高压断路器状态在线监测技术综述

康 旭 张 华 张铭川 尹建忠 郭昱延

（国网冀北电力有限公司廊坊供电公司）

高压断路器状态在线监测技术综述

康 旭 张 华 张铭川 尹建忠 郭昱延

（国网冀北电力有限公司廊坊供电公司）

本文详细总结了高压断路器在线监测的内容，并介绍了所监测内容的检测方法、原理，对高压断路器在线监测存在的问题进行了归纳。

高压断路器；在线监测

0 引言

高压断路器是电网主设备之一，承担着切断或闭合高压电路中的空载电流、负荷电流过负荷电流、短路电流的作用,在整个电力系统中处于十分重要的位置。随着近年来用户对电能质量的要求越来越高，对断路器的可靠性要求也越来越高，掌握其各种状态参数，对于断路器的安全稳定运行具有十分重要的意义。

1 检测内容

断路器状态检测的内容主要包含以下六个方面［1］：①断路器机械特性参数；②断路器分合闸线圈电流；③SF6气体密度、湿度；④真空断路器灭弧室真空度；⑤导电接触部位的温度；⑥特高频及超声局放检测在断路器在线监测中的应用。

2 实现方法

2.1 断路器机械特性参数的在线监测

断路器的机械特性参数主要包含分合闸动作时间、刚分刚合闸速度、三相不同期、触头开距、过冲、超行程［2、3］，这些参数都可以通过测量断路器的行程-时间曲线获得，对于掌握断路器的灭弧性能、接触紧密度及灭弧室寿命等有重要意义。过分析动触头的行程-时间特性曲线，可以分析出分合闸过程中的各类机械故障，诸如机构卡涩、变形、疲劳、阀体动作缓慢等机械故障，图1为典型的断路器行程-时间曲线。图2为使用高压断路器动作特性测试仪对某220kV变电站110kV118断路器开关所测合闸行程-时间特性曲线。测量行程所用传感器主要有电位器式、光电旋转型、直线型三种类型，最广泛使用的是光电旋转型。该项技术已经比较成熟，但多用于断路器预防性试验期间，尚未大规模应用于在线监测，主要问题如下：① 敞开式断路器运行条件恶劣，传感器易损坏；② 各型断路器的规格及参数不同，测试设备存在通用性问题；③ 断路器机构内部空间狭小，测量器件无法安装。

因此，今后高压断路器机械特性监测的主要方向应朝着高可靠、通用性、小型化、集成性的方向发展。

图1

图2

2.2 断路器分合闸线圈电流

通过分析线圈所通过电流的波形、幅值、平滑度及线圈带电时间等状态量，可以分析出很多机构内部存在的缺陷及隐患。如可以通过观察波形平滑度判断机构是否存在卡涩，通过观察脱扣点位置判断三相同期性，通过观察三相线圈的带电时间判断辅助开关的动作一致性等。图3为220kV某站2223断路器的合闸电流波形，从波形中可以看出，A相断路器合闸线圈的得电时间（图中圆圈处）比其他两相晚，累积到合闸同期性中，造成三项合闸不同期。图4为500kV某站5042断路器合闸线圈电流，线圈得电起始时间三相一致性很好，然而三相脱扣器脱扣位置相差很大，可以分析出A相断路器合闸线圈或脱扣器存在卡涩情况。

分合闸线圈内的电流检测可分为内触发及外触发两种，外触发方式属于非在线监测，多用于高压断路器预防性试验。外触发即使用钳型电流表掐在断路器分合闸回路的导线上，通过霍尔效应测试导线内的电流波形，钳形电流表的使用只需将钳形电流表夹在分合闸线圈的到线上并与分析检测仪器安装好，在运行人员倒换站内运行方式期间便可进行监测，实现了在线监测。

图3

图4

2.3 导电接触部位温度在线监测

2.3.1 红外测温技术

红外热像仪测温是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，经过信号处理后将被测物体表面的热分布转化为红外热像图，从而可以很直观地得到观察物各部位的温度。红外检测技术具有不接触、不停运、不取样、不解体的优点，是电力设备预知性故障诊断的重要手段之一，但也存在所测温度不准确［4］、设备昂贵的缺点，因此目前仅限于周期性的检测，但国内已开始对红外测温的在线监测进行研究，例如文献［5］提出的将红外测温仪与图像监控软件结合对电气设备温度进行实时在线监测的有益探索。

2.3.2 无线测温装置

无线测温装置属于接触式的测温方法，即将测温终端附着在发热点上，温度传感器测量出发热部位的温度并将信号传输给数据变换器，数据变换器将接收到的信号转换为无线信号发送给接收终端，实现温度的在线监测。无线测温解决了红外测温法难以监测高压开关柜内触点运行温度的难题，但由于温度测量高电压、高干扰的环境特点对温度传感器及无线通讯方式的选择造成了很大困扰，近年来随着高可靠传感器及ZigBee、WiFi和433MHz等抗干扰性能强的短距无线通讯技术的发展，无线测温技术开始被广泛应用于10kV及35kV开关柜类设备温度的监测，此类测温方法可以准确测量及实时跟踪易出现过热部位的温度。图5为无线测温装置所测某110kV变电站受总201开关动静触头温度曲线，图6为温度传感器安装位置示意。

图5

图6

2.4 SF6断路器内SF6密度及微水在线监测

目前监测SF6密度的主要手段为使用机械式SF6密度继电器，其原理见图7。密度继电器设置超压、报警、闭锁三个阈值，只有在气压到达该阈值时，密度继电器才会启动，因此述方法存在着无法实时监测SF6气体密度的缺点，而且机械式密度继电器微动开关的游丝型磁柱式接点易接触不良，造成监测失效。近年来随着传感器及通讯技术的进步，SF6气体密度的在线监测逐渐投入使用，真正实现了SF6气体密度的实时在线监测。

图7

SF6气体的含水量是表征断路器绝缘性能的一个重要特征参数［6］。SF6气体中水分超标会降低绝缘，造成沿面闪络等危害，而且含水量过高时SF6气体会分解形成HF及SO2等酸性有毒物质，危害巨大。SF6微水测量的方法主要有重量法、电解法、振动频率法、冷镜法、阻容法等，我国多使用露点仪来对SF6气体中的微水进行检测，但该方法只能定期进行检测，而且检测过程经济及环保性差，易受环境温度的影响。因此，近几年国内逐渐开展了SF6微水在线监测方面的研究及尝试，即将高灵敏度湿度传感器置于GIS气室内部或安装于取气口处，实时监测微水含量，但也存在着传感器安装于取气口处造成的测量数据无法真实反映气室内气体真实微水值的现状，针对这一情况，文献［7］提出了一种利用温差对流法测量SF6气体微水含量的新方法。

2.5 SF6气体分解产物的在线监测

根据气体组分分析结果［8］结合UHF、超声局放检测等检测手段可对具体缺陷进行判断。该项检测主要有气相色谱法、检测管法、传感器法等离线监测方法以及红外吸收光谱法、光声光谱法等在线监测方法，文献［9］对上述方法进行了详细的阐述。目前，国内对SF6气体分解产物分析主要采用的气相色谱法存在检测时间长、环境要求高、检测组分不全面等缺点，无法进行实时在线监测。SF6气体分解产物的在线监测尚处在研究阶段，目前研制成功的少数在线监测装置也只是对SO2等较稳定的分解产物进行在线监测［10～13］，而对诸如SOF2、SO2F2、CF4、SF4等成分仍缺乏有效的在线监测手段，文献［14］阐述了一种利光电子电离质谱法在线监测SF6气体分解物的方法，取得了较好的效果。另外对于气体组分、含量与设备缺陷类型、程度之间关系的研究还只是停留在定性的层面，二者之间的定量关系尚未有更深入的研究。

2.6 真空断路器灭弧室真空度的在线监测

35kV及以下电压等级的开关柜多使用真空断路器，检测真空度的方法有工频耐压法、磁控式放电法等，常见于预防性试验现场。工频耐压法只能定性检测，无法定量获取灭弧室的真空度，在预试现场较多使用的是磁控式放电法，该方法可重复性高，测量准确，是灭弧室真空度监测的主流方法，然而这种方法需将断路器停电并拉至检修位置，无法满足在线监测的需要。目前尚未有投入使用的真空断路器真空度在线监测系统，但国内外科研人员对该课题的研究已经开始了多年并取得了丰硕的成果，主要的研究方向为通过屏蔽罩上的电磁变化来判断真空度，据此衍生出了光电法、耦合电容法等多种方法，并研制了多种监测装置［15-21］投入了实际运行，但仍未获得大规模应用，主要原因在于传感器在高电压、高电磁干扰下的可靠性及测量准确度、成本等问题对其大规模应用的制约。

2.7 特高频及超声局放检测在GIS设备在线监测中的应用

传统的测量GIS内部绝缘缺陷的的方法为耐压试验，该方法由于存在无法进行在线监测及可能对绝缘部件造成损坏等诸多缺点，正在逐步被特高频（UHF）法及超声局放法替代。

2.7.1 UHF局放检测在断路器在线监测中的应用

GIS设备中存在局部放电时，放电点会向外辐射出数GHz的电磁波，UHF局放检测法就是对该信号进行检测，变电站GIS室内的干扰信号的频段主要在300MHz以下，不会对UHF局放检测造成较大影响［22］。此外，利用电磁波在GIS内传播时的衰减特性，通过多点布设传感器接收信号的时差，可准确定位故障点。UHF局放检测法对于GIS内部常见的尖端、悬浮电位、绝缘空泡、金属碎屑、沿面放电等缺陷引起的局部放电均能进行检测，结合各类缺陷所引起局部放电的特征［23］，UHF局放检测仪的专家系统可自动对所检测到的局放信号进行判断，确定缺陷的类型。

2.7.2 超声局放检测在GIS设备在线监测中的应用

超声局放检测无法实时对GIS设备进行检测，灵敏度低于UHF法［24］，但其测量范围较小，常用来对放电位置进行精确定位。超声局放检测提供三种模式，即连续模式、相位模式和脉冲模式，通过各种模式下获得图谱的特征分析，技术人员便可确定缺陷的类型，文献［25］对各种模式下各种缺陷的典型图谱进行了详细介绍。由于一台装置可用于多个变电站，因此超声局放检测较UHF检测成本更低，使用更具有灵活性。但同时超声局放检测也存在无法自动定位局部放电位置的缺陷，因此，在实际应用中常与UHF法配合使用。

3 结束语

综上，随着国内电网公司设备状态检修工作的实施，高压断路器状态在线监测技术越来越广泛地被应用到了电力工业的实际生产中。笔者依据自身经验，在参考大量文献的前提下，对断路器在线监测的内容进行了详细阐述，以期为生产及相关研究提供一定的参考。

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2016-06-02）