戶外高壓斷路器機械靜負載試驗研究

陸俊陽 張雙榮 盛建華 張天福 呂建江

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741000）

0 引言

隨著我國輸變電技術快速發展，國家電網建設保持較高速發展，輸配電技術快速革新。戶外斷路器及戶外隔離開關在輸配電過程中有著極其重要的作用，我國高壓輸電設備的電壓等級主要有12、24、40.5、72.5、126、252、363、550、800、1 100 kV，其中126 kV及以下的戶外斷路器在實際工程中應用較多。然而，戶外斷路器和戶外隔離開關的接線端子在實際工作中不但需要承受輸電電纜的自重負荷，還面臨微風振動、舞動、風、冰雪和次檔距振動等動態載荷的綜合作用[1-2]，常常會發生接線端子破壞以及操作運行機構不穩定、卡死等情況，需要針對該問題進行戶外斷路器端子及支撐機構抗水平向、垂直向動態疲勞能力的試驗以及開關機械壽命試驗。而GB 1984—2014、DL/T 402—2016等標準中端子負載試驗條款要求對戶外斷路器端子進行端子靜負載試驗來驗證開關設備承受靜態負載的能力，此方法雖然可以模擬端子承受動態負荷的部分情況，但并不能完全模擬斷路器在正常工作過程中端子動態負荷對斷路器特性的影響。本文在標準試驗方法的基礎上進行了改進，采用斷路器端子靜負載試驗前、中、后的機械特性參數來驗證動態負荷對斷路器的影響。

1 126 kV及以下高壓斷路器靜負載試驗方法

本文提出的高壓斷路器靜負載試驗方法能夠檢測126 kV及以下戶外斷路器耐受靜負載的能力，通過試驗前、試驗中、試驗后的機械特性測量來驗證其是否發生破壞性影響。本文在GB 1984—2014、DL/T 402—2016標準的基礎上，對靜負載試驗方法進行了優化，特別進行了靜負載試驗過程中的機械特性測量。

1.1 試驗原理及方案

戶外斷路器靜負載試驗分為三個部分：

1）靜負載試驗前機械操作及機械特性測量。完成兩個操作循環（CO），并記錄第二次操作循環（CO）的觸頭行程、分閘時間、合閘時間[3]。檢查靜負載試驗前斷路器的操作性能和機械特性。

2）施加靜負載試驗，并在靜負載試驗過程中進行操作性能及機械特性測量，驗證靜負載試驗過程中斷路器的操作性能及機械特性參數。試驗至少應在斷路器的一個完整極上進行。

靜負載具體試驗方法如下：

三個方向的力可以分開施加，施加力的順序如下：

（1）縱向水平力FthA：施加在端子的縱向軸上[4]；

（2）橫向水平力FthB：分別施加在與端子的縱向軸成90°的兩個方向[4]；

（3）垂直力Ftv：分別施加在上、下兩個方向[4]。

3）靜負載試驗后操作性能及機械特性測量。檢查靜負載試驗后斷路器的操作性能和機械特性，比較分析靜負載試驗后機械特性是否符合要求。

1.2 試驗系統

上一節已對靜負載試驗方法進行了詳細介紹，高壓電器端子負載試驗測試系統也是根據此方法的要求設計而成，每個方向的最大負載可以達到10 kN，試驗負載可在0～10 kN靈活調節，并且可以同時進行機械操作和機械特性測量，完全滿足126 kV及以下的戶外斷路器耐受靜負載試驗要求。試驗過程中所用到的設備為高壓電器端子負載試驗測試系統，該測試系統由兩部分組成，即靜負載試驗系統和機械特性測控系統。高壓電器端子負載試驗測試系統采用多組電動伺服缸組合對各端子同時施加水平向和垂直向的動、靜載荷；可模擬輸電電纜在風壓作用下對戶外斷路器、戶外隔離開關端子產生的垂直于水平向、垂直向載荷的正弦擺動疲勞試驗，并且能自由組合各種異步動態的組合方案；由微機控制一鍵執行機械操作和機械壽命試驗項目，并自動調整符合對應項目的端子靜負載值。

1.2.1 靜負載試驗系統

靜負載試驗系統如圖1所示，主要由6工位承載框架、8組伺服電動缸、8通道負載伺服測控單元、試品安裝單元組成，主要為接線端子施加縱向水平力FthA、橫向水平力FthB和垂直力Ftv，模擬接線端子承受的來自導線、風、冰雪各個方向的應力[4]。

主要參數：試驗空間5 m×3 m×3.5 m（長×寬×高）；負載施加工位：6工位（滿足三相斷路器、隔離開關的6個接線端子），最大試驗負載10 kN，可在3個方向同時施加；負載的施加高度可在1.0～3.5 m自由升降調節。水平向靜負荷：0.1～10 kN；水平向動負荷：0.4～5 kN；垂直向動負荷：0.4～5 kN；位移測量精度±1%FS；負荷測量精度±1%FS。

1.2.2 高壓開關機械特性測控系統

如圖2所示，本測試系統由計算機通過交換機分別連接PLC、數據采集器和回路電阻測試儀完成電源控制、動作控制、機械特性數據的采集以及回路電阻測試的運行和采集。

圖2 機械特性測控系統

如圖3所示，計算機通過交換機分別與PLC控制器、數據采集系統和回路電阻測試儀連接，并通過PLC控制繼電器組1的繼電器動作給各回路供電。在每次的合分閘動作中，PLC控制器控制繼電器組3接通斷口與電位信號傳感器相通，而后通過數據采集器組采集斷口的分合時間點數據，得到合分閘時間與速度。

圖3 機械特性測控系統控制原理圖

回路電阻的測量：在計算機軟件每次或每幾次動作循環后，PLC控制繼電器組2使接觸器組接通，繼電器組3斷開，在每次循環間隙迅速完成一次回路電阻測量，并將測得的回路電阻傳給計算機用于磨合過程中回路電阻變化曲線的繪制?；芈冯娮铚y量完畢后再由PLC通過繼電器組2控制接觸器斷開，繼電器組3接通，再完成之后的分閘動作。

2 126 kV及以下高壓斷路器靜負載試驗結果分析

2.1 試品介紹

根據斷路器靜負載試驗方法要求，選取3個廠家生產的3種型號規格的9臺試品進行試驗，試驗負載的施加如表1所示。

表1 靜負載施加表

廠家A、B、C分別提供了額定電壓40.5 kV、額定電流1 600 A，額定電壓72.5 kV、額定電流1 600 A，額定電壓126 kV、額定電流2 500 A的3臺戶外斷路器進行試驗。試驗后對3組產品進行機械特性驗證，并將3組產品試驗前、中、后的機械特性參數進行比較分析。

2.2 端子靜負載試驗

針對3個廠家3種規格的戶外高壓斷路器進行端子機械負載試驗，機械負載試驗前、后分別進行兩個操作循環（CO），并測量觸頭開距、合閘時間、分閘時間等機械特性參數[5]。然后依據表1的要求對接線端子依次施加水平縱向力FthA、水平橫向力FthB和垂直力Ftv，施加機械負載過程中對斷路器進行合分操作，并測量機械特性參數，斷路器動作正常且機械特性在允許范圍內則認為滿足要求。

對于第一組廠家A，在機械負載試驗過程中，3種規格的產品均能正常進行合分操作且機械特性參數滿足要求，斷路器動作靈活、可靠。

對于第二組廠家B，在機械負載試驗過程中，40.5、72.5 kV兩種規格的產品均能正常進行合分操作且機械特性參數滿足要求，斷路器動作靈活、可靠；126 kV的產品在進行第二次合閘操作過程中出現輕微卡頓現象，機械特性參數略微增大，操作還處于正常狀態。

對于第三組廠家C，在機械負載試驗過程中，3種規格的產品均能正常進行合分操作且機械特性參數滿足要求，斷路器動作靈活、可靠。

機械負載試驗后，立即進行兩個操作循環（CO），再次測量觸頭開距、合閘時間、分閘時間等機械特性參數并繪制空載行程曲線。

對于第一組廠家A，在機械負載試驗前、中、后分別進行了機械特性測量，觸頭開距、合分閘時間基本沒有變化。對于第二組廠家B，在機械負載試驗前、中、后分別進行了機械特性測量，試驗過程中和試驗后觸頭開距均有所增大，合閘時間略微增大，分閘時間基本沒有變化。對于第三組廠家C，在機械負載試驗前、中、后分別進行了機械特性測量，觸頭開距、合分閘時間基本沒有變化。具體試驗參數如表2所示。

表2 機械負載試驗前、中、后機械特性參數

綜上所述，靜負載試驗對廠家A、廠家C的產品的操作性能和機械特性基本沒有影響，對廠家B的產品的操作性能有輕微影響，對機械特性也存在一定影響，但整個影響情況均在試驗的允許范圍之內，未對產品的性能造成較嚴重的后果，產品還可正常使用。試后對試品進行徹底的檢查分析，發現B廠家的產品動作機構松動、126 kV產品的機構產生輕微變形，這是造成上述試驗結果的直接原因。

3 結論

通過大量的故障分析和試驗可以發現，戶外斷路器接線端子在實際工作中承受輸電電纜的自重、微風振動、舞動、次檔距振動和雨雪等動態載荷的綜合作用，常常會造成接線端子破壞和操作運行機構不穩定/卡死、斷路器特性變化等情況[6]。因此，采用此靜負載試驗方法可以很好地模擬接線端子及其機構的實際工作狀態，測試戶外斷路器接線端子及其支撐機構的抗水平向、垂直向動態疲勞能力，為生產廠家或者使用單位改善產品質量和故障分析提供數據支撐。