断路器偷跳分析及改造

djde_2000

Analysis of Maloperation of Circuit Breaker
* y5 S( j' H1 N
　　Abstract：Because of electromagnetic disturbance in substation, some circuit breakers with low voltage trip coils sometimes operated by accident, through analysis a countermeasure was given in this paper.

, W' D' L% L8 X) x7 y# b  }　　Key words：circuit breakers　trip coil　maloperation▲

7 v" I6 A& C$ m6 _) |　　0　引　言
. l- R+ d7 R( z
　　DL/T596—1996《电力设备预防性试验规程》规定：“高压断路器操动机构分、合闸电磁铁或合闸接触器端子上的最低动作电压应在操作电压额定值30%～65%之间”。GB50190—91《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》也规定：“直流或交流的分闸电磁铁，在其线圈端钮处测得的电压大于额定值的65%时，断路器应可靠分闸；当此电压小于额定值的30%时，不应分闸”。
' g" W  N& x+ J  p; G9 g, `
! ]% ^* I. j9 T$ a9 S　　某些SF6断路器的液压机构的分闸回路是线圈串有电阻，如平开的LW6-500型，110VDC直流操作电源，分闸回路为分闸线圈(18Ω)外串32Ω电阻。一般认为最低动作电压为分闸回路(包括串联电阻)全电压，如果最低动作电压为30% Un时，分闸线圈两端的动作电压仅为11.88V，显然难以满足抗干扰的需要，有可能出现由于分闸线圈最低动作电压过低，断路器在强电磁干扰下“偷跳”现象。据不完全统计，葛洲坝大江电厂开关站10年来开关偷跳累计达17次，在对葛洲坝换流站5061断路器进行修复、调试期间，发现5061断路器3天内偷跳达5次。

　　1　分　析
$ L" _9 F# N- k4 E' G8 R- V% b& t+ f3 K5 M
2 {" M8 u' N! r4 J9 ^  H, |! Q　　如在不改变断路器动作特性的基础上适当提高分闸线圈上的最低动作电压，则可增强断路器分闸回路的抗干扰能力，使之能满足如下要求：

9 P5 {( s& G& Z8 Y# ^　　1) 提高分闸线圈两端的最低动作电压，期望在30% Un(Un为额定电压)左右；
9 b- i9 T4 u4 ?9 _% x/ _
$ _+ o6 m: D- _8 p* ]　　2) 分闸线圈串上电阻后分闸回路两端的最低动作电压不能超过65%Un；

$ F; v0 u. b) D　　3) 更换分闸线圈后，断路器的分闸时间等动作特性应符合规程要求；
" h6 W" A7 z& ]
　　4) 分闸线圈符合分闸电流通流能力的要求，防跳继电器(TBJ启动电流为1A)可靠动作。

4 A) ^% e/ N: r8 f( m5 Z' j　　当操动机构的分闸阀不改变时，其所需最小开始动作的力F和机械功W将保持不变［1］。
5 }; h  R7 f4 m7 {# [  U
4 L) q/ ?4 d8 H! xF=6.4(IN)2［S／δ＋0.8g(z/l)2］×10－8，kg　(1)

　　在电磁铁参数不变时有：
: v( a% g$ ~' O7 m. F+ Y
- e/ l, J; ~1 q) W% KF∝（IN）2　(2)

0 |' D6 a' h+ Q( i, f& hW=(IN)2(Gδ0-Gδm)/2＝(IN)2Gδ0/2　(3)
2 V  b, t  I, E' J6 f( g5 C
2 f0 F4 r: D9 B  O% i　　式中Gδ0为电磁铁在吸合位置的磁导；Gδm为电磁铁在释放位置的磁导；z,l为电磁铁的结构参数。

　　由式(1)、(3)可知，若不改变操动机构的动作特性，就要保持分闸线圈的IN(安匝数)不变，在此前提下提高分闸线圈上的最低动作电压，有两种方法：
) p( w0 D  y) z' ?
　　1) 改变阀结构，使分闸阀启动所需的力F和机械功W增加，这样由式(1)、(3)可知，如线圈匝数N和其他参数不变时，就会提高分闸电磁铁开始动作时所需的启动电流Id，从而提高了分闸线圈上的最低动作电压；
, x+ a" ]" s+ P* z# B6 S
) D- F. F- r+ N0 [: p* J& k　　2) 更换线圈，根据式(1)、(2)、(3)知，分闸阀启动所需的力F和静态机械功W不变时如改变分闸线圈，则更换前后两分闸线圈的IN应不变，故
" ^3 H# V/ \7 J" o: p) U
5 t; U9 v; U2 w- S. x$ Y% aI′dN1＝I″dN2　(4)
7 Q; Z& O; |9 s$ O
) O" L5 t) g$ X" D　　两不同分闸线圈R′2、R″2上的最低动作电压为：

UR′2＝I′dR′2，　UR″2＝I″dR″2。　(5)

' i# X  W) h1 v5 o5 d- R! q6 h　　由式(4)、(5)有：
3 O* b+ K* H9 }# F6 R" Z
UR″2＝I″dR″2=(I′dN1／N2）R″2=UR′2(N1/N2)(R″2／R′2)　(6)
9 P1 e! J* r8 q! R0 ]' v
　　因此，在保证线圈通流能力的前提下适当减小线圈线径，即可保持分闸线圈匝数变化不大而提高分闸线圈的电阻值，从而提高分闸线圈上的最低动作电压，且满足操动机构对分闸线圈的要求。
& L7 I1 G) ]) j+ Y; c, W9 v) v
  h! L7 ~9 Q! s: I! s　　第一种方法效果较好，但由于要改变阀结构，实施较困难；第二种方法需要更换分闸线圈，实施较容易，但由于整个分闸回路电阻增加了，回路电流减小，分闸回路的输入功率P也减小，从整个动态分闸过程来看［2］，会减小操动机构的分闸功，从而延长了分闸时间td，效果可能要差一些。为此需要适当增加线圈匝数来加大分闸电磁铁的吸力和机械功，以改善其性能。现就第二种方法进行讨论。

$ p2 j- K7 d) t8 r　　以葛洲坝换流站交流场5061(LW6-500型)断路器为例，其操作电压为110VDC，分闸线圈规格为：0.35mm2线径、1000匝、18Ω，外串32Ω电阻，未更换分闸线圈前经试验测量，发现5061偷跳相(A相)副分闸线圈两端动作电压U2仅为15V左右，而其它两相的主、副分闸线圈两端动作电压U1和U2也均在20 V左右，测量结果见表1。据判断可能是由于分闸线圈两端的最低动作电压过低，在变电站的强电磁干扰下引起断路器误动。因此，决定对5061的分闸线圈进行改造，初步选定0.31mm2线径、1300匝、30Ω的线圈，外串30Ω电阻的方案。由式(6)可知其分闸线圈上的最低动作电压将会提高，但是由于分闸回路电阻增大，分闸时间td也会变长。

) A4 G& O  k% ?* k+ k表1　5061更换分闸线圈前分闸线圈最低动作电压　V
! M* o- o6 |4 C; R0 a
# h: ]5 [  L+ X: \$ [1 T/ k/ Z' R相　序 U1 U2
A 19 15
B 20 20.5
) A1 f) J  i# o; H0 lC 19 20
  R$ N/ K' N$ ^+ J8 Y! F$ o
　　为了分析方便，我们与厂家协商提出了六种更换线圈的配置方案(主、副分闸线圈相同)进行比较试验，平顶山高压开关厂对其分别做了动作特性研究试验，考核其分闸时间、最低动作电压，及高油压低电压开关是否可靠动作等。最后确认，对LW6-500、操作电源为110VDC的SF6断路器，0.31mm2线径、1300匝、30Ω的线圈，外串30Ω电阻的方案比较合适(厂方最低动作电压试验见表2)。

/ ^# f. G+ ?" {3 H+ u, m表2　改进方案分闸回路最低动作电压V　
2 U5 s2 {5 Z9 E; @
3 H' V- K5 ~4 r. V外串电阻/Ω 45 20 30
U1 24.7 28.2 27.5
U1+R 62 47 55
8 L0 s7 V4 C+ s% O' B; A) y" P& ~
# R5 S6 J# g% b* G, e3 }5 f0 `　　葛洲坝换流站5061断路器更换分闸线圈后，其试验结果如下所示：
$ d3 g. z. P+ A+ ?* D8 \
　　线圈试验表明：更换了分闸线圈后，断路器的分闸时间、同期、金属短接时间以及高油压低电压下断路器动作情况均满足规程要求；提高了分闸线圈上的最低动作电压；增强了断路器的抗干扰能力；断路器的分闸时间比原来变长了(见表3)。5061断路器自1998年6月改造投运以来，至今未出现“偷跳”。
+ e! ]4 ~! y# r* O9 W5 L6 S/ c0 [/ H
表3　5061断路器更换分闸线圈前后分闸时间　ms
5 p2 y+ z5 |0 g5 a
" ]$ m/ \6 U1 h1 F7 e2 \6 L0 L相　序 原线圈 新线圈
tA 20.9 25.3
- u% h% ~& N, d* k6 ItB 22.8 27.1
  S- u, {; U! O" ptC 22.4 26.2

表4　更换分闸线圈后5061分闸线圈最低动作电压　V

相　序 U1+R U1 U2+R U2
' ?$ N, J+ x. x1 M" IA 56.1 27.59 65.3 33.74
9 @% S+ N& K. L; J. OB 59.4 31.15 62.6 32.72
C 62.1 31.77 65.6 32.38
" S1 a$ E) G& u
& K* q& S/ ~% J$ X/ J5 D5 E　　3　结论及建议
- b+ D$ U5 p4 U7 P! O( G* g3 K( N
　　对于分闸回路串有电阻的高压断路器，在满足规程的动作特性要求条件下，适当提高分闸线圈的电阻值，使分闸线圈两端的最低动作电压尽量接近30%Un，分闸回路(包括串联电阻)两端的最低动作电压应大于30%Un，小于65%Un，这样在满足分闸回路的通流能力要求和其它断路器动作特性要求的情况下，分闸线圈的最低动作电压将大大提高，既满足了规程的要求，抗干扰的能力也得到加强。
% C  \" J8 L5 Z8 ]
& [9 L7 `- S+ x% `　　
　　参考文献：

　　［1］清华大学高压教研组.高压断路器(下册).北京：电力工业出版社

) f1 M. C! ^! |　　［2］DL/T405-1996.进口252(245)—550kV交流高压断路器和隔离开关技