CN104391245A - 一种断路器机械特性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断路器机械特性检测方法，断路器的控制回路以直流恒压供电，通过检测断路器控制回路的分合闸线圈电流，进而分析分合闸电磁铁的动作状态，最终判断断路器机械特性；其中，分合闸电磁铁的电压与电流对应关系采用表述：式中，U为线圈供电电压；R为线圈电阻；L为线圈等效电感；为进一步表达铁芯速度对电流影响，将上式化为：式中，δ为电磁铁气隙；ν为气隙变化速度即铁芯运动速度；本发明同现有技术相比，不仅能够检测所有操作机构为弹簧的断路器，包括传统检测技术无法检测的C-GIS开关，而且节约了检修人工和成本，提高了现场劳动生产率。

Description

一种断路器机械特性检测方法

[技术领域]

本发明涉及断路器检测技术领域，具体地说是一种断路器机械特性检测方法。

[背景技术]

目前，现有的检测断路器机械特性的技术，大都为通过开关的行程-时间曲线来定义并检测断路器的机械特性，由于其针对的开关种类比较单一，对于不同的断路器种类往往需要配备不同的传感器，并且需要检测的时间比较固定，只能在断路器大修的时间才能进行检测；除此之外，该检测技术的检测时间较长，接线也比较复杂，只能单一的检测时间参数，无法提供时间信息在内的断路器控制回路电流波形信息，并且对于已投运的C-GIS开关也无法检测，这给本领域的检测工作带来了不便。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种断路器机械特性检测方法，不仅能够检测所有操作机构为弹簧的断路器，包括传统检测技术无法检测的C-GIS开关，而且节约了检修人工和成本，提高了现场劳动生产率。

为实现上述目的设计一种断路器机械特性检测方法，所述断路器的控制回路以直流恒压供电，通过检测断路器控制回路的分合闸线圈电流，进而分析分合闸电磁铁的动作状态，最终判断断路器机械特性；其中，分合闸电磁铁的电压与电流对应关系采用下式表述：

$U=\mathrm{Ri}\left(t\right)+\frac{d\left(\mathrm{Li}\right)}{\mathrm{dt}}$

式中，U为线圈供电电压；R为线圈电阻；L为线圈等效电感；

为进一步表达铁芯速度对电流影响，将上式化为：

$U=\mathrm{Ri}\left(t\right)+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{vi}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\δ}}$

式中，δ为电磁铁气隙；ν为气隙变化速度即铁芯运动速度。

作为优选，将分合闸电磁铁的动作过程分为铁芯静止阶段、铁芯始动、铁芯撞击弯板、铁芯继续运动和铁芯运动到最大行程，其中，

1)铁芯静止阶段：即断路器发出分闸命令后，线圈两端上电，在T₀时刻前，铁芯未动；在T₀～T₁期间，电流按指数规律变化，该电流采用下式表达：

$i=\frac{U}{R}(1-e^{\frac{-t}{L_{\mathrm{\δ}=0}/R}})$

上升时间为： $t_s=\frac{L_{\mathrm{\δ}=0}}{R}\left(\frac{1}{1-I_{d}R/U}\right)=T_1-T_0$

式中，L_δ＝0为电磁铁气隙为0时的电感；

上式可见，线圈电压的变化、匝间短路造成的线圈电阻减小均影响T₁；线圈电阻的大小影响电流增长的斜率K₀；将T₁、K₀作为监测对象和故障诊断的依据；

2)铁芯始动：当电流增加到一定值时，电磁吸力大到足以克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力之和，即T₁时刻，铁芯开始运动，速度逐渐增加，电磁铁气隙逐渐减小，则电流也逐渐减小；

3)铁芯撞击弯板：在T₂时刻，铁芯撞击弯板，铁芯克服自身重力、弹簧弹力及脱扣半轴的反作用力，铁芯的运动速度降低，电流出现局部的增加；

4)铁芯继续运动：在T₃时刻，铁芯推动脱扣半轴转动后，继续向上运动，铁芯运动速度增加，电流出现局部的减小，T₃值的大小反映脱扣半轴阻力的大小；

5)铁芯运动到最大行程：铁芯运动到T₄时刻，达到最大行程并保持在此位置，此时的电感为另一常数，电流按指数规律上升到稳态值，稳态值由电源电压和线圈内阻决定。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)能够检测所有操作机构为弹簧的断路器，包括传统检测技术无法检测的C-GIS开关；

(2)据统计，60％-70％的断路器缺陷或故障是由断路器机构缺陷造成的，因此此项检测方法能够填补现有断路器机械特性检测对于断路器操作机构检测的空白；

(3)运用此检测方法只需要对比前后两次的检测波形就能判断出断路器机械特性的好坏，其判断依据简单，避免了“无病也修”的盲目检修现象，节约了检修人工和成本，优化了检修策略；

(4)运用此项检测方法，通过结合常规倒闸操作，测试并判断每台断路器仅需要1名运行人员，时间仅为10分钟；而传统的检测方法检修一台断路器则需2-3人，耗时2-3个小时；因此，本发明所述的检测方法极大的提高了现场劳动生产率，也避免了由于人员和设备数量差异巨大的矛盾导致的配网开关设备检修超周期现象。

[附图说明]

图1是本发明的分闸线圈电流-时间变化曲线图；

[具体实施方式]

下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：

本发明通过检测断路器控制回路的分合闸线圈电流来判断断路器机械特性的好坏。分合闸电磁铁在断路器操动机构中有重要地位，负责传递断路器分、合闸指令，以电磁力触发机械系统，完成分、合闸动作。分合闸电磁铁在长期运行会出现各种原因引起的铁芯卡涩、匝间短路等故障，将造成断路器机械性能的下降，严重时造成断路器的拒分、拒合、误分、误合。因此，对断路器分合闸电磁铁进行深入分析，能完全判断断路器机械特性的好坏。

断路器控制回路以直流恒压供电，检测一般采用包含信息量最丰富的电磁铁线圈电流来分析电磁铁的状态。电磁铁线圈电流曲线是电磁铁运动过程的动态曲线，包含电流与气隙及铁芯运动速度、电磁力与弹簧阻力及铁芯重力相互影响等丰富的信息，电磁铁电压与电流对应关系一般用下式表述：

$U=\mathrm{Ri}\left(t\right)+\frac{d\left(\mathrm{Li}\right)}{\mathrm{dt}}$

式中：U为线圈供电电压；R为线圈电阻；L为线圈等效电感。

为清晰表达铁芯速度对电流影响，上式可化为：

$U=\mathrm{Ri}\left(t\right)+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{vi}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\δ}}$

式中：δ为电磁铁气隙；ν为气隙变化速度即铁芯运动速度。

以下以分闸电磁铁为例，分析电磁铁工作状态，实测滤波后电流随时间变化如附图1所示，结合该附图，电磁铁的动作过程可分为以下几个阶段：

1)铁芯静止阶段：发出分闸命令后，线圈两端上电，在T₀时刻前，铁芯未动；T₀～T₁电流按指数规律变化，可用下式表示：

$i=\frac{U}{R}(1-e^{\frac{-t}{L_{\mathrm{\δ}=0}/R}})$

上升时间：

$t_s=\frac{L_{\mathrm{\δ}=0}}{R}\left(\frac{1}{1-I_{d}R/U}\right)=T_1-T_0$

式中：L_δ＝0为电磁铁气隙为0时的电感。

从上式可以看出，线圈电压的变化、匝间短路造成的线圈电阻减小都会给T₁带来影响；线圈电阻的大小将影响电流增长的斜率K₀；因此，将T₁、K₀作为监测对象和故障诊断的依据。

2)铁芯始动：当电流增加到一定值时，电磁吸力大到足以克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力之和；T₁时刻，铁芯开始运动，速度逐渐增加，电磁铁气隙逐渐减小，通过上述推导可知电流也逐渐减小。

T₁的值受到线圈电阻、电源、复位弹簧刚度、铁芯重量的影响，因此分闸、合闸电磁铁的T₁是不同的。

3)铁芯撞击弯板：在T₂时刻，铁芯撞击弯板，操动机构机械部分开始运动；在发生撞击后，铁芯的运动需要克服自身重力、弹簧弹力及脱扣半轴的反作用力，铁芯的运动速度降低，电流出现局部的增加。

T₂值受到铁芯行程、电源、线圈电阻的影响；T₂时刻开始到断路器动触头开始运动时刻，可以反映操动机构分闸装置中运动副阻力的大小。

4)铁芯继续运动：在T₃时刻，铁芯推动脱扣半轴转动后，继续向上运动，由于脱扣半轴的阻力减小，铁芯运动速度的增加，电流出现局部的减小；T₃值的大小在一定程度上能反应脱扣半轴阻力的大小。

不同的电源、线圈电阻、脱扣半轴阻力，T₃值会有一定的差异。

5)铁芯运动到最大行程：铁芯运动到T₄时刻，铁芯达到了最大行程并保持在此位置；此时的电感为另一常数，电流按指数规律上升到稳态值，稳态值由电源电压和线圈内阻决定，稳态值的大小可以反映断路器二次回路电源状态。

根据上述分析可看出，电磁铁电流信号能反映电磁铁本身、操动机构机械部分、二次回路电源的状态。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种断路器机械特性检测方法，其特征在于：所述断路器的控制回路以直流恒压供电，通过检测断路器控制回路的分合闸线圈电流，进而分析分合闸电磁铁的动作状态，最终判断断路器机械特性；

其中，分合闸电磁铁的电压与电流对应关系采用下式表述：

$U=\mathrm{Ri}\left(t\right)+\frac{d\left(\mathrm{Li}\right)}{\mathrm{dt}}$

式中，U为线圈供电电压；R为线圈电阻；L为线圈等效电感；

为进一步表达铁芯速度对电流影响，将上式化为：

$U=\mathrm{Ri}\left(t\right)+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{vi}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\δ}}$

式中，δ为电磁铁气隙；ν为气隙变化速度即铁芯运动速度。

2.如权利要求1所述的断路器机械特性检测方法，其特征在于：将分合闸电磁铁的动作过程分为铁芯静止阶段、铁芯始动、铁芯撞击弯板、铁芯继续运动和铁芯运动到最大行程，其中，

1)铁芯静止阶段：即断路器发出分闸命令后，线圈两端上电，在T₀时刻前，铁芯未动；在T₀～T₁期间，电流按指数规律变化，该电流采用下式表达：

$i=\frac{U}{R}(1-e^{\frac{-t}{L_{\mathrm{\δ}=0}/R}})$

上升时间为： $t_s=\frac{L_{\mathrm{\δ}=0}}{R}\left(\frac{1}{1-I_{d}R/U}\right)=T_1-T_0$

式中，L_δ＝0为电磁铁气隙为0时的电感；

上式可见，线圈电压的变化、匝间短路造成的线圈电阻减小均影响T₁；线圈电阻的大小影响电流增长的斜率K₀；将T₁、K₀作为监测对象和故障诊断的依据；

2)铁芯始动：当电流增加到一定值时，电磁吸力大到足以克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力之和，即T₁时刻，铁芯开始运动，速度逐渐增加，电磁铁气隙逐渐减小，则电流也逐渐减小；

3)铁芯撞击弯板：在T₂时刻，铁芯撞击弯板，铁芯克服自身重力、弹簧弹力及脱扣半轴的反作用力，铁芯的运动速度降低，电流出现局部的增加；

4)铁芯继续运动：在T₃时刻，铁芯推动脱扣半轴转动后，继续向上运动，铁芯运动速度增加，电流出现局部的减小，T₃值的大小反映脱扣半轴阻力的大小；

5)铁芯运动到最大行程：铁芯运动到T₄时刻，达到最大行程并保持在此位置，此时的电感为另一常数，电流按指数规律上升到稳态值，稳态值由电源电压和线圈内阻决定。