高压断路器的状态监测问题研究

高德文

（神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司甲醇厂 宁夏 灵武 750411）

0 引言

随着社会和经济的发展，电力系统在国民经济中的地位日趋重要，因此对电力系统安全可靠性提出了更高的要求，同时，电力系统的改革也促使各个电力运营商在满足质量要求的情况下追求以最低的成本实现最终的目标，而其中重要的举措之一就是采取科学的监测和故障诊断手段对电气设备进行检修，从而能够提早发现设备隐患，提高设备的可靠性，降低运行和维修成本。

1 机械振动信号的监测

高压断路器操作过程中机械零部件间的碰撞或摩擦会引起振动，振动信号可以反映断路器的机械状态。机械振动信号是一个重要的信息载体，包含有大量的设备状态信息，它由一系列瞬态波形构成，每一个瞬态波形都是断路器操作期间内部“事件”的反映。振动是对设备内部多种激励源的响应，对高压断路器而言，激励源包括分、合闸电磁铁、储能机构、脱扣机构、四连杆机构等内部构件的运动。断路器机械状态的改变将导致振动信号的变化，这是利用振动信号作为故障诊断依据的理论基础。通过适当的检测手段和信号处理方法，配合其它信号对断路器进行诊断可以识别振动的激励源，从而找出故障源。

振动信号是瞬时非平稳信号，不具有周期性振动，它是由于操动机构内部各构件的受力冲击和运动形态的改变引起的，在断路器的一次操作中，有一系列的构件按照一定的逻辑顺序启动、运动、制动，形成一个个振动波，沿着一定的路径传播，最终到达传感器的是一系列衰减振动波的叠加。

2 断路器分、合闸线圈电流的监测

高压断路器一般都以电磁铁作为操作的第一级控制元件，操动机构中使用的绝大部分是直流电磁铁。当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，动铁心受磁力吸引，使断路器分闸或合闸，从能量角度看，电磁铁的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过动铁心的动作，再转换成机械功输出。分、合闸线圈的电流中含有可作为诊断机械故障用的重要信息，可以选用补偿式霍尔电流传感器监测电流信号。对线圈电流的监测主要是提取事件发生的相对时刻，根据时间间隔来判断故障征兆，对于诊断拒动、误动故障有效。

3 断路器行程与速度的监测

位移量采集是靠光电式行程传感器来实现的。其工作原理如下:把旋转光栅安装在断路器操动机构的主轴上，利用光栅和光电断续器的相对运动，经光电转换，将速度行程信号转换为电信号。经数据处理后可得断路器操作过程中的行程和速度随时间的变化关系。据此可计算出以下参数:动触头行程，超行程，刚分后及刚分前10ms内平均值等。通过触头的时间、行程信号可以提取触头运动过程中各个事件发生时刻，根据事件时间来诊断故障，这种方法可以诊断断路器机械部分磨损、疲劳老化、变形、生锈，阀的缓慢动作等故障。

4 开断电流累计监测

在分闸过程中，由高压电流互感器和二次电流传感器测量高压开关的主电流波形，通过测量触头每次开断电流，经过数据处理得到该次开断电流的有效值，然后根据下式计算:

其中:n为开断的次数；Ibn为该次开断电流的有效值；a为开断电流指数；Q为开断电流的加权累计值。当Q值超过闭值时，则表明应该检修、更换，间接的反映触头的磨损情况。

5 合分闸时间与同期测量

在断路器断口上下接线端子接上测量信号线，当断路器合上时，信号线上有电流流过，经光电隔离器、电压比较器，输出高电平信号。当断路器分开时，信号线上无电流通过，输出信号是一低电平。测量系统以一定时间周期同时读取所有断口的信号，以操作线圈电流信号为起点，计算出各个相的各断口的分合闸时间和相间与相内的同期差。这种技术只能用于临时性监测。

6 合闸弹簧状态监测

6.1 直接监测:应用压力传感器，通过测量合闸弹簧压力值的大小，判断弹簧压缩状态。这种方法需要在机构上安装压力传感器。

6.2 间接监测:应用电流传感器，通过测量储能电动机的工作电流变换及工作时间，监测合闸弹簧的状态，通过分析电流波形得到电流特征参数的变化，从而反映弹簧状态的变化。

7 动态电阻的监测

一般的SF6断路器有主触头和弧触头，灭弧主要靠弧触头，断路器在闭合状态时，测得的回路电阻主要是主触头接触电阻和弧触头接触电阻的并联值，一般情况下，主触头接触电阻比弧触头接触电阻小的多，所以所测回路电阻无法反映弧触头的烧损情况。

在分闸过程中，主触头先分离，开断电流转移到弧触头上，弧触头间先出现电弧，借助灭弧装置使电弧熄灭。如果弧触头严重烧损，在分断过程中先于主触头分离，则灭弧装置不能发挥作用，这样会导致断路器烧损。从主触头分离到弧触头分离这段时间称为有效接触时间，其行程称为有效接触行程。只有保证弧触头有足够有效接触行程和时间才能使断路器顺利灭弧。通过检测断路器动作过程中的回路电阻变化曲线可以不用拆开断路器就能得到弧触头的有效接触时间，这种检测方法称为动态回路检测，测得的电阻称为动态回路电阻，用以区别通常德在断路器闭合时测得的回路电阻，后者称为静态回路电阻。

8 真空度的监测

现有对真空度测定的方法主要有:观察法，仅仅用于对玻璃外壳的真空灭弧室适应。并且只能作为经验判断，参考使用；交流耐压法，在分闸状态下的真空断路器的触头间施加交流电压，根据电压施加过程中相关参数的变化来判定真空度，但这种方法只能为真空灭弧室的真空状况提供一个粗略的判定，不能判断真空度的变化趋势，只是一个定性的判断方法，有时和实际结果并不一致；火花计法，这种方法也仅适用于玻璃管真空灭弧室，使用时，让火花探漏仪在灭弧室表面移动，根据高频电场作用下不同的发光情况来判断真空度。另外还有放电电流检测法，中间电位变化检测法和真空度测试仪法。

真空度的在线监测就是要在不改动断路器主体结构以及带电的条件下，无论断路器处于合闸或分闸状态，都可以随时监测其真空度的变化。实现真空度在线监测的方法主要有电光变换法，耦合电容法及波纹管和弹簧压力平衡原理。

9 结束语

另外，随着传感器、计算机、光纤等高新技术以及数学理论应用，人工智能技术的发展，为监测和诊断提供了进一步发展的空间。监测与诊断过程分为信号检测、信号处理及其特征提取、状态判别与分类、趋势预测等几项基本内容。在监测过程中，状态判别主要关心的是设备系统的整体状况；而在故障诊断中，状态分类则是在发现设备异常后，对故障进行深入的分析，已确定故障发生的部位、严重程度及其原因，为诊断决策提供依据。

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