高压断路器机械特性和动作电压测试

高压断路器机械特性和动作电压测试
摘要：电力系统能否得到有效控制是直接影响高压真空断路器的因素之一，高
压真空断路器的可靠运行才能使得电路系统的正常高效运转。

依据断路器的关键
性功能，工作中要实时的监测真空断路器的运行状态。

文章就高压真空断路器故
障诊断系统的原理和方法进行简要说明。

关键词：高压真空；断路器；故障诊断
1 概述
高压真空断路器是一个控制电网运转并且对电网有重要保护作用的电力系统
中一个比较关键的开关设备。

在一般运行状态下它能够通过控制开合断路器来投
入或切除相关的线路设备，变换电网的运行状态。

当线路设备出现问题时，它及
时地把出现问题的设备和运行之中的电网切断联系，以达到电网的安全和稳定运行。

如果断路器纠正系统没有出现问题的不规范的动作，则会导致事态越发的变坏，严重的时候将会导致整个系统的崩溃。

因此保证高压断路器的良好性能、稳
定可靠关系到整个电力系统是否安全稳定运行，这个十分重要。

真空断路器不仅具有体积小、重量轻、可靠性高、可以承受频繁操作，而且
能及时断电避免火灾，系统维护少等优点。

这些优点使得真空断路器能迅速在各
个电力部门被广泛的应用并且得到相关技术人员的认可。

目前我国真空断路器的
制造技术基本上达到了国际同行业同类型产品的要求，这代表着我国高压真空断
路器的设计、生产和应用进入了一个新的发展阶段。

2动作电压测试
在电力系统中，高压断路器（俗称开关）属于重要设备，机械特性测试和动
作电压测试是保证设备可靠运行的主要试验项目，均属于例行试验项目[1-2]，由
于设备数量很多，测试的频度很高，通常，测试是在设备停电情况下进行，采用
交流220V电源，有一定的触电危险性，需要有人监护，另外，由于设备机构存
在交流220V的电源接线，容易由接线错误造成仪器烧损，并且，每一次测试耗
时较长，按照专业技能竞赛的标准，每测试一台设备（110kV）需要耗费1小时，并且，需要人为操作仪器，增大了误操作的风险。

机械特性测试和动作电压测试均属于例行试验，通常情况下，断路器是处于
完好状态，均能可靠动作，这种情况下，为了提高测试效率、减小测试误差、降
低操作危险性，本文提出了一种测试方法，测试对象为10kV及以上的高压断路器。

第一步：仪器自动通过储能电机回路测试储能电机的直流电阻，仪器自动记
录该数值。

第二步：经过一定延时，仪器自动将输出电压调整至控制回路额定电压（如DC220V），电压调整采用步进式（5V/）升降压，减少对仪器各部件的冲击。

第三步：经过一定延时，待电压稳定后，仪器自动通过直流输出，将储能电
源回路接通，储能电机开始储能，储能完成后，断路器自身通过行程开关切断储
能电源回路，储能结束。

第四步：储能正常结束后，经过一定延时，仪器自动步进将电压降低至额定
电压的80%，并自动触发接通合闸控制回路，合闸线圈得电，合闸电磁铁铁芯可
靠动作，完成合闸操作，合闸操作结束后，合闸控制回路通过辅助开关自动断开
合闸控制回路。

第五步：合闸正常结束后，仪器自动记录电压值（V）。

经过一定延时，仪器
自动将电压降低至额定电压的30%，并自动触发接通分闸控制回路，分闸线圈得电，分闸电磁铁铁芯应可靠不动。

第六步：30%额定电压正常动作后，仪器自动断开分闸控制回路，并自动记
录电压值，然后，仪器自动步进升压（5V/）至65%额定电压值，然后自动触发
接通分闸控制回路，分闸电磁铁铁芯应可靠动作，断路器完成分闸，仪器自动记
录电压值。

第七步：65%额定电压正常动作后，仪器自动记录，然后自动将输出电压步
进调整至控制回路额定电压（如DC220V）。

高压开关研制过程中，巧妙地利用厂交流电在交变过程中的“过零”特性。

在
50 Hz的电路中，交流电弧每经0.01s（50周/s×2次/周=100次/s=0.0l s）就要过零一次。

电流过零的，输入弧柱的瞬时功率已经急剧下降；当电流过零时，输入弧
柱的瞬时功率等于零。

此时，弧柱温度迅速下降，去游离作用大大增强，电弧最
容易熄灭。

交流开关设备的灭弧装量都是利用“过零”这个有利时机，采取相应的
有力措施，在触头打开的同时，用外能或者电弧的能量分解电弧周围的固体、液
体或气体火弧介质，产生具有较高压力的气流，强烈地冷却电弧，使交流电弧在
电流过零瞬间自然熄灭：灭弧后，出现两个恢复过程：一是介质恢复过程；二是
电压恢复过程。

由于介质温度迅速下降，当达到3 000 K-4 000 K以下时，热游离基本停止，
去游离作用使介质绝缘强度迅速恢复。

介质绝缘强度能否迅速恢复，关键因素是
能否使介质温度迅速降低；因此，高压开关则利用高压空气、SF6气体、绝缘油，以及产气开关等在电弧作用下分解出大量气体来或用气体本身压力或以真空室的
真空度来冷却电弧；或利用电磁原理使电弧在磁场内快速运动以加快冷却；提高
开关分断速度以增大电流过零灭弧时的弧隙距离；采用介质绝缘强度大的物质作
为灭弧介质，提高介质绝缘恢复、速度。

电压恢复过程决定了电弧能否重燃。

当恢复电压增加得快，超过介质恢复时
的耐压能力时，间隙被击穿，电弧重燃。

反之电弧永久熄灭。

电压恢复过程和介质恢复过程存在着相互斗争的矛盾。

而高压交流开关则是
采用加快开断速度、改善灭弧装置装结构、提高介质灭弧性能等技术措施，使介
质绝缘强度的恢复速度大于电压恢复速度，去游离过程大于游离过程，介质不再
发生热击穿和电击，将电弧彻底熄灭，实现分断电路的目的。

3 确定高压真空断路器主要机械特性参数
主要机械特性参数是通过对特性曲线的合理分析，从原理上阐明系统对断路
器运行参数，反映的客观性和准确性。

对几个重要参数的标定方法如下。

3.1 开距
真空断路器的额定电压和耐压直接决定着触头开距，如果额定电压低的话触
头开距一般选择小点。

但是不能太小，否则分断能力和耐压水平会受到影响。

也
不能太大，否则灭弧室的波纹管寿命会缩短的。

在设计的时候，满足运行要求的
情况下选择开距小的。

一般额定电压在10kV时，开距通常在8～12mm。

在35kV 时，开距通常在30～40mm。

3.2 接触压力
在无外力作用时，动触头在大气压作用下，对内腔产生一个闭合力使其与静
触头闭合，称之为自闭力，其大小取决于波纹管的端口直径。

当灭弧室在工作状
态时，自闭力不能保证动静触头间良好的接触，必须施加一个外加压力。

这个外
加压力和自闭力之和称为触头的接触压力。

接触压力作用有：保证动、静触头的
良好接触；满足额定短路状态时的动稳定要求；抑制合闸弹跳；为分闸提供一个
加速力。

3.3 接触行程
接触行程就是触头弹簧的压缩距离，触头压弹簧施力端继续运动至终结的距离。

接触行程有两方面作用，一是给触头弹簧与对接触头提供接触压力；二是在
运行磨损下但是又能具有一定的接触压力。

一般接触行程可取开距的20%～30%
左右，如果真空断路器的额定电压在10kV则接触行程大概为3～4mm。

3.4 合闸速度与分闸速度
平均合闸速度主要影响触头的电磨损。

假如合闸速度太低并且电弧存在的时
间过长，会增大触头表面的电磨损；合闸速度太高，可能会出现接触又弹回，产
生合闸弹跳。

断路器的平均合闸速度通常取0.6～1.0m/s之间的数值。

断路器的分闸速度一般而言速度越快越好，这样可以提前几个毫秒断开故障
电路，反弹太大震动过剧亦容易产生燃弧重燃。

分闸速度如果太慢，则首开相延
续至下一相，燃弧时间加长了，增加了开断的难度。

速度快慢主要取决于合闸时
动触头弹簧和分闸弹簧的贮能大小。

我公司生产的10kV真空断路器，平均分闸
速度在1.2～1.6m/s范围
总结
高压断路器机械特性测试和动作电压测试对于电网设备检修具有重大意义，
本文中重点对测试的过程和内容进行了梳理，并且梳理出测试过程中的注意事项，对实际生产工作具有较大的指导意义。

参考文献：
[1]河北省电力公司组编.变电检修现场技术问答.中国电力出版社，2013.
[2]郭贤珊.高压开关设备生产运行实用技术.北京：中国电力出版社，2008.。