基于综合试验分析的高压断路器分合闸线圈可靠性研究

云南电网有限责任公司玉溪供电局 唐 山 李 昭

高压断路器作为电力网络中非常重要的一次控制及保护设备，在运行中负责接通和断开电力回路，在电网发生故障时及时隔离和切除电网故障的重要控制设备，如果高压断路器由于自身设备问题不能在电网发生故障时快速、准确、可靠地断开与故障点的连接，电力事故可能会进一步扩大，造成电网大面积停电甚至电网事故[1]。如今的电力网络，可靠性已成为高压断路器影响电力系统安全稳定运行的重要因素之一。相关的统计数据表明，在断路器故障中有43%～45%是由机械故障引起的[2]，且分合闸线圈作为断路器动作指令执行第一单元，其能否可靠动作决定了断路器后续整个过程的成功率。

目前，高压断路器分合闸线圈检测存在检测手段单一、隐患排查困难等问题。本文提出了通过直流电阻测试、电流状态监测、通流能力检测、频率响应测试和匝间绝缘测试多维度评估分合闸线圈可靠性的研究方法，并在某一起分合闸故障分析中进行应用。

1 分合闸线圈综合试验研究方法

本研究方法为一种流程化试验检测方案，涉及5个维度、2种检测方法（无损、有损），试验顺序如图1所示。

图1 分合闸线圈综合试验流程图

本文针对某分闸线圈开展综合性检测后，通过线圈解体验证了本检测方案的可行性、准确性。

1.1 直流电阻测试

直流电阻试验可以检查线圈引线的焊接或连接质量、绕组有无匝间短路或开路等缺陷[3]。

本文对比故障线圈、正常线圈，分别开展直流电阻测试，对试验中发现的异常数据进行判断分析，详见表1。

表1 直流电阻测试情况

通过对比两只线圈的直阻测试结果可见，故障线圈的直阻达到645kΩ，远高于规定值，初步判断故障线圈内部可能存在断线。

1.2 频率响应测试

高压断路器的线圈绕组在频率为50Hz 的电压作用下，可视为一个由线性电阻、电容、电感等元器件构成的无源双口网络，网络内电阻、电容、电感等元件各项参数与该网络的传递函数H（jω）的函数值密切相关。假如线圈绕组发生过短路、变形或断路等故障，那么线圈绕组的传递函数也会在测试中相应地发生一定的变化，也就是网络的频率响应特性随即发生相应的变化[4]。常见的测试方法，可通过在线圈绕组的一侧施加预先设定频率信号，通过测试设备，在绕组另一端接收相应的测量响应信号，通过对比计算两端信号变化的幅值比，得到线圈的频率响应曲线，通过对比输入不同频率的响应曲线判断绕组状态[5]，分别对故障线圈、正常线圈开展频率响应测试，测试结果如图2～图4所示。

图2 正常线圈的频率响应测试曲线图

图3 故障线圈的频率响应测试曲线图

图4 频率响应测试曲线对比图

通过以上3张图可知，故障线圈频率响应数值为负数，说明线圈对外呈现容性，即线圈内部存在断线。

1.3 电流状态监测

分合闸线圈作为断路器分合闸控制模块中最重要的元器件，当控制回路中动作电流来到线圈时，线圈随即在内部产生大量的磁通，电磁力会驱动线圈内部的铁芯进行运动，使断路器机构进行分合闸。在线圈带电动作过程中，其产生的电流波形中包含了大量的线圈状态信息，例如线圈铁芯是否存在卡涩迟滞，线圈是否匝间短路、断路，断路器脱扣机构是否存在阻滞等。

从线圈接通电流，到建立磁场吸引铁芯运动的整个期间，流经线圈的电流会呈现明显的规律，试验时通过钳形霍尔传感器监测记录线圈动作电流的各项状态，可得到许多状态信息，以判断线圈本身及铁芯运动是否存在异常等，例如线圈内部是否存在匝间短路，如果短路，其电阻值会减小，电阻值减小后测得的电流值比正常动作时偏大，此时应立即更换线圈，防止线圈烧毁，甚至造成断路器拒动。试验电流远低于正常线圈电流，判断线圈内部存在断线。

1.4 通流能力检测

线圈得电动作时，本身要消耗一部分能量，包括铜损耗、铁芯损耗、附加损耗等，该损耗转换为热能，使线圈温度升高。正常线圈在长期通过小电流或短时通过额定电流时，单位时间内产生热量与散发热量相等时，线圈温度将升高趋近于稳定值。反之，若存在匝间短路或绝缘性能下降问题，可能引起线圈过热，温升异常。

根据南方电网公司发布的《110kV-500kV 组合电器（GIS 和HGIS）技术规范（通用部分）》第5.2.4.7部分要求：线圈的通流能力应满足在额定电源电压下或额定电流下通电10次，每次1s，两次通电时间间隔取10s，线圈不烧毁，且温升不超过40K。线圈骨架应采用耐热等级不低于E 级的绝缘材料。线圈应在长期通过电流50mA 不发生烧坏，且温升不超过40K。

线圈标准阻值温度折算系数：

Tx表示环境温度，R20表示20℃时线圈标准阻值。

经测试，目标线圈温升不变，进一步验证线圈内部存在断线，无法正常通流。

1.5 匝间绝缘试验

线圈匝间绝缘试验可以考验线圈的匝间绝缘性能，试验中分别给故障、正常线圈施加3kV 脉冲电压，使线圈在振荡回路中产生自激振荡，通过判断冲击电压在故障、正常线圈引起的衰减振荡波形是否存在区别，来检验线圈匝间绝缘是否保持正常。本文将自激振荡的波形与标准波形进行比较来判断线圈的匝间绝缘，试验结果如图5～图6所示。

图5 正常线圈匝间绝缘试验情况

图6 故障线圈匝间绝缘试验情况

从匝间绝缘试验结果看，故障线圈的匝间绝缘试验脉冲波形前期出现振荡现象，可能存在匝间绝缘破损或断线。

2 线圈解体检查推论验证

对故障合闸线圈进行解体检查，发现线圈铜丝存在断线，如图7所示，验证以上试验中线圈绕组断线判断均正确。

图7 故障线圈解体检查情况

3 结语

本文提出了结合直流电阻测试、电流状态监测、通流能力检测、频率响应测试、匝间绝缘测试的综合分析研究方法，实际对比分析故障线圈与正常线圈试验数据及波形，初步判断线圈内部铜线存在断线，并通过线圈解体得以验证。该研究方法提供了多种线圈可靠性的检测手段，从多维度提供试验参考，实际工作中灵活组合运用检测手段，可及时发现处理线圈隐患、缺陷，有效预防断路器拒动事故，提高电力系统稳定性。