究，该设备实物如图4 所示。该仪器是针对高压开关研制的一种通用型电脑智能化测试仪器，它主要应用光电脉冲技术、单片机技术、计算机技术及可靠的抗电磁辐射技术，配以精确可靠的速度/距离传感器，可用于各种电压等级的真空、六氟化硫、少油、多油等高压开关的机械特性参数的调试与测量。该仪器接线方便，操作简单，操作时只需一次合（分）动作便可得到合（分）闸全部数据，并能打印所需的全部数据、断口电流波形和动触头运动曲线，便于分析、保存。

图4 高压开关动特性测试仪

该测试仪上位机菜单栏包括文件、设置、测试、查看、系统、帮助6 项功能，其界面如图5 所示。实验时可以查看断路器三相各个断口的行程-时间特性曲线、速度-时间特性曲线、还有线圈电压-时间特性曲线、电流-时间特性曲线等。在图5 中，曲线1、2、3 分别代表断路器A、B、C 三相的分（合）闸弹跳次数；曲线4 是断路器在不同的分、合闸电压下的行程-时间特性曲线，通过该曲线可以得知断路器的刚分（刚合）时刻，并且可以计算出其分（合）闸时间以及动触头随时间变化所运动的位移等；曲线5 是操作线圈的电流随随时间变化的曲线。

图5 断路器各断口机械特性波形

该测试仪上位机菜单还可以查看断路器动特性的试验报告（图6）。试验报告涵盖了断路器的大部分机械特性参数，将该参数进行对比分析，可以判断出断路器的运行状态。

图6 试验报告

2 实验方法和结果

配永磁操动机构的高压真空断路器取消了传统操动机构的机械脱、锁扣装置，极大地减少了机构零部件，这可以提高断路器的工作可靠性，从而降低机械故障率。其中，断路器的行程、速度、线圈电压特性是永磁操动机构真空断路器机械特性的重要特征，也是该产品在出厂和检修过程中都必须要求测试的项目。为获取高压断路器在分、合闸过程中的机械参数，本次实验采用GKC-6000A 型高压开关动特性测试仪与上位机断路器智能测试系统相结合的方式，并通过断路器的电源控制器控制分、合闸过程来完成本次测试目的。本研究的实验室测试线路如图7 所示。

图7 断路器机械特性测试实验系统图

2.1 合闸特性

为了比较断路器的分、合闸机械特性，实验通过对该断路器电源控制器的充电电容充入不同的电压值来获取其不同的机械特征参数。通过断路器不同合闸电压下的行程、速度特性分析及对比来分析断路器的机械参数机器操作性能。

其中，“古之善为士者，微妙玄通”原意是指在古代，擅长修道的智者既能通晓奥妙又能玄通远达。在原文中，包含着两个短句，而林语堂在进行翻译的过程中，将这两个短句进行了合并，以“The wise ones of old had subtle wisdom and depth of understanding”（老智者有难以描述的智慧以及深刻的理解）表达了原意。在这句的翻译中，并没有进行字字的对应，而是在把握原文主旨的基础上，进行了转化与融合，便于读者的理解。

图8 所示为合闸电压为232 V 时断路器机械特性曲线，图9 为速度-时间特性曲线。对比分析图8 中曲线1 与图9 曲线，可以看出动触头发生了2 次弹跳。分析表明，该弹跳与合闸时动触头的撞击力、触头的材料等有关。这主要是由于动触头在合闸时所产生的合闸力相对较大的原因造成的。触头材料的硬度越大，发生弹跳的时间就越长；在触头材料的硬度相同时，若触头的压力越大，则弹跳时间越短。

图8 232V 合闸电压机械特性实验曲线

图9 232V 合闸电压速度-时间特性曲线

图8 曲线2 是该动触头的行程-时间特性曲线。图中触头从速度点a 运动到速度点b 所完成的行程，就是触头合闸的平均速度，其中速度点a 处的速度就是刚合速度。可以看出，动触头在16 ms 时开始与静触头接触，到21.5 ms 时动静触头已完全合上。说明在该合闸电压下，断路器能很好地实现合闸操作。图8 曲线3 是合闸过程中线圈电压随时间的变化波形图。由于合闸线圈是一个电感元件，当接通直流电源后，在合闸线圈内部以及合闸电缆的线路上会产生电压降，因此线圈电压随时间增大而减少，直到最后趋于稳定状态。在曲线4 的速度-时间曲线中，首先动触头在12 ms 时与静触头发生第一次碰撞，此刻的合闸速度最大，碰撞过后，速度慢慢减少，之后又出现2次反弹，直到21 ms 后，合闸速度几乎为零，说明动静触头已经合闸到位。

不同的合闸电压下断路器机械参数见表1，从表中可以看出，不同的充电电压对平均合闸速度、反弹时间、反弹次数等影响显著。同时还可以看出不同的合闸速度对触头的弹跳影响也比较明显，动触头的平均合闸速度越大，造成的反弹次数也越多。由此可知，合闸速度偏快也是断路器产生合闸弹跳的重要原因之一。从降低机械应力和冲击力角度来分析，若合闸速度低，虽可减少波纹管的振动，但会延长电弧预击穿时间，加剧触头的电侵蚀，会产生合闸过电压，并且在做短路关合实验时，容易引起触头熔焊；若合闸速度过快，虽可减少触头的电磨损，减少电弧预击穿时间，但也会加大动触头的冲击，延长弹跳时间。

表1 不同的合闸电压下断路器机械参数

经研究可得，触头撞击力的大小与动触头系统的质量、动静触头碰撞前后的速度差值还有两者的作用时间有关，因此在满足断路器力学性能的要求下，为降低动触头发生弹跳的大小，可采取以下措施进行改进：

（1）减轻动触头系统的质量。可通过减少导电夹与软连接之间的尺寸、缩短导电杆的长度，并选择轻质绝缘子等来实现。

（2）减少触头碰撞前后速度差的绝对值。根据经验分析，不能通过减少动触头碰撞前的速度，因为该速度若太小，会使合闸能量不足，容易加剧触头弹跳幅度，因此只能设法减少碰撞后的速度。主要方法有：在动触头系统中加装弹簧，当断路器合闸操作时，压缩弹簧，使其产生一个触头的预压力，以此抵消动触头的回弹力。

（3）通过增大动静触头的碰撞时间来实现：一是在静触头端加装缓冲元件，如橡胶垫圈，可增加触头的撞击时间；二是在生产断路器时设法确保断路器的动静导电杆的同轴度，并且要尽量保证动静触头为平面接触，而不是点或线的接触。

因此在断路器投入使用前，必须对其进行开断等形式试验。通过大量的运行试验，可以总结出断路器最佳的合闸电压取值范围，这对延长灭弧室的使用寿命、减少触头电磨损及提高断路器的可靠运行性具有相当重要的意义。

2.2 分闸特性

分闸速度的大小直接影响到断路器的开断能力。而在断路器的分断过程中，真正起作用的就是刚分速度，也就是动静触头刚刚分开瞬间的速度，它是由超行程决定的。超程是指动静触头完全闭合后，动触头所能移动的距离。

以断路器处于无负载状态下的分闸电压为173 V的机械特性曲线进行实验，在图10 中曲线1 代表的是断路器分闸弹跳的次数，曲线2 代表了断路器行程-时间特性，在曲线2 中触头从速度点c 运动到速度点d 所完成的行程，就是触头分闸的平均速度，其中速度点c 处的速度就是刚分速度，由图10 和11 的分闸行程、速度特性曲线可以看出，断路器的动触头没有发生弹跳现象。

图10 173V 分闸电压行程-时间特性

表2 给出了分闸电容在不同充电电压下的相关机械特征参数，从表2 可以看出，不同的分闸电压下，获取的机械参数不同。分闸电压高，平均速度大，分闸时间越短；分闸电压低，平均速度低，分闸时间越长。分析分闸时触头的反弹次数，可知从动静触头刚分开一直到动触头运动结束，在静触头端没有出现弹跳现象，并且在动触头的下端点也没有出现反弹，运动特性呈线性。之所以没有出现弹跳现象，主要是因为本次试验是在断路器处于空载状态下完成的，若把断路器接入负载中，在断路器的分闸操作时就容易出现分闸速度过快、分闸弹跳等现象。

表2 不同的分闸电压下断路器机械参数

图11 173V 分闸电压速度-时间特性

分闸速度的快慢将直接到电流过零后，动静触头间介质的恢复速度。若分闸速度太低，不仅不容易灭弧，而且还会加重触头的电磨损量，甚至产生过电压等现象。若分闸速度过快，容易引起分闸反弹，这对灭弧室波纹管的振动、压缩造成严重影响，容易使波纹管提前损坏而出现漏气现象。因此断路器的分闸速度也需选择适当。

3 结论

通过高压开关动特性测试仪测试断路器的机械特性，包括断路器的总行程、弹跳时间等数据的测试与记录，这使存储、管理、分析该数据更方便、快捷。同时，断路器的机械性能参数也是互相影响的，调整时也需要统筹兼顾。通过多次试验总结出了断路器的分、合闸电压的最佳取值范围，这为断路器的正常运行提供了良好的实验数据参考依据，具有一定的工程应用价值。