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高压断路器的延时性 摘要 断路器的操作影响着一个电力系统的可靠性 断路器状态的一个良好指标是 它的开关时间 基于此 一些断路器的违规操作可在发生故障前被探测出来并移 除 在本文中 针对弹簧传动和液压传动两种不同的断路器 提出在不同的故障 情况下的时间测量评估 此外 断路器开关的时间与故障类型位置之间的关系也 将推论出来 因此 故障趋势的影响也将予以考虑 关键词 断路器 保养 时机 条件评估 可靠性 1 引言 如今 一个电力系统的可靠性非常重要 断路器作为电力系统中最重要的组 成部分之一 其可靠性至关重要 因此 使用特殊的线路和离线测量系统来评估 断路器的状态 它们的任务是报告断路器操作过程中的各种变化 然而 断路器 是运行在各种不同的状态下的设备 像额定 短路电流或高 低环境温度 它的操 作时间并不能等同于所有情况 因此 故障状态必须与正常运行状态区别开 然 而 似乎并不是一项微不足道的任务 本文所考虑的检测技术是开关切换时间的测量 即所谓的延时性质 为检测 出故障 在不正常情况下测量的时间要与参考时间相比较 虽然这种检测方法非常老 用这种方法却很少能检测出故障 造成这种情况 主要是因为故障率非常小 相当于每 100 个断路器每年发生 6 次故障 由于如此 小的故障率 关于这方面的知识获得也就大大减慢了 为了加快学习的进程 就 要做一些像本文中一样的理论思考工作 在这里 不正常操作过程中的时间测量 并非在真正的断路器上进行 而是利用数字模型来模拟 为达到这个目的 必须 制造两种不同的 110kV6SF断路器的数字模型 一个是弹簧驱动 另一个是液压 驱动 为考虑发生在现实中的情况 将模拟故障从 TU Darmstadt 电力系统研究 所的故障数据库中选出 2 传感器与延时性的定义 时间测量可以通过各种方式来实现 最简单的方法就是测量每个断路器都拥 有的辅助接触信号之间的测量时间的差异 然而 这种接触并不直接针对这种测 量 它们的任务是确定断路器实际位置或存储能量的多少 因此 测量的结果可 以换算成故障 另一种可能性是用传感器的位置 线性的或角度的 来确定时间 特性 图 1 tO 断开时间 从信号发出到断路器连接处分离的时间 tOFF 断路器断开的动作时间 所选定曲线上 99 到 1 两点之间的时间间 隔 tC 关闭时间 从发出关闭信号到断路器连接处机械连接所用的时间 tON 闭合时间 与 tOFF 相似 只是曲线的方向改变 然后读出开关切换时间 因为断路器元件在开关切换时发生弯曲 故指定的 传感器的位置也有一定含义 正常情况下 传感器 电感 电容式传感器 被安 装在断路器的低压侧 然而 准确的链接位置的测量只有在传感器安装在它们的 邻近区域内才能够进行 这就要求运行昂贵的光学位置传感器 各种传感器已经 被更加准确的描述过 因此 数字模型允许任何可移动元件产生特性曲线和准确 的时间 为避免计量不足 得到明确的启动和停止测量点 必须确定两个辅助值 曲 线的 99 和 1 由于最终连接处的震荡 它们不应等同于端位置而应尽可能地 靠近它们 设置测量点太宽会导致重要信息丢失 如阻尼效率 3 断路器的数字模型和参考时间 故障的影响将分别在弹簧驱动和液压驱动的 110KV6SF高压断路器数字模 型中予以考虑 这两种数字模型都在 MATLAB SIMULINK 程序中建立 机械环 境可利用 SimMechanics 工具箱模拟出来 断路器其它部分像电动机 控制线圈 释放线圈和油也都可利用标准的工具箱建立 重要要提及的是本文的意图不是比较断路器运行方式 而是分析故障的影响 此外 这里提及的延时性不包括开关电弧的影响 已经假定断路器只在额定电流 下开断 延时只在定期离线维修时发生 模拟的确切描述与本文所考虑的问题并不相关 所以被忽略 这个论题的附 加数据可在 5 和 6 中找到 3 1 弹簧驱动断路器的参考时间 图 2 显示了一个弹簧断路器的模型 闭合开关所需的能量储存在位于驱动中 的一个弹簧器之中 这个弹簧被电动机拉紧 在一次闭合开关的过程中 螺旋弹 簧驱动一个可以带动拉杆系统的离心杠杆 使发生接触运动 拉紧存储着断开开 关所需能量的弹簧 在高传动力的影响下 拉杆在操作过程中发生弯曲 这个拉 杆的性质用弹簧来模拟 重点要注意的是开关所需的能量从两个不同的部位传送 断开开关的弹簧 极 3 闭合开关的弹簧 驱动 延时性这一事实的相关性 将在下章予以解释 图 3 显示了断路器开关连接的时间和位于开 关顺序驱动中的离心杠杆的 角度之间的特性 可以注意到 在最后位置曲线震荡超过了离心杠杆的角度 另 外 在闭合开关的过程中 曲线上的值要比平衡位置的值高 在图3上是135ms 这是由于杠杆的弹力和离心杠杆的过度离心造成的 根据表 1 弹簧驱动断路器的开关时间已经从仿真曲线上读出 高电流的曲 线在每一极发生接触 离心杠杆的角度也已单独获得 时间测量的结果如表 1 所示 表 1 弹簧驱动断路器在开关切换时参考时间 tO ms tOFF ms tC ms tON ms Cs pole1 18 208 29 110 25 996 29 794 tO ms tOFF ms tC ms tON ms Cs pole2 18 196 26 771 26 278 29 233 Cs pole3 18 174 26 698 26 509 28 874 ELa drive 18 219 31 317 25 952 31 859 根据表 1 第一依赖时间被界定 第一极的开关断开所需的时间 tOFF 要比其 它极长 原因是驱动的位置 在开关闭合过程中 系统中的所有元件都向下运动 为避免驱动中机械元件的碰撞 这些运动部件的运动速度必须降低 这由连接在 驱动中的离心杠杆装置上的节气阀来完成 这也是为什么离心杠杆角度的 tOFF 是 最长的原因 对第一极来说 阻尼是最强的 因为其它极和阻尼器之间存在起弹 性组件作用的额外杆 阻尼力并不能立即传送 观察 tO 可以注意到离驱动器最远的极的开关闭合时间是最长的 3 2 液压驱动断路器的参考时间 液压驱动断路器如图 4 所示 在这种驱动方式中 开关切换所需能量储存在 盘形弹簧中 能量通过高度压缩的油 大约 450bar 传送 该断路器有两个阀 门控制着油通过主要活塞下面的容量流入 开关断开 或流出 开关闭合 活 塞的运作要根据不同的活塞原则即活塞上面区域面积要小于下面的 所以 如果 活塞两边的压力是相同的则活塞向上运动 主要活塞的运动导致水平轴的旋转和 拉杆的垂直运动 在上述的驱动方式中 驱动器安装在三极断路器的中间 第二极 这就意味 着开关切换所需的能量由一个点所提供 而不像弹簧驱动断路器那样 结果 1 极和 3 极之间的时间测量并无差别 类似的 以前的断路器类型的 tOFF tON在离 驱动器最近的极上是最长的因为主要活塞的位置 这也可在运动阶段的末尾作为 阻尼器来操作 表 2 液压断路器在开关切换过程中的参考时间 tO ms tOFF ms tC ms tON ms Cs pole1 33 409 26 21 52 823 41 57 Cs pole2 33 265 29 19 52 903 42 18 Cs pole3 33 409 26 21 52 823 41 57 MPs drive 32 527 28 64 53 816 41 50 4 故障 异常诊断 模拟仿真的故障 异常从包含有6000个故障记录的SF6 和半油式断路器的数 据库中选择出来 这些数据以组的方式被结合在一起 表 3 所给定的数字表 分比在一个组中共用一个次等组 表 3 从模拟仿真中选出来的带有组成部分的数据库结构 由于结构类似 life parts 中的故障元件被认为是独立驱动的 与时间性相关 的故障组为黑体的 4 1 阀门 锁存器电源电压 如果合格的断路器开关的各项要求均满足 则将电压加在阀门 锁存器释放 线圈上 在一些情况下 例如 当所有保护单元的母线发声故障时 辅助电压便 可以切断故障 这已经直接地影响了电流 进而影响与电流平方成正比的线圈反 作用力 如果线圈反作用力比所有摩擦都大 阀门 锁存器便开始动作 由于电 枢线圈的运动改变其电感 因此 线圈电流分布具有表示特性的局部最低点 如 图 5 为了确定是什么影响了具有与延时性相关的辅助电压 额定电压的 90 100 与 110 三种情况被模拟出来 液压驱动断路器的结果已显示在图 5 中 越高的电源电压可导致越快的阀门开关切换 对于这个线圈 一个完整的阀 门开关切换需 4ms 阀门运动的末端由线圈电流特性曲线的局部最低点显示 不同电压等级液压驱动断路器的主要活塞运动的的延时在表 4 中显示出 表 4 中的数据是与参考时间的时间差异 因此这些差异与 MPS 开关切换时间相关 表 4 不同电压等级下与 MPS 时间相关的液压断路的时间差异 dtO dtOFF dtC dtON ms ms ms ms 90 of Ur 2 85 8 8 0 00 0 0 2 86 5 3 0 00 0 0 110 of Ur 2 07 6 4 0 00 0 0 2 08 3 9 0 00 0 0 只有电源电压的变化影响着关闭 开端时间的差异 tO和 tC 电源电压 下降 可使用时间差异上升 这个结果表明操作时间高度依赖于电 源电压 在相同的电源电压下 关闭 开断时间是不相等的 大约有 的不同 这个是由阀门中油流动方向的改变所引起的 在开断时 油流推动阀门 加快了 它的速度 弹簧具有不同的结构和其他的线圈 由于磁铁电枢 手臂尺寸较小 对于锁 存器的断开的命令要较快的发出 图 可以看出 锁存器动作从电压适用点 数起 后结束 这比液压断路器要快 因为弹簧断路器反应时间较短 电压变化也将导致更短的关闭 断开时间差 异 表格 对于这种驱动类型 没有额外的动力 作用于电枢线圈 因此 在 相同电压下 关闭 断开时间是相同的 表 与 延时性相关的不同电压等级下弹簧断路器时间差异 dtO dtOFF dtC dtON ms ms ms ms 90 of U 0 25 1 4 0 00 0 0 0 25 1 0 0 00 0 0 110 of U 0 21 1 2 0 00 0 0 0 21 0 8 0 00 0 0 4 2 释放组件 阀门 锁存器 线圈 的故障 因为阀门 锁存器与线圈核心相连接 这些组件的故障 违规反应在线圈电 流剖面 图 上 允许检测以下违规行为 释放线圈短路 通常线圈 的阻抗在 范围内 模拟出 的违规行为显示出 的线圈短路时的情况 较高的线圈阻抗 在这种情况下 夹子的腐蚀增加了所过路径的阻抗 阀门摩擦力较低 由于轴承的磨损导致的 阀门摩擦力太大 可能由移动部件的腐蚀造成 与图 相应的时间测量如表 所示 为保证结果与其他情况下结果的可比性 模拟时辅助电压有一个额定值 表 与 延时性相关的液压断路器释放组件不同故障时的时间差异 dtO dtOFF dtC dtON ms ms ms ms Ffric 10 N 1 75 5 4 0 00 0 0 1 76 3 3 0 00 0 0 Ffric 10 N 2 31 7 1 0 00 0 0 2 32 4 3 0 00 0 0 Rcoil 5 0 83 2 5 0 00 0 0 0 84 1 6 0 00 0 0 Rcoil 5 1 21 3 7 0 00 0 0 1 22 2 3 0 00 0 0 Ffric 阀门摩擦力 Rcoil 线圈和它接触电阻 释放组件的违规行为不影响 tOFF和 tON 唯一影响的是承接时间的改变 tC 和 tO 当线圈内部短路或阀门摩擦力较小时 断路器将会被更快的切断 闭合 与此相反 高摩擦力和线圈夹的腐蚀会使开关动作延迟 时间差异的数值也会高 出 ms 这意味着它很容易被大部分测量系统获得 类似的效果也可在弹簧断路器中观察到 不同之处在于对于这种断路器差异 的程度降低了 10 倍左右 比较表 4 和表 5 4 3 弹簧的阻尼器故障 阻尼器故障很大程度是因为泄露 这类故障仅适用于弹簧断路器 其效果是 延迟阻尼器的活跃点 表 7 显示了活跃点被推迟了 1mm 的仿真结果 表 7 弹簧驱动阻尼器效率较低 由泄露造成的 时时间差异 dtO dtOFF dtC dtON ms ms ms ms Cs pole1 0 00 0 0 1 47 5 0 0 03 0 1 0 40 1 4 Cs pole2 0 00 0 0 0 28 1 0 0 02 0 1 0 23 0 8 Cs pole3 0 00 0 0 0 13 0 5 0 02 0 1 0 17 0 6 ELa drive 0 00 0 0 0 43 1 4 0 02 0 1 0 02 0 1 dtO 不会改变 因为阻尼器只有在断开动作的最后阶段起作用 dtOFF 将会缩 短 因为故障阻尼器吸收能量较少 偏心杠杆移动的更快 也更早的到达它的最 低点 最高的 dtOFF差异出现在离驱动器最近的第一极 这个例子表明了一个问题 在快速切换时 时间 dtO 和 dtC 应该等于 0 因 为只有在开关断开的过程中阻尼器才起作用 然而 开关切换后 开关元件并不 停留在它们断开的位置 但它们仍然轻微的震荡 此外 如果阻尼器在产生更高 频率的震荡上效果比偏心杠杆差 如果关闭信号来得快 理想情况在 80ms 后 则仍然在关闭开关过程中震荡系统将伪造延时性 阻尼器故障的其他监测可能性 像偏心杠杆使用速度或阻尼器脉冲如 6 中所描述 4 4 用于操作的储能的损失 增加 泄露 弹簧设备故障 泄露减少了储存在液压驱动中的总能量 然而这些能量不会减少到 0 因为 它会被电机泵系统重新填装 在理想驱动器中 如果能量储存至 53mm 所储存 的能量最大 因为泄露 这一位置下降 当它到达 50mm 时 泵会被打开 因为 这些原因 针对发生在现实中的充分 53mm 和部分储能 50mm 两种储能 情况进行模拟 表 8 显示了不同能量水平和开关切换顺序 仅仅对于开关打开 下 液压断 路器的时间差异 考虑的情况代表断路器的正常运行状态 表 8 与 MPS 延时性相关的在不同能量等级和开关切换顺序下的时间差异 dtOFF dtO ms ms Fully loaded first open of O C O 0 00 0 0 0 00 0 0 Fully loaded second open of O C O 5 74 20 0 0 48 1 5 Partially loaded first open of O C O 0 27 0 9 0 04 0 1 Partially loaded second open O C O 5 87 20 5 2 11 6 5 dtOFF dtO ms ms Fully loaded C O 0 65 2 6 0 13 0 4 Partially loaded C O 1 15 4 0 0 23 0 7 O 断开开关 C 关闭开关 一般来说 如果开关切换之前能量储存并不完全 会出现较长的运作时间 在液压驱动中 每一次操作都会导致储存能量的减少 而重新填充的过程要比开 关 开或关 开所需时间更长 因为这个原因 第二次和第三次切换比第一次 耗时长 如前面例子 弹簧断路器中的开关切换能量并不会改变 这里 每一种储存 在弹簧中的能量的变化都意味着一种故障 这些故障可能是由负荷程度不正确设 置或弹簧的物理性质变化引起的 表 9 与 ELa 延时性相关的弹簧驱动断路器的不同负荷程度下时间差异 dtO dtOFF dtC dtON ms ms ms ms OS 5 mm 0 27 1 5 1 09 3 5 0 29 3 6 0 91 2 9 OS 5 mm 1 15 6 3 0 90 2 9 0 29 0 9 0 25 0 8 CS 3 deg 1 31 7 2 0 00 0 0 0 45 1 7 0 00 0 0 CS 3 deg 1 69 9 3 0 00 0 0 0 49 1 9 0 00 0 0 OS 断开弹簧 CS 关闭弹簧 如果只给出表 9 很容易确定是哪个弹簧导致了问题 如果与参考开关切换 时间的 dtOFF 和 dtON的差异接近 0 dtO 和 dtC 是负数 则关闭开关弹簧负荷角度 太高 dtO 和 dtC 的符号正面变化则意味着负荷角度太低 对于被不适当的调整 的打开开关弹簧的负荷位置 类似的依赖关系可以确定 仅仅是 dtO 和 dtOF 再次 tC 和 dtON取决于来自先前的开关切换的震荡 4 5 接触故障 在长期的接触下 两个组合部分是指高电流接触和电弧接触 不幸的是数据 库并没有具体指出是什么导致了故障 因此 对两种假设情况进行仿真 第一种 是由电弧故障造成的摩擦力加倍 第二种是假设完全没有电弧接触 仿真结果分 别如表 10 和表 11 所示 以下参考时间百分比结果介绍被省略 因为大部分结果 低于 1 表 10 弹簧驱动断路器在第三极故障 双倍摩擦力 时时间差异 dtO ms dtOFF ms dtC ms dtON ms Cs pole1 0 051 0 118 0 000 0 041 Cs pole2 0 051 0 112 0 001 0 037 Cs pole3 0 060 0 081 0 000 0 051 ELa drive 0 053 0 122 0 000 0 047 表 11 弹簧断路器第三极故障台 无电弧接触 时时间差异 dtO ms dtOFF ms dtC ms dtON ms Cs pole1 0 053 0 144 0 000 0 042 Cs pole2 0 051 0 110 0 000 0 038 Cs pole3 0 061 0 073 0 000 0 050 ELa drive 0 055 0 121 0 000 0 046 鉴于此 时间 dtC并并不会发生改变 因为直到接触机械连接和故障出现在 这一点之后时 它才被测量 一般来说 摩擦力增加也会增加开关切换时间 所 有差异都是负的 故障一极中 dtO和 dtON比其他极要高 第 3 极中 dtOFF最短因 为打开开关的弹簧与 3 极之间距离是最短的即拉杆的开断阻力最弱 对表 11 中 的 dtOFF 也可作出类似的解释 然而 在这种情况下 系统移动更快 所有差 异都是负的 因为摩擦力更弱 再次 在故障极中时间差异 dtO和 dtON最高 对于液压断路器杰出故障做出类似的考虑 表 12 由于断路器的不同结构 对这种故障类型的清楚认识是不可靠的 对于弹簧断路器 时间差异可高达 150 s 而液压断路器仅仅 17 s 此外 最高的差异并不是由一个故障造成的 而是由上一次开关切换