低温环境下高压断路器故障模拟

01故障仿真分析1.1

温度对分合闸时间影响仿真分析1.1.1

液压弹簧机构的建模与仿真运用AMESim建立液压弹簧机构的模型如图1所示。仿真中分别设置液压源模块温度为–5

℃、–10℃、–15℃、–20℃和–25℃，得到相应温度下的液压油黏度如图2所示。可以看出，液压油黏度随着温度降低而升高。将数据导入液压操动机构模型中，得到液压弹簧操动机构在不同温度下的机械曲线分合闸时间，如表1所示。图1

液压弹簧机构模型Fig.1

Hydraulicspringmechanismmodel

图2

液压油黏度曲线Fig.2

Hydraulicoilviscositycurve表1

不同低温点的分合闸时间Table1

Openingandclosingtimeofdifferentlowtemperature由表1可知，温度降低时，分闸时间变化比较小，这是由于分闸操作对动作速度要求较高，需要的储能出力比较大，故低温环境造成的影响较小。而合闸操作需要的储能出力比较小，受低温环境的影响较大，合闸时间变化明显。1.1.2

温度对分合闸时间影响机理液压弹簧断路器通过高低压油路的转换，进而借助高压油产生的油压力，完成分合闸操作。通过牛顿液体内摩擦规律，液压油在流动时相邻液层的内摩擦力Ft为式中：μ为液压油黏度；A为接触面积；v为液压油流速；y为沿着流速变化方向。油路中的压力损失为式中：∆p为油路中的油压损失；λ为沿程阻力系数；l为油路长度；d为油管直径；ρ为液压油密度；v为油路中液压油流速；ζ为阻力系数。活塞杆的运动方程为式中：Fd为总作用力；Ac为活塞面积；pc为高压油腔内的油压；Cc为阻尼系数；xc为活塞行程；t为时间；fc为缸内阻力；mc为活塞质量。当温度降低时，液压油黏度增大。结合式（1）~（3），液压油黏度增大导致液压油内摩擦力增大、液压油压力损失增大、总出力减小，断路器的分合闸速度变慢，分合闸时间变长。1.2

分合闸线圈电流仿真分析1.2.1

分合闸线圈建模利用SolidWorks软件进行电磁铁三维建模，模型如图3所示。将模型导入Ansys中进行仿真，相关参数如表2所示。图3

分合闸线圈模型Fig.3

Dataacquisitionplatform表2

仿真参数设置Table2

Simulationparametersetting正常情况下测得的分合闸标准电流波形如图4所示。图4

线圈电流标准波形Fig.4

Standardwaveformofcoilcurrent可以看出，线圈电流曲线的变化过程可分为以下3个阶段。1）当t=0时，分合闸命令发出，对应的分合闸线圈通电，线圈电流值以指数的形式上升，通电线圈产生的电磁力还不能够使合闸电磁阀内的铁芯动作，铁芯处于预动状态；2）当t=t1时，线圈电流达到波峰值I1，通电线圈产生的电磁力刚好能够使电磁阀内的铁芯动作，由楞次定律可知，铁芯动作将会产生反电动势使线圈电流值减小；3）当t=t2时，线圈电流达到波谷值I2，电磁阀内的铁芯动作到位，反电动势消失，线圈电流值以指数的形式上升到稳定值I。令∆t=t2–t1，∆I=I1–I2，X=(t1,

I1,

t2,

I2,

∆t,

∆I,

I

)作为特征参数，当断路器发生故障时，X中的特征参数会发生变化，进而将故障信息表现出来。1.2.2

分合闸线圈电压不稳仿真分析正常情况下，线圈两端电压为220V。为了模拟电源电压在一定范围内变化，设置电压分别为200V、210V、220V、230V和240V，得到仿真电流曲线如图5所示，特征参数如表3所示。图5

不同电压线圈电流曲线Fig.5

Coilcurrentcurvesofdifferentvoltages

表3

不同电压线圈电流参数Table3

Coilcurrentparametersofdifferentvoltages由图5和表3可知，I1、I2、I随着线圈电压的增大而增大，t1、t2随之有不同程度的减小，∆t、∆I随着电压的增大而逐渐减小。当线圈通电后，动铁芯所受电磁力F为式中：i为线圈电流；L

为线圈电感；x为动铁芯位移。当线圈电阻一定时，线圈电流与线圈电压是正相关的，电压越大电流越大，通电线圈产生的电磁力越强，受到电磁力作用的电磁阀铁芯动作速度越快，因此分合闸结束时间以及电流曲线到达波峰、波谷的时间提前。1.2.3

分合闸线圈接触不良仿真分析线圈以及连接处出现松动或者腐蚀等会造成接触不良。这种故障对外可以表现为线圈回路电阻增大，仿真时回路中增加串联电阻，阻值分别为25

Ω、50Ω、75Ω、100Ω和125Ω，仿真结果如图6和表4所示。可以看出，I1、I2、I随着串入电阻的增大而减小，t1、t2随之有不同程度的增大，∆t、∆I随着串入电阻的增加而增大。图6

不同电阻线圈电流曲线Fig.6

Coilcurrentcurvesofdifferentresistances

表4

不同电阻线圈电流参数Table4

Coilcurrentparametersofdifferentresistances当线圈电压一定时，线圈电流与线圈电阻是负相关的，回路电阻越大，线圈电流越小，通电线圈产生的电磁力越弱，受到电磁力作用的电磁阀铁芯动作速度越慢，因此分合闸结束时间以及电流曲线到达波峰、波谷的时间延后。02故障模拟实验2.1

低温实验平台为了满足实验低温环境的需求，在漠河某变电站内搭建了低温实验平台，实验对象为LW30-252L型高压交流瓷柱式断路器。断路器可实现三相联动，配有CTY-10型液压弹簧操动机构，利用储能电机对碟簧进行储能，通过分合闸线圈控制换向阀进行高低压油路的转换来完成分合闸操作。通过动特性测试仪来获取分合闸时间，使用加速度传感器测量振动信号，利用示波器测量断路器分合闸电流曲线，设备布置情况如图7所示。图7

试验设备布置示意Fig.7

Experimentalequipmentarrangement

2.2

试验方案2.2.1

无故障条件下的低温实验为了研究低温对断路器机械性能的影响，与模拟故障条件下的断路器分合闸实验数据进行对比，需要对没有故障情况下动作的断路器进行低温分合闸实验。设置断路器动特性测试仪的标准充电电压为220V，在–5℃、–10℃、–15℃、–20℃和–25℃共5个环境温度点下，分别对液压弹簧断路器进行10次分合闸试验。通过实验获取分合闸时间、分合闸电流和振动信号，分合闸时间取B相数据。2.2.2

线圈电压不稳定条件下的低温实验断路器在运行过程中会出现分合闸线圈电压不稳定的故障情况。分合闸线圈两端电压过小可能导致操动机构无法动作，过大可能会烧毁线圈。本着不损坏断路器的原则，设置动特性测试仪的充电电压为200V、210V、220V、230V和240V5个等级，分别在–5℃、–10℃和–20℃3个环境温度点下对断路器进行分合闸试验，每个温度点下的每个电压等级进行分合闸操作10次。2.2.3

线圈回路接触不良条件下的低温实验断路器在运行过程中，分合闸线圈及其两端的连接点可能会被腐蚀而导致回路接触不良的故障情况，线圈回路接触不良可采用在线圈回路中串入电阻的方法模拟故障。经测量，断路器固有线圈电阻为127Ω。使用滑动变阻器来得到不同阻值的电阻，实验时设立25Ω、50Ω、75Ω、100Ω和125Ω共5个等级的串入电阻值，线圈电压设置为220V，分别在–5℃、–10℃和–20℃3个环境温度点下对断路器进行分合闸试验，每个温度点下的每个电阻等级进行分合闸操作10次。2.2.4

碟簧储能不到位条件下的低温实验碟簧是液压弹簧断路器的储能部件，碟簧储能状态关系到断路器动作的正常与否。经过测量，碟簧完全储能时其压缩量为87mm，实验时通过卸能手杆将碟簧储存的能量全部放掉，在断路器能够动作的前提下，通过汇控箱内控制碟簧储能的计时器设定不同时间，使碟簧储能时的压缩量分别为87mm、77mm、67mm、57mm和47mm共5个等级，分别在–5℃、–10℃和–20℃3个环境温度点下对断路器进行分合闸试验，每个温度点下的每个碟簧压缩量等级进行分合闸操作10次。2.3

振动信号处理方法加速度传感器测得的典型分闸振动信号波形如图8所示。图8

典型分闸振动信号波形Fig.8

Typicalopeningvibrationsignalwaveform直接对波形进行分析比较困难，可以将复杂波形分解为有限个本征模函数（intrinsicmodefunction，IMF），再对IMF分量进行希尔伯特变换，得到瞬时频率和瞬时幅值，进而得到信号的希尔伯特边际谱。分闸振动信号的边际谱能量如图9所示。图9

分闸振动信号的边际谱能量Fig.9

Marginalspectralenergyofopeningvibrationsignal03实验结果与分析3.1

无故障情况正常情况下测得不同低温等级下的分合闸时间如表5所示。可以看出，低温对液压弹簧断路器的开断性能存在一定影响，随着温度的降低，分合闸时间均呈现增加趋势，与仿真结果相同。表5

不同低温点的分合闸时间Table5

Opening/closingtimeofdifferentlowtemperaturegrades正常情况下测得的不同低温等级的特征参数平均值如表6所示。可以看出，低温对线圈电流的特征参数影响较小。表6

不同低温点的电流特征参数Table6

Characteristicparametersofdifferentlowtemperaturegradesundernormalconditions线圈电阻随温度变化关系式为式中：R为铜线电阻值；l为铜线长度；ρ为铜线电阻率；A为铜线截面积；Tk为温度，K。由式（5）（6）可知，由于ρ的单位为nΩ·m，20℃的温度变化对电阻率影响很小，当其余参数不变时，线圈电阻变化不超过2Ω，相较于127Ω的线圈电阻来说，不会对线圈电流造成大的改变，因此后续对于线圈故障分析不再考虑温度的影响。正常情况下测得不同低温等级下的边际谱能量平均值如图10所示。可以看出，振动信号的边际谱能量主要包含在IMF1中。当温度在–5

℃~–10℃范围时，分闸信号的IMF1的边际谱能量发生了较大改变，IMF2分量也有小幅度的增加，其他分量的变化不大，而在更低的温度下几乎没有变化。图10

不同低温点的边际谱能量3.2

线圈电压不稳定条件因不同低温点下不同故障等级的特征参数变化趋势相同，只是各项数值大小有所差异，故将–20℃环境温度下得到的实验数据作为典型来提取特征参数并分析其变化规律。–20℃低温点下施加不同线圈电压等级的合闸电流曲线如图11所示，特征参数如表7所示，其中T为合闸时间，220

V电压所在行对应正常情况的数值。图11

不同线圈电压等级的电流曲线表7

不同线圈电压等级的电流特征参数可以看出，特征参数X中的I1、I2、I随着线圈电压的增大而增大，t1、t2、T随之有不同程度的减小。其中I1变化了8.6%，I2增大了25.4%，I增大了19.9%；t1减小了15.6%，t2减小了17.4%；T减小了1.7%，与仿真结果的变化趋势一致。图12为–20℃低温下不同线圈电压时的分闸边际谱能量。可以看出，分合闸振动信号中各IMF分量的边际谱能量值在小范围内波动。图12

不同线圈电压等级的边际谱能量Fig.12

Marginalspectralenergyofdifferentcoilvoltagelevels3.3

线圈回路接触不良条件–20℃低温点下串入不同电阻的合闸电流曲线如图13所示，特征参数如表8所示，其中5Ω电阻所在行对应正常情况的数值。图13

串入不同电阻的电流曲线Fig.13

Currentcurveofdifferentseriesresistors

表8

不同串入电阻的电流特征参数Table8

Characteristicparametersofdifferentseriesresistors可以看出，特征参数X中的I1、I2、I随着串入电阻的增大而减小，t1、t2、T随之有不同程度的增大。其中I1减小了14.6%，I2减小了30.9%，I减小了46.3%；t1增加了43.4%，t2增大了55.2%；T增加了4.3%，与仿真结果趋势一致。对比表7和表8可以看出，线圈电压减小与回路电阻增加造成的电流变化趋势一致。原因是这2种变化都造成了线圈电流的减小，导致通电线圈产生的电磁力减小，受到电磁力作用的电磁阀铁芯动作速度降低，因此分合闸结束时间以及电流曲线到达波峰、波谷的时间推迟。图14为–20

℃下不同串入电阻的分闸边际谱能量。可以看出，分闸振动信号中各IMF分量的边际谱能量值几乎不随电阻的变化而变化。综合分析线圈故障发现其对振动信号的边际谱能量影响很小，可以忽略。这是由于线圈主要控制机构的动作时刻，对本体的动作出力等特性没有影响。图14

不同串入电阻的边际谱能量Fig.14

Marginalspectralenergyofdifferentseriesresistors

3.4

碟簧储能不到位条件–20℃低温点下不同碟簧压缩量的合闸电流曲线如图15所示，特征参数如表9所示，其中x为碟簧压缩量，87mm压缩量所在行对应正常情况的数值。图15

不同碟簧压缩量的电流曲线Fig.15

Currentcurvesofdifferentdiscspringcompression

表9

不同碟簧压缩量的特征参数Table9

Characteristicparametersofdifferentdiscspringcompression可以看出，这5组碟簧压缩量对应的线圈电流曲线基本是重合的，线圈电流的特征参数相差不大，但合闸时间随着碟簧压缩量的增大而减小。这是由于碟簧压缩量表明碟簧储存的能量，它在分合闸过程中代表油路中液压油的油压力，与线圈电流无关。碟簧压缩量越大，分合闸时储能出力越大，则断路器动作速度越快，分合闸时间越小。图16为–20

℃下不同储能的分闸边际谱能量。可以看出，随着碟簧储能的增加，IMF1的边际谱能量随之增大。IMF2~IMF5分量随碟簧储能的变化规律不明显