断路器动特性讲义

2、速度的早期测量方法 ⑴、电磁振荡器测速
1-运动纸板；2-振动笔； 3-衔铁； 4-振动簧片； 5-线圈； A-刚分、刚合点 电磁振荡器测速原理示意图
运动纸板通过测速杆与动触头连接。当振荡电磁铁线圈中通入50Hz交流电 时，振动笔以100次/s的频率振动，在运动的纸板上绘出周期为10ms的振荡波形 。纸板上波形长度就是触头运动的总行程，行程对应的周波数，就是触头的总 运动时间。在触头运动过程中，由于每相邻波峰间时间间隔为10ms，振动曲线 最大波峰间的厘米数就是触头的最大速度值Vmax。
第二节 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。
对于高压断路器，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，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。
1、术语定义
刚分速度：指开关分闸过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。 开关技术条件无规定时，国家标准推荐取刚分后10ms内平均速度作为刚分点 的瞬时速度，并以名义超程的计算点作为刚分计算点。
刚合速度：指开关合闸过程中，动触头与静触头接触瞬间的运动速度。 开关技术条件无规定时，国家标准推荐取刚合前10ms内平均速度作为刚合点 的瞬时速度，并以名义超程的计算点作为刚合计算点。
⑵、转鼓测速仪
1-合闸曲线 2-分闸曲线 A-刚分、刚合点
断路器动触头时间-行程曲线图
转鼓测速仪是由转筒，传动系统和记录笔组成，转筒长度由断路器的行 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，记录笔固定在在测速杆上，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 断路器动触头的时间-行程关系曲线，如上图。
3、现在普遍采用的试验方法 近十几年来，随着计算机嵌入式技术的发展，将嵌入式技术应用于断路 器机械特性试验的电子仪器已成为断路器机械特性试验的主导设备。 ⑴、普通金属触头断路器的时间测量： 当计算机检测到分合闸线圈上电信号时，启动计算机计时器，同时对多 路断口信号进行扫描采样、计时，一旦检测到断口信号状态发生改变，即停 止计时，为断口的分合闸时间。 用计算机采样计时，原理简单、操作方便、测量准确度高。 ⑵、石墨触头(非金属触头)断路器的时间测量： 普通金属触头的灭弧部分为金属材料，其动、静触头的接触和分离用一 般计算机电信号检测即可。 石墨触头断路器的灭弧触头为非纯金属结构，其灭弧部分为半导体石墨 材料，断路器分合闸动作时，电弧主要由石墨部分来熄灭，以达到保护动、 静触头金属部分的目的。在断路器分合闸过程中，其金属导流桥和石墨触头 的接触电阻值不是恒定的，故传统的由计算机电信号直接检测断口通断的测 试方法无法准确完成。
试验规程强调：对于带合闸电阻的断路器，必须测试合闸电阻的有效接 入时间(即预投时间)。
预投时间：以副触头刚合作为计时起点，到主触头刚合的时间。 合闸电阻为碳质烧结电阻片，通流能力大。但多次高压大电流通流后， 其特性变坏，影响其功能，故要测试其阻值的变化。
预投时间 合闸电阻阻值测试波形图
二、分合闸速度
试验同时，感光纸上产生标准时间坐标分格，在标准时间坐标分格上对各断 口的时间跳变波形进行分析，得到试验结果。
这种方法是早期最传统、精度可靠的试验方法，但设备较沉重；使用繁 琐、操作此设备需要经验丰富的试验人员；因为感光纸必须在较强光线下才 能显现波形，夜晚加班操作极为不便；受环保政策影响，感光纸较难购买。
这是目前使用较广的一种测速方法。结果直观，计算机可直接读取结果， 也可对时间—行程曲线进行分析，可以很精确地测出开关的运动行程及相应的 速度。
这种传感器需针对不同的开关，自己设计安装支架，安装时，要保持传感 器的拉杆与开关动触头的运动方向平行和同步，现场使用需要有较强的安装使 用经验。
⑵、旋转传感器测速 上面讲的几种方式都是直型方法测速，有很多种类的SF6开关，现场没有可 以用来安装直型测速支架的地方(尤其是GIS组合电器)。这种情况下，可以在动 触头传动杆的旋转轴上安装旋转传感器，也可以相应地绘制出时间—行程曲线 。
随着断路器制造技术的日新月异，目前在网运行比例较多的断路器按灭弧 介质分类主要是以下两种：
3、SF6断路器：指利用高压力的SF6气体来吹弧的断路器(压气式灭弧室)， 多用于35kV以上电压等级。由于SF6 气体特殊的化学“惰性”，所以以其为绝缘和 灭弧介质的断路器广泛应用在中压、高压、超高压、特高压开关领域。其中按结 构分为
平均速度：一般指开关分(合)闸过程中，动触头总行程的前、后各去掉 10%，取中间80%，动触头运动的行程与时间之比。
最大速度：指开关分合闸过程中每个区段速度的最大值，但区段长短应 按开关技术条件的规定，如无规定，一般按10ms计算。
刚分、刚合速度的其它定义：随着SF6开关和真空开关越来越普及，开关的型号 越来越多，其刚分、刚合速度的定义不同，但只要测出开关动触头运动的时间-行程 曲线，依据开关制造厂关于刚分、刚合速度的定义，在曲线上取出速度取样段，即可 算出对应的刚分、刚合速度值(取样段内的行程与时间比)。
滑线传感器示意图
根据断路器总行程值，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，输入到计算机经A/D、采样，进 行数据处理，绘制成时间—电压(即时间—行程)特性曲线，此曲线与转鼓绘制 出的曲线基本相似，经计算机按国标定义或各厂家关于速度的定义进行数据处 理得出试验结果。
分闸速度曲线
合闸速度曲线
在振荡波形图上，两个端头分闸位置S1，合闸位置S2，以合闸位置S2为 起始点，向分闸方向量取一段等于断路器超行程值的长度S0，以这一线段终 点位置为动静触头的刚分（合）时刻，按国家标准规定，取触头分离后（接 触前）10ms的速度为刚分（合）速度，所以视超行程终点落在曲线上的什么 相位，在取同相位的一个波长，即为所求刚分（合）速度。
武汉市大洋新技术有限公司自主研发和生产的DB-8003型断路器动特性分 析仪，其石墨触头测试功能是主要针对西门子的石墨喷口结构(目前为3AQ和 3AT两种)的断路器特别设计的。
基本原理：电流电压法。在每相断口上加10A恒流源，断路器分合闸过程 中，仪器自动记录断口石墨触头接触电阻的动态变化过程，绘制成每相石墨触 头的动态电阻的电压变化曲线，由计算机自动判别动静触头的刚分、刚合点， 从而准确得到石墨触头的时间、同期值，整个过程皆由计算机自动记录，灭弧介质的不同，早期断路器一般可划分为： 1、压缩空气断路器：指利用高压力的空气来吹弧的断路器。由于技术的进
步，目前此种断路器还在运行的已很少见了。 2、油断路器：指触头在绝缘油中开断，利用绝缘油作灭弧介质。又分为多
油断路器（DW-）和少油断路器（SW-）。随着电网无油化的推进，油断路器也逐 渐退出运行。
第一节 高压断路器基本知识
一、高压断路器是电力系统中最重要的运行设备之一，它担负着控制和保护的 双重任务。随着国民经济的飞速发展，电网容量建设的快速增长，对高压断路 器的要求也不断提高：
1、正常情况下能可靠开断和关合电路； 2、电力系统发生故障时能立即可靠地将故障部分从电力系统中切除； 3、尽可能缩短断路器切除故障的时间； 4、能配合自动重合闸进行多次关合和开断； 5、减少土地占用，推广采用气体绝缘金属封闭开关设备（GIS），实现开 关设备体积小、电压等级高、开断容量大等特点。
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。
断路器的机械特性试验，应符合制造厂规定，否则须进行检修处理。其中
最重要的两大参数就是时间和速度。
一、分合闸时间及同期性 1、术语定义 合闸时间：接到合闸指令瞬间起到所有极的触头都接触瞬间的时间； (合闸线圈上电作为计时起点，到所有动、静触头刚合的时间) 分闸时间：接到分闸指令瞬间起到所有极的触头都分离瞬间的时间； (分闸线圈上电作为计时起点，到所有动、静触头刚分的时间) 同相同期：同相断口之中，分(合) 闸时间的最大与最小之差值； 相间同期：三相断口之中，分(合) 闸时间的最大与最小之差值； 2、分合闸时间的早期测量方法 ①、数字式电子毫秒表：使用简单，测量精度差，现在已不使用。 ②、16线光线示波器：直接在感光纸上得到各断口的时间跳变波形图，
合闸动态电阻波形
分闸动态电阻波形
⑶、带合闸电阻开关副触头预投时间的测量： 对于500kV及以上电压等级的超高压断路器，有些生产厂家在断口两端并联加装 合闸电阻，以限制其分合闸过程中的操作过电压。 断路器合闸时，副触头D2先合，断口电压加在合闸电阻R上，经过预投时间t1， 主触头D1后合上。
带合闸电阻断口示意图
根据绘制的动触头时间-行程关系曲线，在曲线上根据超行程值，按速 度定义，测出刚分后、刚合前10ms所对应的纵坐标cm数，即为直接刚分、刚 合速度，单位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斜率即为开关分合闸最大速度。
3、现在常见的速度测量方法 ①、滑线变阻器 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较高档的仪 器一般都使用这种方法。
①绝缘外壳式，通常所说的瓷套支柱式，也叫绝缘筒式断路器； ②金属外壳式，通常所说的罐式，也叫封闭式断路器。 4、真空断路器：指触头在真空中开断，利用真空的高绝缘性来灭弧的断路 器，多用于35kV以下的开关。
三、断路器型号的命名方式：
产品字 装置地 母代号 点代号
设计 序列号
额定 电压KV
产品字母代号：为产品拼音第一个字 Z—真空断路器；L—六氟化硫断路器； S—少油断路器；D—多油断路器； K—压缩空气断路器；
旋转传感器示意图
旋转传感器分为两种，一种是旋转光电编码器；另一种是旋转变阻器， 基本电气原理与直型滑线变阻器相同，就是我们通常所说的角速度传感器。
装置地点代号：N—户内，W—户外； 设计序列号： 以数字1、2、3…表示； 额定电压： 断路器的额定电压，单位为KV；
例如：断路器型号LW8-35，表示设计序列号为8的户外用额定电压为35KV 的SF6断路器。
四、高压断路器的灭弧室： 灭弧室是高压断路器的心脏。综观国内外产品结构，可将灭弧室分为定开 距和变开距两种。 1、动喷口吹弧装置(变开距灭弧装置)：按吹弧方式分为单向纵吹和双向纵 吹。现在高压大容量断路器多采用双向纵吹。主喷口用绝缘材料制成。常采 用聚四氟乙烯或以聚四氟乙烯为主加填料制成的复合材料。这类材料具有耐 电弧、机械强度高、易加工、耐高温、短时受电弧不碳化、烧蚀量小、烧损 均匀、不受SF6分解物侵蚀等特点。 2、定喷口吹弧装置(定开距灭弧装置)：沿用了空气断路器的吹弧结构，采 用对称双向纵吹方式。喷口需用耐电弧性能好的金属或石墨等导电材料制成 。石墨能耐高温，在电弧作用下直接由固态变成气态，逸出功大，表面烧损 轻。西门子公司及其合资企业的高压压气式SF6断路器都采用定开距石墨喷 口，典型代表型号：3AQ和3AT两种。 3、双向运动灭弧装置：为尽可能缩短断路器切除故障的时间，快速开断， 有的生产厂家将原来的气缸与活塞单向运动，改为气缸与活塞同时双向运动 。分闸时两者“背向运动”，合闸时两者“相向运动”。