试谈断路器机械特性试验

断路器机械特性试验(讲义)武汉市大洋新技术有限公司断路器机械特性试验断路器的分合闸时间，分合闸不同期程度，分合闸速度以及线圈的动作电压等，直接影响断路器的切合性能，并且对继电保护，自动重合闸装置以及系统的稳定带来极大的影响。对于油断路器，刚分速度的降低将使触头的燃弧时间延长，特别是在切断短路故障时，可能使触头烧损，喷油，甚至发生爆炸。而刚合速度的降低，若合闸于短路故障时，由于阻碍触头关合电动力的作用，将引起触头振动或使其处于停滞状态，同样容易引起爆炸，特别是在自动重合闸不成功的情况下更是如此。反之，速度过高，将使运动机械受到过度的机械应力，造成个别部件的损坏或缩短使用寿命，这是不允许的。断路器分合闸严重不同期，将造成线路或变压器的非全相接入或切断，从而可能出现危害绝缘的过电压。据国内运行经验，在断路器事故中，属于机械原因造成的占第一位，故现场对此应予以足够的重视。断路器的动作特性试验，应符合制造厂规定，否则须进行检修处理。1、分合闸时间和同期性的测量中华人民共和国电力行业标准 DL/T 846.32004对开关的分合闸时间有详细的定义：“合（闸）时间”：指接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间的时间间隔；“分（闸）时间”从开关分闸操作起始瞬间（即接到分闸指令瞬间）起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。70605040301020图 1早期的测量方法，多采用数字式电子毫秒表测量，现在此法已不被采用了。最为传统的方式是16线光线示波器，如图1中所测的结果，直接在光学感光纸上得到各断口的时间跳变波形图，在感光纸的时间坐标分格上进行分析，得到试验结果。此种方式是最传统、可靠的试验方式，但使用较为烦琐；操作此设备需要较有经验的人员；设备较重；夜晚加班操作极为不便，因为感光纸必须在较强光线下才能显现波形；受环保政策的影响，感光纸较难购买。因此近十年来，将计算机技术应用于断路器机械特性试验的电子仪器渐渐地多起来，为我们的现场试验提供了方便的条件。计算机技术应用于断路器机械特性的基本原理是：计算机同时对多个断口信号进行采样，不停地扫描计时，一旦检测到断口信号状态发生改变，即计时终止。用计算机计时，原理简单，测量准确度高，但是需对仪器有较高的抗干扰设计要求，因为仪器使用现场一般都在电磁场干扰较强的变电站内。现场的干扰源一般有两个，一个是仪器周围的强电磁场，可直接对仪器计算机进行辐射；另一个是试验时，邻近母线带电运行，通过仪器断口线感应过来的感应电压，在500KV环境下，此感应电压往往会达到几千甚至上万伏，此感应电压如不采取措施，直接进入仪器的计算机采样回路，势必对测量结果造成影响，严重者甚至会损坏仪器。因此，这种仪器的抗干扰设计相当重要，目前市面上各种机械特性仪器良莠不齐，在一定程度上体现在抗干扰设计上。周围电磁场辐射干扰一般用金属机箱，对主机进行屏蔽，将机箱外壳接好大地，一般都能解决。对于母线感应过来的感应电压干扰，通常的做法是采用光电隔离法，将现场断口信号（带强干扰）接入仪器的光电隔离的输入端，经过光电隔离，因为感应电压一般能量较弱，通不过光隔器件，而真正的断口信号则通过光隔器件传输到计算机，这样就将干扰电压从有用信号中滤除掉，达到了搞干扰的目的。接现场断口线 接仪器计算机（干扰电压）图 2当然，这里只是抗干扰设计的基本原理中的一种，真正实现起来，有许多因素和参数要考虑，这里不能一一列举，抗干扰电路设计的好坏，是衡量一台仪器优劣与成败的一个关键因素。关于相间同期测量的一个值得注意的问题：中华人民共和国电力行业标准DL/T 846.3-2004对开关的同期性定义如下：“开关合（闸）同期性”：开关合时各极间及（或）同一极各断口间的触头接触瞬间的最大时间差异；“开关分（闸）同期性”：开关分时各极间及（或）同一极各断口间的触头分离瞬间的最大时间差异。按以上理解及“相间同期”的顾名思义：可以指A、B、C三相各相中刚合时间的最大值之差，即为合闸相间同期；刚分时间的最小值之差，即为分闸相间同期。但是，一直以来，各开关厂及现场通用的办法是：A、B、C三相总共多个断口间，时间最大与最小之差值，即为相间同期，此种定义基本上为大家所接受，在此特加以说明。2、断路器的分合闸速度的测量按规程要求，应对断路器进行分合闸速度特性测试，其分合闸速度应符合制造厂规定。21 常用测速方法及开关测速的发展过程 电磁振荡测速法：电磁振荡器测速是一种传统的测速方法，由于结构简单，体积小和使用方便，早期为开关制造厂和运行部门广泛使用。它实际上是一个带铁芯的线圈，当线圈通工频电压时，铁芯上的衔铁以2倍电源频率振荡。如振荡器的线圈通以工频电流，断路器运作时，衔铁上的笔尖以每秒100周的振荡频率划出疏密不同的等幅波曲线，测速板与断路器动触头用机械方法连接在一起。如图3所示为测速板上绘制的合闸，分闸曲线。图 3用钢尺量出每个周波的长度L的厘米数，再根据公式V =L/t=L(cm) /0.01(s)=L（m/s）即得出每10ms一段的平均速度。应用振荡曲线计算断路器的刚分，刚合速度：Laa当试验电源为50Hz时，假设a为刚合点，由a点向前推一个周波在曲线上取点a，量出距离L(cm)，刚合点前0.01s的距离L(cm)即为刚合速度。V合=L/t=L(cm)/0.01(s)=L(m/s) 刚分速度依此原理.振荡曲线上最疏的地方，最大波峰距离LMaX值的厘米数,就是最大速度VMaX(m/s)。 转鼓测速仪转鼓测速仪是由转筒，传动系统和记录笔组成，转筒的长度由断路器的行程决定，转筒周长为500mm，由同步电机带动，转速为2转/秒，线速度为1000mm/秒。测量时，在转筒上履以直角坐标纸，其纵坐标表示断路器的实际行程，横坐标每mm代表1ms，记录笔在测速杆上，测速杆与动触头用机械方法连接在一起，开关动作时，测速杆上的记录笔在坐标纸上画出了行程与时间的关系曲线，如图：图 4 断路器动触头时间-行程曲线根据绘制的动触头行程与时间的关系曲线，在曲线上根据给出的超行程值，即可根据速度定义直接读出分合闸速度，(在时间行程曲线上测出刚合点前10ms所对应的纵坐标数，厘米数，即为刚合速度，m/s)。根据曲线，能直观判断断路器动触头在整个运动过程中有无机械卡滞和缓冲不良等异常现象。曲线上斜率最大处的速度即为最大速度。 图 5 光栅尺测速仪测速测试基本原理是在一根钢尺上打上很多间隔1mm.宽度为1mm的光栅孔，光栅尺与动触头机械相连，光栅尺随动触头在光对管中运动，光对管在光栅有孔时呈导通状态；隔断时呈截止状态。将光对管导通和截止的一系列方波信号输入到计算机进行处理，就很容易算出光栅(即动触头)运动的速度了。这种方法由于光栅尺的现场安装也不方便，光栅尺逐渐被旋转光电编码器所取代，其原理相同。这种方法的优点是：计算机直接参与了测试与运算，准确度可靠。缺点是随着开关种类的越来越多，运动机械千差万别，给光电编码传感器的安装带来了很大的问题。 滑线变阻器测速目前这是使用较多的一种测速方法，包括很多进口仪器和国内的较高档的仪器一般都使用这种方法。基本原理如图所示：信号地VCCA/D转换后直接输入到计算机采样与动触头的提升杆机械相连滑线电阻器根据断路器的总行程的长度，选配一根适当长度，线性度良好的滑线变阻器，一端接地，一端接电源，中间滑动端直接坚固地连接到开关动触头(或提升杆)上，随动触头的运动而滑动，变阻器滑片采样变动的电压值，经A/D转换后输入到计算机采样，进行数据处理，绘制成时间电压(即是时间行程)特性曲线，此曲线与转鼓绘制出的曲线基本相似，再经计算机处理得出试验结果。这是目前使用较广的一种测速方法，直观，计算机可直接读取结果，也可对时间行程曲线进行分析，缺点是需要针对不同的开关制作不同的安装支架，并且现场使用也需要有较强的安装使用经验。 旋转轴方法测速有很多种类的SF6开关，现场可以用来安装测速支架的地方较少或没有(尤其是GIS组合电器)，以前讲的几种方式都是直型方法测速，因为找不到传感器安装的地方，对这些开关测速就困难了。因此，有些开关制造厂采用在动触头传动杆的旋转轴上测速，也可以相应地绘制出时间行程曲线。旋转传感器分为两种，一种是旋转光电编码器，其基本原理同光栅测速；另一种是旋转变阻器，基本原理与直型变阻器相同，这就是我们通常所说的角速度传感器了。 测速的未来发展及展望以上介绍的几种测速方法及传感器，不管计算机是否参与了工作，都存在现场安装不便的问题，开关的检修现场一般停电时间有限，试验项目较多，不可能有很多时间供试验人员反复安装，调整测速支架。这样就给现场测速工作带来了很大的难度。寻找一种现场安装方便，测试快捷的万能通用传感器是仪器制造单位努力的方向。加速度传感器：积分变换积分变换行程速度加速度顾名思义：此种传感器所测的是动触头运动时的加速度信号，需对其进行一系列数学换算，最终得到所需的时间行程特性曲线。此种传感器主要表现在现场安装方便，只有运动部分，无静止部分，安装和拆卸都很方便，适用于各种类型的开关。目前，此种传感器的关键部件还依赖进口，技术难度较高，国内只有少数个别厂家掌握了该技术，该技术的现场使用还在推广阶段。22 测速时两个值得注意的问题 刚分(合)位置对刚分(合)速度的影响顾名思义，断路器刚分(合)位置是动、静触头刚开始分开(或接通)瞬间的位置，但目前尚无明确规定。目前确定刚分(合)位置的方法有两种：一种是以引弧环端面为准，即以超行程尺寸来确定刚分(合)点，如使用电磁振荡器，转筒测速仪等；另一种是用电气分断或接通来确定刚分(合)点，如使用光栅，滑线变阻器，加速度传感器等计算机参与的测速方法。由于实际上不能作到动触头绝对沿一直线运动，因此不能保证刚分(合)点的位置不变。由于刚分(合)点位置发生了变化，则据此计算出的速度值也会不同。 刚分(合)速度的定义：现在开关种类千差万别，每种开关给出的速度定义都不一样，当然，根据速度定义计算出的刚分(合)速度值也不一样，因此在测速前，我们必须知道开关制造厂的速度定义情况，方能得到正确的速度值。当然，现