变电站智能断路器机械特性在线监测技术的研究

田惠川

（西山煤电（集团）有限责任公司发电分公司， 山西 太原 030024）

引言

智能断路器作为一种非常重要的高压开关设备，在变电站的设备中，不仅负责电路的正常接通和断开，更对电路和电器起着安全保护的作用，其良好的功能状态是变电站以及电路系统正常、安全运行的关键所在。因此，为保障变电站和电力系统的正常运行，防止过载、高压危害等情况的发生，变电站对断路器的质量以及运行中的实时状况提出了很高的要求，从以往的定期预防性检修，逐渐转变为能够实时地自动监测断路器的运行状况。由此而来，对智能断路器机械特性进行实时监测的在线监测技术显得尤为重要，同时该技术的应用对提高电力系统的安全性和可靠性也至关重要。

1 断路器基本知识

1.1 断路器的结构

高压断路器是变电站中主要的控制设备，主要是控制正常电路的通断，及与继电器配合，快速切断电路中的故障电流，对电路起到有效的保护作用，其基本结构由开断元件、基座、绝缘支柱、传动机构以及操作机构等几部分组成[1]，如图1所示。

开断元件是断路器的执行部分，电路的通断电由它来直接完成。其结构主要包括触头、灭弧室和导电部分等。操动机构是断路器通断电的控制部分，能够控制断路器通断元件接通和断开的速度与其相应的动作时间。操作机构接到指令动作，由传动机构将动作传递到通断元件，通断元件执行相应的动作。绝缘支撑元件安装在基座与开断元件之间，保证带电部分与地绝缘。

图1 断路器基本结构图

1.2 断路器的操作机构

操动机构作为智能断路器相当核心的部分，主要体现在其智能的、精确的控制作用上，其能够及时地发出要求的功能指令，控制电路的开断。一般常见操动机构有弹簧、液压和电磁等。断路器电气控制部分的故障主要发生在操动机构，因此，断路器操作机构性能的正常与否是断路器关注的重点部分。其功能动作指令主要包括合闸、保持合闸、分闸和自由脱口。

1.3 断路器的机械特征参数

断路器的机械特性参数主要包括行程、时间和速度三种变量，断路器的开断性能直接受这三种变量的影响。对于断路器而言，闭合时间太长，通断速度较低，燃弧时间的加长，都会使得触头的电寿命越来越短。反过来说，若是通断速度较高，也会造成元器件之间的冲击太大，导致元器件过早地损坏。因此，断路器机械特征参数与断路器工作状况有着非常密切的联系[2]。下页图2、3为根据断路器动作实际状况获取到的信息，绘制出的断路器分合闸过程与相应的机械特性参数等变量相互对应的曲线示意图。

对于断路器整个通断过程来说，开断动作难以完整捕捉，造成机械特性参数的信息获取过程困难。为了增加信息获取的准确性和可靠性，对流程进行理想化和简化整理，可将整个通断闸过程简化为几个连续不同的动作过程，速度和位移可作为时间的连续函数，这样通过获取到关键位置的时间点，进而求出该时间点的速度和位移。如下页图4、5所示为断路器合闸时序图；分闸过程时序如下页图6、7所示。

图2 合闸曲线示意图

图3 分闸曲线示意图

图4 断路器合闸操作

图5 合闸过程时序图

2 智能断路器在线监测技术的总体研究

2.1 断路器在线监测的内容

通过断路器故障实际运行过程中涉及到的一些关键的特征指标要求，我们结合多年来的经验和统计分析，对断路器运行过程中的以下参数指标进行监测，如表1所示。

2.2 断路器各参数监测原理

2.2.1 分合闸线圈电流监测

断路器分合闸是由于电生磁原理使得铁芯产生电磁力来完成吸闸和断闸操作的。因此，电磁铁上线圈电流的变化情况能够反映断路器操动机构的运行状态关键信息。断路器铁芯上线圈电流的变化情况反映图形如图8所示。

图6 断路器分闸操作

图7 分闸过程时序图

表1 断路器在线监测的内容

图8 断路器线圈电流波形

t0—t1阶段：该阶段开始铁芯处于静止状态，线圈电流开始由零逐渐增大，到t1时刻铁芯开始动作。

t1—t2阶段：该阶段为铁芯运动阶段。t1开始动作，t2时结束动作，通过该阶段的电流曲线图可分析出脱扣、卡滞等异常现象。

t2—t3阶段：该阶段整个过程铁芯保持吸合状态不动作，通断元件的触头动作，断路器进入接通状态。

t3—t4阶段：该阶段电流达到稳定状态。

t4—t5阶段：该阶段电流迅速降为零，电磁铁芯失去吸合力，触头完成断开动作，断路器处于断开状态。触头断开期间，会伴随有电弧产生。

通过判断断路器开闭过程中线圈电流与规定值的差距情况，进而判别操动机构运行状况。分合闸线圈电流监测主要选用穿芯式霍尔电流传感器。该传感器的接线图如下页图9所示。

图9 霍尔电流传感器的接线图

2.2.2 触头行程时间特性监测

通过对触头行程时间特性进行监测，能够很好地把握触头的整个运行过程的详细情况。对触头行程时间特性进行监测主要是通过监测主轴的角位移，主轴的角位移与触头行程时间特性有着直接的关系，在主轴上安装角位移传感器，进而获取角位移-时间曲线图来反映触头行程时间特性曲线。

2.2.3 储能电机电流监测

对储能电机电流的监测仍然选用霍尔电流传感器，该传感器与分合闸线圈电流监测阶段选用的传感器原理相同，此处不再赘述。

2.2.4 三相主回路电流监测

断路器的三相主回路电流测取主要是通过电流传感器转换后进行测取，将其无法监测的大电流输入电流传感器转换为相应的小电流。选用的电流传感器一般为于波模块CHG-500E，输出电流的额定值为100mA。

3 智能断路器在线检测技术的先进性研究

在线监测技术属于自动化监测技术的一个范畴，其先进性表现在以下几个方面。

1）传感器技术：要求详细地把握断路器运行状态的变化过程，需要通过对断路器相应位置安装各种相应类型的传感器，通过传感器对断路器的各机械特性参数实时运行数据进行采集，如上述提到的用来测量电流的霍尔电流传感器、用来测量角位移的角位移传感器等。

2）软硬件技术：将采集的数据通过硬件平台上运行软件系统，进行自动对比分析，并绘制出需要的曲线图形，对断路器的状态进行评估描述，给出评判结论。

3）通信技术：把采集到的信号数据实时地进行传递，能保证数据的准确性和及时性，以便问题出现能够及时作出分析反应。

4）液晶显示技术：通过安装液晶显示屏，能够将采集到的实时数据以需要的方式显示在液晶屏上，方便相关人员的查看、编辑、保存等，为工作的进行提供了更大的便利。

4 结语

断路器在线监测技术对断路器运行状态进行实时监测，对提高变电站的安全、可靠运行具有着十分重要的作用。随着变电站逐渐向着更智能化、更自动化的方向发展，会对断路器在线监测技术提出更高的要求，使得适应于断路器的在线监测技术趋于更通用化、更模块化。