操作电压对断路器机械特性分合闸时间影响的分析

陈振家 盛建华 陆俊阳 谢 智 吕建江

（甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）

断路器是电力系统中最重要的高压开关设备之一，其可靠性会直接影响电网的安全稳定运行[1-2]。而高压断路器的分合闸时间是检测高压断路器状态的一个重要方面，分合闸时间将直观反映断路器机械结构的运行状态[3]。该文通过大量实际测量数据，将分析与实际动作过程进行对比，来论证操作电压对断路器分合闸时间的影响。

1 断路器分合闸时间的采集

1.1 分合闸过程开始位置的判断

以高压断路器的弹簧机构为例，当断路器的控制端带电，触发分合闸指令，使分合闸线圈带电。线圈吸合，带动铁芯运动，带动弹簧机构释能，带动动触头运动，完成分合闸动作。

一般认为，在断路器的一次完整的分合闸动作过程中，当控制端发出指令后，分合闸线圈开始带电，使线圈带动铁芯动作是一次分合闸过程的开始。分合闸线圈电流波形如图1 所示。

图1 分合闸线圈电流示意图

根据图1 所示，可以将线圈带电过程分为4 个部分，即图1 中以虚线断开的部分。第一部分，从t0时刻开始，此时线圈带电，但是铁芯还没运动，磁路的气隙保持不变，线圈的电感不变且为电感最小值，线圈电流呈指数规律上升。第二部分，在t1时刻，铁芯开始运动并且加速。在该阶段，由于铁芯产生运动，因此磁路气隙减少，电感增大，电流下降。第三部分，铁芯停止运动，然后机构开始动作。对分合闸线圈来说，此时气隙固定，电感不变且为最大值，线圈电流呈指数上升。第四个部分，当弹簧机构开始动作，线圈电流开始变小，直到动触头完成动作，辅助开关闭合，线圈断电。

对线圈电流变化的分析可以发现，在t0时刻，线圈开始带电，在t1时刻，铁芯开始动作，分合闸线圈开始工作。分析工作原理可知，t0时刻是线圈实际开始带电的时间，而t1时刻是线圈带电、驱动铁芯开始动作的时间，这2 个时间都可以表征分合闸动作的开始过程，因此可以把t0或t1时刻作为一次分合闸动作的起始状态。在记录分合闸时间的过程中，t0或t1时刻都可以作为分合闸时间采集的起始时间。分别记录这2 个时间点的开始带电时间和实际动作时间，对分合闸过程的影响也不同。但是这2 个时间点是否会因操作电压不同而对分合闸过程产生影响还不可知，测量出的分合闸时间结果的区别也不可知。因此在该文试验论证中，分别采集t0和t1时刻作为分合闸时间的起始点，记录不同起始时间在不同操作电压下对分合闸时间的影响。

1.2 提取断路器刚分（刚合）时间点

触头的刚分（刚合）时刻的确定在断路器分合闸时间的计算中非常重要，该位置的确定方法主要有振动信号分析法、触头加速度分析法等，但这些方法精度高，实现难度大[4]。因此该文采用对比主回路的电位信号和触头行程曲线来分析[5]，由于部分断路器结构紧凑、空间小或者机构的动作部分不外漏，测量挂载传感器时有一定困难，同时行程曲线有超程的存在，会使对比刚分（刚合）时间有明显的延迟，给刚分（刚合）时间点的确定带来一定困难，因此该文试验论证主要以主回路电位信号为确定方法。结果见表1。

表1 刚分（刚合）时间点提取方法对比

根据表1 可知，利用电位信号分析法得到的刚分（刚合）时间点与采用触头加速度分析法得到的有一定差值，但差值较小，对该文的试验论证来说，可以认为这个时间点结果是合理的。

一般认为，当三极动触头都和静触头接触，即三极的主回路电位信号跳变瞬间为刚分（刚合）时刻时，由于三相动触头接触（分开）时间存在不同期的时间偏差，因此为了试验的统一性，该文以最后一相的动触头与静触头接触的时间或者最后一相动触头与静触头分开的时间作为刚分（刚合）时刻。

1.3 数据采集

该文采用的高压开关特性测试系统具有3×2 个触头监控和2×4 个常开/常闭辅助触点监控。2 个分合闸线圈控制线路用于控制线圈动作和测量线圈电流。为了试验数据的普遍性，该文选取最常见的分闸时间参考区间即30ms～50ms，合闸时间参考区间为35ms～70ms，操作电压为DC 220V 的同类型高压断路器2 台（编号#01、#02）进行对照试验，对比相同参数的不同试品在不同电压下对分合闸时间造成的影响。将受试试品与高压开关特性测试系统进行连接后，通过采集系统采集线圈带电时间点和铁芯动作时间点，将其作为分合闸时间的开始时间，并通过断口信号测量电位信号变化，将其作为分合闸时间的截止时间。对每台断路器分别在最高操作电压、额定操作电压和最低操作电压下进行试验，分别以t0时刻和t1时刻开始计算分合闸时间。对每台断路器分别进行100 次分合闸过程测量，采集数据并进行对照，为了控制试验数据变量和方便对照，进行分组试验，见表2。

表2 试验流程

1.4 数据分析

使用均值法求解平均值，如公式（1）所示。

式中：是均值法平均值；xi是采集的分合闸数据。

使用贝塞尔方法求解标准偏差，如公式（2）所示。

式中：S是标准偏差；xi是采集的分合闸数据；是平均值。

得到的结果见表3。

表3 试验数据分析

通过02、08 组试验和05、11 组试验可以发现，试验数据均值在容差范围内浮动，由此可知#01 试品和#02 试品的不同对数据的影响较小，该次试验的结果是在合理范围内的，试验结果具有可信度。

将被测数据进行整理绘制，得到数据散点图，鉴于篇幅有限，该文展示了一张散点图数据，如图2 所示。

图2 分合闸时间散点图

根据图2 可知，数据基本落在标准偏差内，落在区间内的概率为93.7%以上，证明数据总体呈现出贴近均值分布的情况，该文试验的数据是具有可信度的。

对比试验数据01、02、03 号和04、05、06 号可以发现，在不同操作电压下，对比从t0和t1时刻开始的2 种情况，相同受试高压断路器的分合闸时间会因操作电压的变化而产生不同数值。当从t0时刻开始计算时，分合闸时间随着操作电压的变化有明显的上、下差异，主要反映在操作电压越高，分合闸时间越短；而从t1时刻开始计算时，分合闸时间虽然存在差异，但差异较小，和从t0时刻开始的数据变化相比，该差异量不明显。可见t0和t1时间的不同是使分合闸时间数据不同的关键因素，这是造成均值变化的主要原因。考虑在不同电压下会有数据波动情况和少量离群数据的出现，该差异需要做进一步分析。

2 影响因素的分析

2.1 操作电压

操作电压的不同会对线圈的响应时间造成影响，在额定耐受的范围内，电压越高，线圈的响应时间越快；电压越低，线圈的响应时间越慢，这种线圈的响应速度变化会使铁芯的运动开始时间有所不同。对照试验数据（表2）和线圈电流波形图（图1）可以发现，线圈的响应时间应当主要存在于t1之前，即铁芯开始运动之前，在t0和t1间存在一定时间偏差。

2.2 操作机构阻力的不确定性

操作机构的结构特征决定了在每次弹簧释能推动触头运动的过程中，阻力都有不同，冲程也有细微的变化。由于分合闸时间的计算一直持续到整个分合闸动作的完成，因此必然包括操作机构的动作过程。该不确定性导致了每次动作时的偏差不同，该偏差有可能使分合闸时间的区间波动范围较大，也可能是造成数据在标准偏差范围内上、下波动的原因之一。

2.3 其他不确定因素

除了操作电压和机构阻力之外，弹簧在使用过程中还会累积应力松弛和弹性衰退，导致弹簧释能过程存在不确定性。机构振动也会造成触头运动过程的偏差，特别是在使用位移行程曲线判断触头刚合（刚分）时间点时。另外，采集软件的数据偏差也会造成数据偏移，这可能是数据中存在一部分明显的离群数据的原因。但是这些离群数据占比极小，在分析可能的原因后，这些离群数据反映的情况不在该文试验讨论的范围之内，可以剔除这些离群数据。

3 试验结果与分析

通过试验发现，操作电压的不同会对分合闸时间造成影响，形成分合闸时间的偏差。该影响主要是当操作电压变高时，分合闸时间会变短，反之变长。该变化和分合闸时间的起始选择点有一定关联性。

当以t0为开始时间计算时，这种偏差很明显，在不同操作电压下进行试验，分合闸时间存在明显的变化。而从t1开始时，变化幅度则较小，说明此时操作电压的变化对分合闸时间影响较小。考虑这其中的变量主要为起始点的改变，可以证明t0～t1时间段是不同操作电压使分合闸时间存在偏差的区间，也是导致不同操作电压下分合闸时间有明显差异的原因。

t0～t1时间段是线圈的响应时间，可见操作电压对分合闸时间的影响是通过影响线圈的响应时间而反映出来的。根据操作电压的变化，响应时间相应发生变化，使t0～t1时间段的大小也发生变化，导致当以t0时刻开始计算分合闸时间时，分合闸时间随着操作电压变化而发生变化。而当以t1作为分合闸时间的起始时间时，由于此时分合闸时间中不包括线圈响应时间，因此分合闸时间不随操作电压的变化而发生变化，操作电压对分合闸时间没有影响。

在实际使用过程中，响应时间是在铁芯运动之前（t1之前），在该过程中，断路器的操作机构和触头系统没有动作，因此该过程对触头的实际灭弧能力和分合闸的动作过程没有影响，实际的分合闸动作过程是从t1时刻，也即铁芯开始动作的时间开始的。而当需要考虑响应时间对分合闸时间的影响时，则选择从t1时刻开始。在分合闸时间中考虑线圈响应时间的影响，线圈响应时间随着操作电压的变化而发生变化，从而使分合闸时间也随操作电压的变化而发生变化，造成了操作电压对分合闸时间的影响。

因此分析分合闸时间标准偏差时，应将不同的起始时间作为影响因素。当从t0开始计算时，分合闸时间随操作电压而发生变化，能监测到操作响应时间对分合闸数据的影响；当从t1开始计算时，可以剔除响应时间的影响。对比2 种不同的起始点选择，选择t1时刻为起始点时，得到的分合闸时间更贴近实际的断路器动作情况，该过程更适合表征断路器的机械特性，在反映断路器动作过程的时间、评价断路器机械性能和分析断路器的故障与状态方面，具有更准确、更真实且更贴合实际的特点。

4 结语

该文对高压断路器分合闸开始时间进行分析，将试验数据与理论分析相结合，对分合闸时间的整理计算，阐明了操作电压对分合闸时间的影响。解决了在机械特性试验中分合闸时间点的选取问题，指出了操作电压对分合闸时间过程的实际作用，确定了线圈响应时间所在的时间段，通过选择不同的开始时间得到了更准确、更贴合实际动作过程的分合闸时间。