(广州供电局有限公司电力试验研究院，广东 广州 510000)

0 引 言

断路器在电力系统中起到控制电网运行和保护电力设备双重作用，其可靠性直接影响着电力系统的安全经济运行。有关统计表明，断路器操作机构机械故障占43.5%,因此断路器操作机构的安全可靠性直接影响着断路器的安全可靠性[1-5]。

国内外专家学者对断路器操作机构状态评估方法做了大量研究，如线圈电流曲线[6-9]、触头行程-时间曲线[10-12]、振动信号[13-14]、辅助触头转换时间[15]等，其中研究较多的是线圈电流与触头行程。文献[6-9]研究了基于线圈电流曲线对断路器操作机构的状态评估。文献[10-11]研究了基于触头行程-时间曲线对断路器操作机构故障的诊断，但都未对线圈电流曲线与触头行程-时间曲线这两种断路器操作机构状态评估方法进行对比研究。

下面对断路器操作机构的线圈电流特性与触头行程-时间特性进行了分析，对断路器操作机构同一缺陷在线圈电流曲线与行程-时间曲线上的反映进行了对比研究。对比实验研究表明，针对铁芯卡涩、线圈电压电阻变化、辅助触头灭弧困难、弹簧疲软等故障，线圈电流曲线相比于行程-时间曲线能更灵敏、更准确地反映故障。为断路器操作机构状态评估方法的选择提供了参考。

1 操作机构机械特性

1.1 分合闸线圈电流特性

高压断路器操作机构动作是通过线圈通电产生电磁力带动铁芯撞杆撞击触发器来释放储能，从而带动传动机构动作。由于直流电磁铁的可靠性更高，且易于频繁动作，因此在高压断路器操作机构中得到广泛应用，其等效电路如图1所示。

图1 直流电磁铁等效电路

图1中，R、L(x)、x、i(t)和U分别为线圈回路总电阻、线圈等效电感、铁芯位移、线圈电流和控制回路电压。由于线圈等效电感与线圈匝数、总磁阻有关，总磁阻随着铁芯位移变化，所以线圈等效电感随着铁芯位移的变化而变化。根据图1所示电路，线圈电压回路可以用式(1)表示。

(1)

对式(1)中的电流、电感求偏导得

(2)

式中，v为铁芯运动速度。

操作机构的线圈电流随着铁芯运动状态的变化而变化，故铁芯运动过程的异常状态在线圈电流上会有所反映，线圈电流可评估操作机构的机械状态。这里以合闸操作为例，对电磁铁动铁芯运动过程进行分析，图2为典型合闸线圈电流曲线。

图2 典型合闸线圈电流曲线

合闸线圈电流曲线可分为4个阶段。

阶段1(t0-t1)：t0时刻，线圈通电；但由于开始时线圈的电流太小，电磁铁产生的电磁力小于静摩擦力，铁芯静止在原处，电感为定值，所以线圈电流呈指数规律增加。此阶段电流可表示为式(3)，电流上升速度可表示为式(4)。

(3)

(4)

由式(3)、式(4)可知，当线圈电压增大时，线圈电流最大值增大，线圈电流上升速度增大，阶段1的持续时间减少。当线圈电阻增大时，线圈电流最大值减小，线圈电流上升速度减小，阶段1的持续时间增长。当铁芯初始气隙增大时，初始电感减小，电流上升速度增大，且需更大的电流产生电磁力。当铁芯动作前存在卡涩故障时，静摩擦力增大时，需要更大的电磁力才能使铁芯运动，使阶段1的持续时间增长。所以阶段1的电流曲线能够反映线圈回路电压、电阻、铁芯初始气隙、铁芯动作前卡涩的问题。

阶段2(t1-t2)：t1时刻，线圈电流产生的电磁力大于静态阻力，铁芯开始运动，铁芯的运动速度开始增大，同时随着铁芯位移，线圈电感增大，线圈电流下降。t2时刻，铁芯运动到位，产生的碰撞反作用力使铁芯停下来，电磁铁的电磁力使铁芯保持在终点处。当铁芯在运动过程中存在卡涩时，铁芯的阻力增大，铁芯加速度发生变化，线圈电感增长率变化，阶段2的线圈电流曲线会发生畸变。所以根据阶段2的线圈电流曲线可以反映铁芯是否卡涩。

阶段3(t2-t3)：t2时刻，铁芯运动到位，动铁芯静止，气隙变化，磁阻不变，电感达到最大值，线圈电流按指数规律上升。阶段3电流可表示为式(5)。

(5)

由式(5)可知,阶段3的线圈电流与线圈电压与电阻有关，且当铁芯顶杆连接的阀门或锁扣机构存在缺陷，使铁芯发生抖动，将会使电感不断变化，使线圈电流曲线产生波动。

阶段4(t3-t4)：阶段4为电流切断阶段。t3时刻，辅助触头转换，断开线圈电源，电流下降。当辅助触头存在故障时，灭弧时间拉长，甚至无法切断电流。

1.2 触头行程-时间特性

图3为操作机构分合闸触头典型的行程-时间曲线。

阶段1(ta-tb)：ta时刻，发出分合闸命令，电磁系统动作，tb时刻撞杆撞击触发器，动触头动作，这一阶段为动触头的固有动作时间，分合闸线圈电压、回路电阻及铁芯卡涩故障将反映在固有动作时间上。

阶段2(tb-tc)：tc时刻，断路器刚分或刚合。此阶段为动触头的运动过程，通过动触头的速度情况反映储能机构情况与传动机构卡涩情况。

阶段3(tc-td)：td时刻，动触头分闸或合闸完成，停止运动。此阶段反映了动触头的弹跳情况。

行程-时间曲线中固有动作时间ta-tb与阶段2的平均速度v是反映断路器操作机构状态的2个重要特征参数，可用来判断电磁系统、传动机构故障情况。

图3 典型的分合闸触头行程-时间曲线

2 线圈电流曲线与行程-时间曲线对比

将正常机构、故障机构的线圈电流曲线与行程-时间曲线进行对比分析。图4为正常机构与卡涩故障机构的线圈电流曲线与行程-时间曲线。

从图4(a)可明显看出，故障机构的线圈电流曲线在阶段2产生了畸变，可知铁芯运动过程中存在卡涩。从图4(b)可知正常机构的固有动作时间14.8 ms，平均速度4.8 m/s，刚分时刻34.6 ms，刚分速度5.67 m/s。故障机构固有时间17.6 ms，平均速度4.8 m/s，刚分时间37.3 ms，刚分速度5.76 m/s，可以看出故障机构行程曲线右移，固有动作时间增长，刚分时刻延后。所以，铁芯卡涩导致线圈电流在阶段2发生畸变，导致固有时间增长，刚分时刻延后。

同一机构不同电压下的线圈电流曲线与行程-时间曲线如图5所示。

从图5(a)可明显看出，电压降低导致线圈电流幅值降低，阶段1时间增长。从图5(b)可知额定电压情况下的机构固有动作时间41.6 ms，平均速度2.90 m/s，刚分时刻80.0 ms，刚分速度3.62 m/s。电压降低情况下机构固有动作时间42.7 ms，平均速度2.88 m/s，刚分时刻83.8 ms，刚分速度3.66 m/s。可以看出电压降低的行程-时间曲线右移，固有动作时间增长，刚分时刻延后。所以，电压降低导致线圈电流幅值降低，阶段1时间增长，固有动作时间增长，刚分时刻延后。

图4 正常与卡涩故障情况下电流与行程曲线

图5 220 V与198 V电压下的电流与行程曲线

故从图4(b)与图5(b)可以看出铁芯卡涩和线圈电压降低都会导致行程-时间曲线右移，固有动作时间增长，刚分时刻延后。故从行程-时间曲线上无法分辨这两种故障。但在线圈电流曲线上，这两种故障有明显的差别。

正常机构与灭弧困难故障机构的线圈电流曲线与行程曲线如图6所示。

图6 正常与故障情况下电流与行程曲线

从图6(a)、(c)、(e)、(g)电流曲线可以明显看出在电流切断阶段，灭弧困难故障机构的电流无法快速被切断，灭弧时间过长。但从图6(b)、(d)、(f)、(h)对应的行程曲线上来看，正常曲线与故障曲线基本重合，无明显变化，其行程-时间曲线特征量如表1所示，tb为固有动作时间，tc为刚分时刻，v1为平均速度，v2为刚分速度。从表1中特征量可明显看出正常与故障机构的行程-时间特征量都没明显差异。故线圈电流曲线相较于行程曲线判断机构灭弧困难更明显，更准确。

提取同一机构分合闸不同动作次数情况下的机械特性曲线，研究不同弹簧疲软程度在线圈电流曲线和行程时间曲线上的反映，如图7、图8所示。

表1 行程-时间特征量 单位：ms

图7 不同弹簧疲软程度下的分闸电流与行程曲线

图8 不同弹簧疲软程度下的合闸电流与行程曲线

从图7(a)、图8(a)电流曲线可明显看出来，动作次数越多，弹簧疲软程度越大导致线圈通电时间越长。但从图7(b)、图8(b)上来看，动作次数增多弹簧疲软程度的增大在行程-时间曲线上却基本没反映，不同动作次数的曲线基本重合。其行程-时间曲线特征量如表2、表3所示，从表中特征量也可明显看出，不同弹簧疲软程度下的行程-时间特征量都基本无差异。故线圈电流曲线相较于行程-时间曲线判断弹簧疲软程度方面更简单更明显。

表2 不同弹簧疲软程度下的分闸行程时间特征量

表3 不同弹簧疲软程度下的合闸行程时间特征量

3 结 语

从理论上分析了断路器线圈电流曲线与行程-时间曲线的各阶段影响因素。通过将故障机构与正常机构在电流曲线和行程曲线上进行对比可知：

1)铁芯卡涩、线圈电压降低、线圈电阻增大、空行程增大在行程曲线上都反映为曲线右移，固有动作时间延长，刚刚分闸时刻延后。行程曲线无法区分故障类型，但在电流曲线上，故障表现明显且易于区分。

2)灭弧困难在电流曲线上反映为电流切断阶段时间延长，但在行程曲线却基本无任何反映。

3)弹簧疲软程度的增加，在电流曲线上反映为线圈通电时间增加，但在行程曲线上也基本无任何反映。

综上所述，线圈电流曲线比行程-时间曲线能更灵敏更准确地反映铁芯卡涩、线圈电压电阻变化、辅助触头灭弧困难、弹簧疲软故障。为之后的断路器操作机构状态评估方法的选择上提供了参考方向。