操作电压对断路器机械特性分合闸时间影响的分析

大，电流下降。第三部分，铁芯停止运动，然后机构开始 动作。对分合闸线圈来说，此时气隙固定，电感不变且为 最大值，线圈电流呈指数上升。第四个部分，当弹簧机构 开始动作，线圈电流开始变小，直到动触头完成动作，辅 助开关闭合，线圈断电。
对线圈电流变化的分析可以发现，在 t0 时刻，线圈开 始带电，在 t1 时刻，铁芯开始动作，分合闸线圈开始工作。 分析工作原理可知，t0 时刻是线圈实际开始带电的时间， 而 t1 时刻是线圈带电、驱动铁芯开始动作的时间，这 2 个 时间都可以表征分合闸动作的开始过程，因此可以把 t0 或 t1 时刻作为一次分合闸动作的起始状态。在记录分合闸时 间的过程中，t0 或 t1 时刻都可以作为分合闸时间采集的起 始时间。分别记录这 2 个时间点的开始带电时间和实际动 作时间，对分合闸过程的影响也不同。但是这 2 个时间点 是否会因操作电压不同而对分合闸过程产生影响还不可 知，测量出的分合闸时间结果的区别也不可知。因此在该 文试验论证中，分别采集 t0 和 t1 时刻作为分合闸时间的起 始点，记录不同起始时间在不同操作电压下对分合闸时间 的影响。
总结了操作电压变化对分合闸时间变化产生影响的2种情况。在实际使用中，通过选择不同的起始点，可以使
操作电压的变化不影响分合闸时间，为实际机械特性检测提供了不同选择，为研究真空断路器的机械特性提
供了新的方向。
关键词 ：真空断路器 ；分合闸时间 ；线圈电流 ；刚合点 ；标准偏差
中图分类号 ：TM 56
验的统一性，该文以最后一相的动触头与静触头接触的时间
或者最后一相动触头与静触头分开的时间作为刚分（刚合）
时刻。
1.3 数据采集
该文采用的高压开关特性测试系统具有 3×2 个触头监 控和 2×4 个常开 / 常闭辅助触点监控。2 个分合闸线圈控制 线路用于控制线圈动作和测量线圈电流。为了试验数据的普 遍性，该文选取最常见的分闸时间参考区间即 30ms~50ms， 合闸时间参考区间为 35ms~70ms，操作电压为 DC 220V 的同 类型高压断路器 2 台（编号 #01、#02）进行对照试验，对 比相同参数的不同试品在不同电压下对分合闸时间造成的 影响。将受试试品与高压开关特性测试系统进行连接后，通 过采集系统采集线圈带电时间点和铁芯动作时间点，将其作 为分合闸时间的开始时间，并通过断口信号测量电位信号变 化，将其作为分合闸时间的截止时间。对每台断路器分别在 最高操作电压、额定操作电压和最低操作电压下进行试验， 分别以 t0 时刻和 t1 时刻开始计算分合闸时间。对每台断路器 分别进行 100 次分合闸过程测量，采集数据并进行对照，为 了控制试验数据变量和方便对照，进行分组试验，见表 2。
文献标志码 ：A
断路器是电力系统中最重要的高压开关设备之一，其 可靠性会直接影响电网的安全稳定运行 [1-2]。而高压断路 器的分合闸时间是检测高压断路器状态的一个重要方面， 分合闸时间将直观反映断路器机械结构的运行状态 [3]。该 文通过大量实际测量数据，将分析与实际动作过程进行对 比，来论证操作电压对断路器分合闸时间的影响。
2.2 操作机构阻力的不确定性
操作机构的结构特征决定了在每次弹簧释能推动触 头运动的过程中，阻力都有不同，冲程也有细微的变化。 由于分合闸时间的计算一直持续到整个分合闸动作的完 成，因此必然包括操作机构的动作过程。该不确定性导致 了每次动作时的偏差不同，该偏差有可能使分合闸时间的 区间波动范围较大，也可能是造成数据在标准偏差范围内 上、下波动的原因之一。
耐受的范围内，电压越高，线圈的响应时间越快 ；电压越 低，线圈的响应时间越慢，这种线圈的响应速度变化会使 铁芯的运动开始时间有所不同。对照试验数据（表 2）和 线圈电流波形图（图 1）可以发现，线圈的响应时间应当 主要存在于 t1 之前，即铁芯开始运动之前，在 t0 和 t1 间存 在一定时间偏差。
t0~t1 时间段是线圈的响应时间，可见操作电压对分合 闸时间的影响是通过影响线圈的响应时间而反映出来的。 根据操作电压的变化，响应时间相应发生变化，使 t0~t1 时 间段的大小也发生变化，导致当以 t0 时刻开始计算分合闸 时间时，分合闸时间随着操作电压变化而发生变化。而当 以 t1 作为分合闸时间的起始时间时，由于此时分合闸时间 中不包括线圈响应时间，因此分合闸时间不随操作电压的 变化而发生变化，操作电压对分合闸时间没有影响。
作部分不外漏，测量挂载传感器时有一定困难，同时行程曲
线有超程的存在，会使对比刚分（刚合）时间有明显的延迟，
给刚分（刚合）时间点的确定带来一定困难，因此该文试验
论证主要以主回路电位信号为确定方法。结果见表 1。
表 1 刚分（刚合）时间点提取方法对比
项目
触头加速度分析法
合闸时间（ms）
46.4
电位信号分析法 46.2
1 断路器分合闸时间的采集
1.1 分合闸过程开始位置的判断
以高压断路器的弹簧机构为例，当断路器的控制端带 电，触发分合闸指令，使分合闸线圈带电。线圈吸合，带 动铁芯运动，带动弹簧机构释能，带动动触头运动，完成 分合闸动作。
一般认为，在断路器的一次完整的分合闸动作过程 中，当控制端发出指令后，分合闸线圈开始带电，使线圈 带动铁芯动作是一次分合闸过程的开始。分合闸线圈电流 波形如图 1 所示。
根据图 1 所示，可以将线圈带电过程分为 4 个部分， 即图 1 中以虚线断开的部分。第一部分，从 t0 时刻开始， 此时线圈带电，但是铁芯还没运动，磁路的气隙保持不变， 线圈的电感不变且为电感最小值，线圈电流呈指数规律上 升。第二部分，在 t1 时刻，铁芯开始运动并且加速。在 该阶段，由于铁芯产生运动，因此磁路气隙减少，电感增
10
C：45.4 O：31.7
C：0.37 O：0.34 O：0.33
C：46.3 O：32.5
C：0.41 O：0.37
11
C：45.4 O：31.8
C：0.36 O：0.34
C：46.6 O：32.9
C：0.42 O：0.36
12
C：45.3 O：31.8
C：0.37 O：0.34
将被测数据进行整理绘制，得到数据散点图，鉴于篇幅 有限，该文展示了一张散点图数据，如图 2 所示。
在实际使用过程中，响应时间是在铁芯运动之前（t1 之前），在该过程中，断路器的操作机构和触头系统没有 动作，因此该过程对触头的实际灭弧能力和分合闸的动 作过程没有影响，实际的分合闸动作过程是从 t1 时刻，也 即铁芯开始动作的时间开始的。而当需要考虑响应时间 对分合闸时间的影响时，则选择从 t1 时刻开始。在分合 闸时间中考虑线圈响应时间的影响，线圈响应时间随着 操作电压的变化而发生变化，从而使分合闸时间也随操 作电压的变化而发生变化，造成了操作电压对分合闸时 间的影响。
1.2 提取断路器刚分（刚合）时间点
触头的刚分（刚合）时刻的确定在断路器分合闸时间 的计算中非常重要，该位置的确定方法主要有振动信号分
合、分闸线圈
电流I
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t
电磁铁
t0
t1
时间t
图 1 分合闸线圈电流示意图
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析法、触头加速度分析法等，但这些方法精度高，实现难度 大 [4]。因此该文采用对比主回路的电位信号和触头行程曲线 来分析 [5]，由于部分断路器结构紧凑、空间小或者机构的动
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操作电压对断路器机械特性
分合闸时间影响的分析
陈振家 盛建华 陆俊阳 谢 智 吕建江 （甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）
摘 要 ：分合闸时间是真空断路器机械特性的重要参数，操作电压对分合闸时间的影响是分合闸时间变化的
影响因素之一。对大量试验数据进行分析，根据线圈的电流变化和动作过程，对比不同线圈动作起始时间点，
时间 （DC 242V） （DC 220V） （DC 187V）
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
试验 序号
01
02
03
07
08
09
#01
t0
100次C-0
#01
t0
100次C-0
#01
t0
#01
t1
100次C-0
#01
t1
100次C-0
#01
t1
#02
t0
100次C-0
3 试验结果与分析
通过试验发现，操作电压的不同会对分合闸时间造成 影响，形成分合闸时间的偏差。该影响主要是当操作电压 变高时，分合闸时间会变短，反之变长。该变化和分合闸 时间的起始选择点有一定关联性。
当以 t0 为开始时间计算时，这种偏差很明显，在不同
操作电压下进行试验，分合闸时间存在明显的变化。而从 t1 开始时，变化幅度则较小，说明此时操作电压的变化对 分合闸时间影响较小。考虑这其中的变量主要为起始点的 改变，可以证明 t0~t1 时间段是不同操作电压使分合闸时间 存在偏差的区间，也是导致不同操作电压下分合闸时间有 明显差异的原因。
04
C：45.4 O：31.9
C：0.36 O：0.42
C：46.5 O：32.6
C：0.43 O：0.36
05
C：45.3 O：31.8
C：0.28 O：0.44
C：46.7 O：33.0
C：0.42 O：0.36
06
C：45.3 O：31.9
C：0.31 O：0.25
C：46.1 O：32.3
C：0.41 O：0.37
2 影响因素的分析
2.1 操作电压 操作电压的不同会对线圈的响应时间造成影响，在额定
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220V下t1合闸时间散点分布图 34
33.5
分闸时间/ms
33 32.5
32 31.5
31
0
20
40
60
80
100
120
试验序号
图 2 分合闸时间散点图
根据图 2 可知，数据基本落在标准偏差内，落在区间内 的概率为 93.7% 以上，证明数据总体呈现出贴近均值分布的 情况，该文试验的数据是具有可信度的。
对比试验数据 01、02、03 号和 04、05、06 号可以发 现，在不同操作电压下，对比从 t0 和 t1 时刻开始的 2 种情 况，相同受试高压断路器的分合闸时间会因操作电压的变化 而产生不同数值。当从 t0 时刻开始计算时，分合闸时间随着 操作电压的变化有明显的上、下差异，主要反映在操作电压 越高，分合闸时间越短；而从 t1 时刻开始计算时，分合闸时 间虽然存在差异，但差异较小，和从 t0 时刻开始的数据变化 相比，该差异量不明显。可见 t0 和 t1 时间的不同是使分合闸 时间数据不同的关键因素，这是造成均值变化的主要原因。 考虑在不同电压下会有数据波动情况和少量离群数据的出 现，该差异需要做进一步分析。
差值 0.2
根据表 1 可知，利用电位信号分析法得到的刚分（刚合）时
间点与采用触头加速度分析法得到的有一定差值，但差值较
小，对该文的试验论证来说，可以认为这个时间点结果是合
理的。
一般认为，当三极动触头都和静触头接触，即三极的主
回路电位信号跳变瞬间为刚分（刚合）时刻时，由于三相动
触头接触（分开）时间存在不同期的时间偏差，因此为了试
#02
t0
100次C-0
#02
t0
#02
t1
100次C-0
#02
t1
100次C-0
#02
t1
表 3 试验数据分析
平均值 （ms）
标准偏差 （ms）
试验 序号

平均值 （ms）
100次C-0
100次C-0
100次C-0
100次C-0 标准偏差 （ms）
C：46.1 O：32.2
C：0.40 O：0.36
得到的结果见表 3。
通过 02、08 组试验和 05、11 组试验可以发现，试验数
据均值在容差范围内浮动，由此可知 #01 试品和 #02 试品的
不同对数据的影响较小，该次试验的结果是在合理范围内
的，试验结果具有可信度。
表 2 试验流程
试验 试品编 开始 最高操作电压 额定操作电压 最低操作电压
序号 号
1.4 数据分析
使用均值法求解平均值，如公式（1）所示。
100
∑i=1 xi x = 100
（1）
式中 ：x是均值法平均值 ；xi 是采集的分合闸数据。
使用贝塞尔方法求解标准偏差，如公式（2）所示。
¦ S
100 i1
2
xi x
99
（2）
式中 ：S 是标准偏差 ；xi 是采集的分合闸数据 ；x是平均值。
2.3 其他不确定因素
除了操作电压和机构阻力之外，弹簧在使用过程中还 会累积应力松弛和弹性衰退，导致弹簧释能过程存在不确 定性。机构振动也会造成触头运动过程的偏差，特别是在 使用位移行程曲线判断触头刚合（刚分）时间点时。另外， 采集软件的数据偏差也会造成数据偏移，这可能是数据中 存在一部分明显的离群数据的原因。但是这些离群数据占 比极小，在分析可能的原因后，这些离群数据反映的情况 不在该文试验讨论的范围之内，可以剔除这些离群数据。