高压断路器机械性能在线监测方法
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[摘 要] 本文主要阐述了高压断路器在线监测系统的行程―时间特性监测，分、合闸线圈电流监测，振动信号在线监测以及目前存在的问题。
[关键词] 高压断路器 行程―时间特性监测 分、合闸线圈电流监测 振动信号在线监测
[Abstract] This article mainly elaborates the on-line monitoring system of high voltage circuit breaker travel-time characteristics monitoring, trip or closed coil current monitoring, vibration signal online monitoring and the problems at present.
[Key words] high voltage circuit breaker travel-time characteristics monitoring trip or closed coil current monitoring vibration signal online monitoring
0.引言
高压断路器作为变电站中重要性仅次于变压器的高压开关设备，在电力系统中起到保护和控制作用，它的可靠性直接影响整个电网的安全运行。随着变电站综合自动化水平（无人值守）的提高，对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。在供配电系统中，高压断路器的使用数量多、检修量大、费用高，而且高压断路器造成的非计划停电事故是很多的，它所造成的间接损失远大于设备本身的费用，故必须加强对断路器的状态监测。
高压断路器实施实时在线监测，可以及时了解其运行状况，掌握其运行特性及变化趋势，以便尽早发现潜在故障，及时采取预防措施或进行维修，保障系统可靠运行。实施高压断路器在线监测减少了过早或不必要的检修，降低了维修费用，提高了检修的针对性；其次，提高了开关设备本身的使用寿命，显著提高电力系统的可靠性；再者，高压断路器在线监测技术为设备的状态检修机制提供了依据，为实现从计划检修到状态检修的转变创造了有利条件，具有重大意义。
1.高压断路器行程特性的监测
研究表明，70%~80%的断路器故障是由机械故障引起的，且大部分是由于操动机构的原因，如拒分、拒合等。目前，国内多是在设备交接或停电期间，利用便携式设备进行定期预防性试验，根据检修结果进行维修。这种离线检测方式可能造成某些设备超危险运行而未得到及时维修，还造成一些使用率较低设备的过度检修。断路器的可靠性很大程度上取决于机械操动状态的可靠性，为了进一步了解断路器的工作状况，必须加强对其机械特性的在线监测。根据目前掌握的技术水平，综合考虑工程可实现性和技术经济指标，确定高压断路器在线监测系统的在线监测项目有高压断路器的行程―时间特性、振动信号、分（合）闸线圈电流。
随着计算机及电子技术的发展，现在可以记录断路器每次动作时动触头的行程―时间特性曲线，再结合其他参数，可以提取各种机械动作的参数，如计算动触头的分、合闸操作时间、动触头行程、动触头的刚分（合）速度及动触头运行的平均速度和最大速度与速度曲线等。一般说来，各种机械动作的参数都有其最佳的取值范围，如动触头的最大分、合闸速度不宜过大，否则会对机构的零部件造成很大的撞击，给缓冲器工作带来负担；若分、合闸速度过小，又会造成动触头不能可靠地进行分、合闸操作，使断路器失去保护和控制功能。因此对于断路器动触头的行程―时间曲线的监测是很重要的，是高压断路器状态监测的一项重要内容。
2.分、合闸线圈电流监测
在每次分合闸过程中，断路器线圈电流是随时间变化的，变化波形中蕴藏着极为重要的信息。电磁铁线圈的电流波形中含有很多信息，反映电磁铁本身以及所控制的锁门或阀门以及联锁触头在操作过程中的工作情况，如铁心运动机构有无卡滞，脱扣、释能机械负载变动的情况，线圈的状态（如电阻是否正常），与铁心顶杆连接的锁门或阀门的状态。通过对分合闸操动线圈动作电流的监测，可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等，为检修提供一个辅助判据。高压、超高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操作机构，这类机构的分合闸脱扣电磁铁，在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致断路器拒动，此类故障约占每年全国开关拒动、误动总事故率的26.1%。而电磁铁铁芯的动作情况，可以通过铁心运动与电流特性的关系反映出来，如果能记录分合闸脱扣电磁铁的电流波形，便可掌握铁心的动作状况，预先发现问题，对这类故障起到预防作用。分合闸操动线圈是控制断路器动作的关键元件，应用霍尔电流传感器可方便地监测多种信息的分合闸电流波形。分析每次操作监测到的波形变化，可以诊断出断路器机械故障的趋势，对发生概率最大、危害性也最大的拒动、误动故障的诊断尤为有效。
3.振动信号在线监测
国内外几乎所有针对断路器振动检测的研究都集中在对振动信号的分析和处理上。国外这方面的工作开展较早，已有很多国家开展了相应的研究工作，如美国、挪威、澳大利亚、日本等，至今为止已经确定了一些较为实用的振动信号处理方法，并逐渐应用到实际的断路器状态检修系统中。A.Polycarpou等人对油断路器和SF6断路器的研究发现，不同的断路器状态下，振动信号的时域包络线会表现出一定的差异，并由此提出了一种基于振动信号包络分析的分析方法。在此方法的基础上，研制出一套便携式的断路器振动信号分析系统（PCPPDS），已经在多台115kV及以上的油断路器和SF6断路器上得到了成功的应用。该系统能正确识别出绝缘拉杆缩短、弹簧压缩过度、触头磨损以及缓冲器失效等几种机械故障。该方法的缺点是在确定正常状态下振动信号的平均包络之前需要积累大量的运行和试验数据，由于多次机械振动信号之间的分散性使得振动信号的平均包络A（t）难以确定。另外，对故障类型的分辨也存在一定的困难。挪威电力研究院的研究人员采用加窗傅立叶变换的方法得到了断路器振动信号的时频表示，再结合动态时间归整（DTW）法，计算出测试状态与基准状态之间振动信号的动态时间距离，从而对断路器状态进行判断。DTW分析方法对振动波出现时间的变化有较高的灵敏度，能反映触头运动过程中机构零部件工作状态的一些变化（如润滑不良、曲柄卡滞、触头位置不正常等）。但是，这种方法对信号强度变化的反映较差，此外运算过程中需要的数据存储量近似与信号长度的平方成正比，对检测装置的要求很高。
国内起步较晚，20世纪90年代才逐渐开展这方面的研究工作，目前实用化的产品还不多见。西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室在最近几年也开展了利用振动信号分析对断路器进行机械状态检测的研究工作，研究对象主要是中压等级的真空断路器。在试验研究的基础上，提出了几种实用的振动信号处理方法，如欧氏距离法、积分参数法和信号熵法、短时能量法、小波―分形理论等，并成功识别出油缓冲器失效、止位垫片失效以及连接部件轴销脱落等常见的一些机械故障。哈尔滨工业大学的胡晓光等人在研究小波分析的基础上，提出了两种振动信号特征参量的提取方法用于断路器机械振动信号的分析：1）通过离散小波变化计算断路器振动信号包络波峰的奇异性指数，并以此作为断路器状态识别的特征参量；2）通过解析信号小波变换把振动信号划分成不同的频带来处理，提取不同尺度下信号的幅值、奇异点和瞬时频率等特征参量用于高压断路器的状态识别。
4.目前存在的问题
国内部分断路器在线监测系统是厂家与电力公司的合作项目，该类设备市场推广方面存在难度。就当前的发展状况来看，一些220kV及500kV的主网断路器很有必要使用该类设备。国内大部分变电站的电气设备仍按照规程DL/T 596―1996的要求定期进行预防性试验。DL/T 596―1996中严格要求了断路器油和SF6气体的试验项目和周期，试验项目较多，需要停电检测的时间也相对较长，影响了用户的正常用电；而且，预防性试验施加的试验电压相对较低，和实际运行情况差别较大，难以反映断路器运行过程的真实情况。如果在线监测系统能够完成机械性能、二次回路完整性、SF6气体压力和密度监测，实现故障记录等功能，这就可以相应减少甚至取消一些停电检测试验，缩短了停电时间，有利于电网正常持续运行。SF6断路器是220kV及其以上电压等级断路器的主体，而且使用数量逐年上升，相对其在线监测产品市场容量也在扩大。虽然该类设备在安装、调试、设备可靠性等方面还存在很多问题，不过这些问题都是可以通过技术方面改善或解决的。
参考文献：
[1]李大进.高压断路器在线监测研究[D].成都:西南交通大学,2004:13-30.
[2]于莉莉.高压断路器的在线监测与诊断系统[D].济南:山东大学,2005:24-30.
[3]陈建志.高压断路器在线监测技术的研究[J].电测与仪表,2007,44(5).
作者简介:
黄凤萍(1983-),女,广东江门人,工学硕士,助理工程师,现主要从事变电运行工作。
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