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断路器的基础知识

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一、断路器机械特性测试仪的发展: 断路器机械特性测试仪的发展经历了电秒表、滚筒测试仪、装故事测试仪、微分电路式测试仪、光电计数式机械特性测试仪、电磁振荡器以及多线示波器等多种类型。速度的测量方法已有多种,如微分法、滑块法、光电法、转鼓法、电磁震荡器等。 二、 定义: 合闸时间:(即从接到指令到刚合的时间)从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间的时间间隔。t=t1。(接到合闸指令和动触头开始动作还有一段时间) 危害:如果合闸时间过长,就会导致开关的预击穿时间过长,此时系统发生短路故障,触头在短路电流的热效应作用下将会严重烧损;合闸时间过短可动部件的动量也会随着合闸速度的上升而增加,产生合闸弹跳的可能性会增大。 弹跳次数:是指开关动静触头在合闸过程中合上的次数。 触头开距:(1)断路器断开时动触头与静触头的距离。 (2)断路器在断开位置时,动静触头之间的最小值,S=S3. 补充:当合闸时,动静触头的总行程=开距+超程。 超行程:合闸操作中,开关动静触头接触后动触头带动触头支架继续运动距离。S=S2-S3 触头超程:合闸操作时,从所有极触头都接触开始到合闸稳定位置为止的位移。 目的:(1)保证触头在电磨损后仍能保持一定的接触压力,从而减少触头电阻; (2)触头闭合时能利用触头弹簧力缓冲,减小弹跳; (3)在触头分闸时,使动触头获得一定的初始的动能,拉断熔焊点,提高初始分闸速度,减小燃弧时间,从而提高介质恢复的速度。 坏处:(1)程太小,就不能保证触头在烧损后应有的触头压力,同时,初始分闸速度变小,会影响真空开关的开断关合和动热稳定性能,甚至产生重合闸弹振。 (2)若超程太大,会增加操作机构的合闸功,使合闸变得极不可靠。 真空开关的超程取额定开距的15%~40%左右,10 kV级真空开关的超程一般取3~4 mm。 测量方法:(1)灯亮法,是以合闸过程中动静触头刚接触(构成电回路接触)灯亮开始至合闸终了位置时动触杆所运动的行程; (2)机械测量法,以合闸过程中动触杆端部刚与静触头的引弧环(或引弧触指)端平面相平开始至合闸终了位置时,动触杆所运动的行程。 分闸过冲:断路器分闸操作后,允许灭弧室触头到达额定开距后再走的行程。 补充:过冲太大会引起过大的分闸反弹和强烈震动,影响开断性能和灭弧室寿命。造成原因可以有分闸能量太大,零部件精度不够,或者缓冲器能力不够等。 问题:GYT-07(p24):分闸反弹是不是分闸最终的稳定位置与额定开距的距离。 分闸过冲是不是分闸过程中最大行程与额定开距的距离。 合闸弹跳:这一参数是针对真空断路器这种对接式触头提出来的,它是指真空断路器在合闸 过程中触头接触后由于机械力造成反弹,使触头在反弹分离时的最大反弹幅值。它的大小反映了真空断路器在合闸时对于负荷设备的冲击情况,尤其对于电容器这类非阻性负荷的影响更为严重。 严重者反复4~5次,持续2~6ms。从本质上说,合闸弹跳一种受迫阻尼振荡,振荡的频率、振幅取决于动触头系统的质量、速度、弹簧的倔强系数及碰撞后阻尼情况。分析说明,触头材料的硬度越大,弹跳时间越长;触头材料的硬度相同时,触头压力越大,弹跳时问越短。 危害:在合闸弹跳过程中,触头断开距离小,电弧不会熄灭,导致触头电磨损加重,从而影响灭弧室的电寿命,但由于其存在时间较短,远小于合闸过程中电弧燃烧时间。 触头合闸弹跳时间越小,其性能越好,弹跳时间越长,触头的电磨损越严重,越容易产生合闸过电压。合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生LC高频振荡,振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏。 解决合闸弹跳的对策:(1)提高配件的加工精度,使铝支座和轴、换向器与刚销、轴等紧密配合,减小间隙。(2)加强装配工艺质量控制,提高装配工艺质量,在真空断路器装配过程中,注意安装合理,不使真空灭弧室受到额外应力,调整导向管的位置,使灭弧室动触头运动轨迹,在灭弧室的轴心上,真空灭弧室动触头活动自如,无任何卡涩现象。(3)适当加大触头超程弹簧预压力。 分闸时间:从接到分闸指令瞬间起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。 危害:如果分闸时间过短,开断时间也会变短,就会得到较高的直流分量,使灭弧室的开断负荷加重;如果分闸时间过长,短路电流的热效应会使触头软化甚至熔焊。 合闸弹跳时间:在合闸过程中,从触头刚接触开始计起,动静触头接触后由于弹力,再经过反复弹跳后最终达到稳定的这段时间(指三相触头都已经稳定合上)。 规定: 1989年底原能源部电力司提出真空断路器合闸弹跳时间必须小于2ms。原因是合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生LC高频振荡,振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏。在合闸弹跳小于2ms时,不会产生较大的过电压,设备绝缘不会受损,在关合时动静触头之间也不会产生熔焊。 补充:目前真空开关向“小开距”的方向发展,因此在条件允许的情况下,适当缩小触头开距,增加超行程,可以提高分闸速度,因此可以提高开断短路电流的能力。但作者也分析指出:分闸速度过大,会产生不利于短路开断的负面影响—分闸弹振。因此需要选择合适的触头开距。 真空开关在小开距时,开断能力强。随着开距的增加,磁场减弱,电弧能量损失大,不利于开断,极限开断电流减小。 分、合闸同期性:三相分合闸不同期是指三相分、合闸时间差值的最大值。(我们做的都是单断口) 相内同期:是指某一相所有被测试断口相对同一相最先合上(分开)断口的时间差。(如果有三个断口,则就有两个值了,是不是应该是最大差值) 相间同期:“合闸同期”是指三相中每组最后合上断口的时间差,“分闸同期”是指三相中每组最后分开断口的时间差. 相内同期:同相断口之间,分合闸时间的最大与最小值之差。 相间同期:A、B、C三相间,各相中合闸时间最大值之差为合闸时间同期,分闸时间最小值之差为分闸同期性。 问题: GYT-07(p24)中只有三相分闸不同期合合闸不同期没有说明,是相间。 意义:分、合闸时间严重不同期,将造成线路或变压器非全相接入或切断,出现危害绝缘的过电压。断路器三相之间分合时的同期,关系到零序保护问题,不同期的时间太长,(线路并列时)会引起零序电流误动作。 如果断路器的分闸不同期性不好,就会导致首开相、后开相不能均匀分布在三相上,首开相电流负荷重,后开相燃弧时间加长,妨碍真空断路器的开断性能。 如果断路器的合闸不同期性不好,就会导致设备的缺相运行时间过长,缩短设备的使用寿命,同时也会导致开关触头烧损不均。合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳,因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受。 分、合闸速度定义(1)根据行程进行定义:根据距离刚分(合)点一定行程,或刚分(合)点前后一定距离内的平均速度来定义的,此类定义是导电杆(或传动部位)的行程是可以直接测量出来的断路器。(2)根据时间来定义:根据距离刚分(合)点一定时间,或刚分(合)点前、后一定时间内的平均速度来定义的。(3)根据角度进行定义:以刚分(合)点至刚分(合)点后(前)若干角度内行程定义。 说明:分闸速度越大,引起的分闸弹振越厉害,过冲也越厉害,对开关管波纹管的振动、压缩也就越严重,容易造成波纹管提早损坏而漏气,同时,对整机的振动也越大,容易造成零部件的损坏。分闸速度的快慢,主要取决于合闸时动触头弹簧和分闸弹簧的贮能大小。为了提高分闸速度,可以增加分闸弹簧的贮能量,也可以增加合闸弹簧的压缩量,这都必然需要提高操动机构的输出功和整机的机械强度,降低了技术经济指标。经过多年试验认为,10kV的真空断路器,平均分闸速度能保证在0.95~1.2m/s比较合适。分合闸速度反映了断路器在分合闸过程中灭弧和预击穿阶段的速度特性。 高压真空断路器的分闸速度一般而言速度越快越好,使首开相在电流趋近于0前2~3ms时能开断故障电流;否则首开相不能开断而延续至下一相,原来首开相变为后开相,燃弧时间加长了,增加了开断的难度,甚至使开断失败。 触头刚合速度:开关合(闸)过程中,动触头与静触头接触瞬间的运动速度。 危害:刚合速度过小,说明机构功率不够。当动触头运动到离静触头一定距离的位置时在断口分布电压的作用下,产生预击穿,使触头间产生电弧。这时由于关合电流极大,触头烧毁很严重,有时甚至可出现触头烧焊事故,这就给再分带来了困难,严重时会造成拒分事故。预击穿的出现还伴随着巨大的电动力,使刚合速度进一步下降,这也容易造成关合不到底,严重时还会使断路器发生爆炸。刚合速度过大,会使断路器受到很大的冲击和振动,以致机械寿命降低;同时还要求操作机构提供更大的合闸功,这又给缓冲器的设计带来困难。最大合闸速度过大,会降低断路器的机械寿命,特别是对于安装在开关柜内的断路器。过大的刚分速度会引起强烈的振动,极易造成继电保护的误动。由于分闸弹簧的张力不够,最大分闸速度过小,就会使刚分速度达不到要求。 触头刚分速度:开关分(闸)过程中,动触头与静触头分离的瞬间的运动速度。 说明: 刚分速度过小,在一定熄弧距离下会延长燃弧时间,增加电弧释放的能量,使触头灭弧室烧毁严重,在电网出现故障时,将扩大故障范围,损坏电力设备同时将导致灭弧室压力显著增加。如果发生切不断电弧的现象,也就造成拒分事故。 而刚分速度过大也会给断路器的灭弧带来不利因素。在灭弧室机械强度承受不了的情况下就会发生爆炸事故。而且速度过大,有可能出现动触头完全脱离灭弧室而电弧尚未熄灭的现象,这时亦可引起断路器的爆炸。所以刚分速度也不宜过大。 全程平均速度:开关合(闸)过程中,动触头的运动平均速度。V=S3/t1(为什么不是S2/t2,没有意义了,超程簧) 触头合闸行程:从合闸前的稳态位置到合闸后的稳态位置之间的位移量之差。 触头分闸行程:从分闸前的稳态位置到分闸后的稳态位置之间的位移量之差 分闸速度:开关分闸过程中动触头的运动速度。(有的是动静触头分开行至6mm以上所用时间的速度) 说明:分闸速度是一种平均速度,即开距与分闸时间的比值。而分断过程中,真正起作 用的是刚分速度,即两触头刚刚离开的瞬间的速度。刚分速度要靠超行程提供。当分闸传动连杆运行完超行程所需要的时间后,达到了一定的速度(刚分速度),动静触头才开始分离。实践经验表明,在条件允许的情况下,适当缩小触头开距,增加超行程,可以提高刚分速度,提高开断能力。 分合闸时间的软件处理:分、合闸时间的起始点就是分、合闸线圈刚带电的时刻,因此在软件处理上需要确定启动电流的阈值.该阈值的大小影响着计算精度.在确定时必须综合考虑抗干扰及精度要求。分、合闸时间计算的终止点可由触头的状态变化来确定。 分一合时间(自动重合时):重合操作时,从所有极的弧触头都分离瞬间起到首合极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。 合一分时间:在合操作中,从首合极各触头都接触瞬间起到随后的分操作时在所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔。 触头开距:断路器处在分闸位置时,动静触头之间的距离。 测试装置用触头刚分开位置与分闸终止位置之差来计算触头开距。合闸测试中用触头初始位 置与刚合位置之差计算开距。触头闭合后机构继续走的行程就是断路器的超行程.实际计算中以行程最高点与刚合位置之差计算超行程。 意义:触头的开距主要取决于真空断路器的额定电压和耐压要求,一般额定电压低时触头开距选得小些。但开距太小会影响分断能力和耐压水平。开距太大,虽然可以提高耐压水平,但会使真空灭弧室的波纹管寿命下降。设计时一般在满足运行的耐压要求下尽量把开距选得小一些。10kV真空断路器的开距通常在8.12mm之间,35kV的则在30-40mm之间。为提高绝缘水平,应适当增大触头开距;为适应频繁操作,提高真空断路器的寿命,应减小触头开距。 分闸反弹: 如果分闸反弹过大,使动、静触头间的绝缘距离瞬间无法满足承受恢复电压的要求,就可能导致开断后的重击穿,使开断失败,同时使波纹管由于受大振幅的强迫振动而过早出现裂纹导致灭弧室漏气,影响寿命。 接触行程:开关动静触头刚合点到合闸静止位置的位移: 三.断路器速度测量中应注意的问题: 1. 对油断路器速度产生影响的因素有:油的阻力(油多的速度慢)、测量位置(离操作机构近的速度快)、气温 (低温油的粘度加大,速度变慢)。 2. 额定电压下测量的要转化。 3. 刚分(合)基准点的确定方法各异(静触头引弧环的端面、触头的电气刚分(合)点、超行程70mm处的速度) 4. 以角度定义速度的断路器行程测量,测量的速度是可信的,但是行程值为参考值,必须以开关慢分合操作的导电杆行程实测值为依据。 四、关键参数的确定: 1. 换位点的确定 设计机械特性测试系统主要是针对真空断路器,真空断路器是一种以气体分子极为稀少,分子间的平均自由行程很大,电子与分子相碰撞的机会极少,绝缘强度很高,以真空为灭弧介质的新型断路器,预击穿时间很短。本文忽略预击穿时间,合闸的换位点取主回路最后一相电流出现的时刻,分闸换位点的确定根据合闸时测得的超行程来修正,即利用合闸的超行程,结合分闸时的动触头行程曲线计算分闸时的刚分点位置。 2. 合闸超行程:三相触头全接触开始到合闸后稳态位置的位移量之差。关键问题是如何确定超行程的起始点,即如何有效的提取三相触头全合信号。本文采取的方法是在合闸过程中,合闸超行程的起始点是由最后一相主回路导通时刻对应的位移确定的。 3. 合分闸时间参数的确定 本设计合、分闸操作起始的依据是合、分闸线圈中有电流通过。其次是换位点的确定。启动电流的定值(即门坎值)的大小,影响着测量精度,也影响着测量系统稳定度。本设计合闸的换位点取主回路三相电流都出现的时刻。分闸的换位点是根据已测的合闸超行程,结合分闸时动触头的行程曲线确定的。进而确定合分闸的时间参数。 五、传感器的安装: 将传感器通过连接支架固定在任一被测断口上,壳体固定在开关静触头上,滑标固定在动触头上,并保证滑标在开关动作中能在壳体内顺利运动,保证滑标的运动能和开关动触头的运动同步,以反映开关的运动状况。传感器的插头插入仪器对应插孔。接通仪器电源, 测试仪器的原理: 普通的金属触头断路器机械特性测试仪其原理为电流或电压取样法,通过对断路器断口使用电压或电流信号采样,记录的是断路器通断信号。一般是通过光耦隔离采样的,原理图如下, Sl代表断路器 S1代表断路器的断口,当S1打开时,相当于断路器分闸状态,U1截止,则光耦不通,计算机采样的是高电平;当S1闭合时,相当于断路器合闸状态,U1导通,计算机采样到的是低电平,这样计算机可以判断开关的状态,从而记录分、合闸时间。 开发数据管理检修指导软件的必要性: 断路器的分合闸时间和速度直接影响到断路器的遮断容量、灭弧性能等特性,通过对断路器历史分合闸速度的分析比较可以发现断路器机械特性的变化。

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