高壓斷路器狀態(tài)量分析與監(jiān)測

王嘉 黃濤

（吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

在電網(wǎng)全球互聯(lián)的趨勢下，電網(wǎng)規(guī)模巨大，電力系統(tǒng)的安全運行就顯得更加重要，因而對在電力系統(tǒng)中承擔著控制和保護雙重功能的高壓斷路器的正常運行提出了更高的要求。

1 分（合）閘線圈電流分析

電磁鐵是高壓斷路器操動機構的重要元件之一，高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為第一級控制元件。

當操作線圈中通過電流時，在電磁鐵內產(chǎn)生磁通，鐵芯受電磁力作用吸合，接通操作回路，使斷路器合閘或分閘。線圈中流過的電流波形中包含著不少信息，通過監(jiān)測分(合)閘線圈電流可以監(jiān)測線圈的電氣完整性、連續(xù)性，反映了二次操作回路的狀態(tài)；線圈電流波形還可以間接反映機構的運動性能，如鐵芯行程、鐵芯是否卡澀、線圈狀態(tài)(是否有匝間短路)、與鐵芯頂桿連接的鎖閂和閥門的狀態(tài)、分(合)回路輔助接點狀況與轉換時間等，可以根據(jù)這些信息判斷高壓斷路器操動機構的運行狀態(tài)，還可以作為判斷高壓斷路器是否偷跳、拒跳的依據(jù)，并以此來分析高壓斷路器故障的原因。

實際操作中可以根據(jù)測得的線圈電流波形來計算操動機構的啟動時間、拉桿運動時間、線圈通電時間等參數(shù)，同時再結合斷路器本身的參數(shù)范圍，從而判斷操動機構的運行狀態(tài)，因此就可以診斷出斷路器機械操動機構系統(tǒng)的故障，并及時了解目前斷路器機械操動機構的變動情況。另外，運行狀態(tài)良好的同類斷路器，分(合)閘線圈的電流波形是相似的，因此，可以采集運行狀態(tài)良好的斷路器的分(合)閘線圈電流波形作為標準，對該斷路器日后動作時的分(合)閘線圈電流波形進行“指紋”比對，從而判斷該斷路器操動機構是否有鐵芯空行程、彈簧卡滯等故障，從而達到了預測故障的目的。

2 機械振動信號分析

機械振動信號包含著大量的設備狀態(tài)信息，可以反映整個設備在運行過程中的變化規(guī)律。在高壓斷路器的分、合閘操作過程中，機構部件的運動和撞擊都會產(chǎn)生振動信號，它由一系列瞬態(tài)波形構成，每一個瞬態(tài)波形都是斷路器操作期間內部“事件”的反映，雖然這種機械振動會有一定的隨機性，但對于同一臺高壓斷路器的多次操作過程中，振動信號的重復性還是比較好的。對高壓斷路器來說，引起振動的激勵源包括分(合)閘電磁鐵、儲能機構、脫口機構、四連桿機構等內部構件的運動，斷路器機械狀態(tài)的改變，將導致振動信號的變化，利用高壓斷路器這方面的特性，將振動信號作為斷路器故障診斷的依據(jù)，再結合計算機和信號處理技術，可以識別振動的激勵源，從而找出故障點。

機械振動波形是由一系列衰減的正弦波疊加組合而成，其數(shù)學表達式為：

式中：A是振動分量的幅值；ωc是振動分量的頻率；tc是振動分量的開始時刻；θc是振動分量的初相位角；τ是振動分量的衰減時間常數(shù)。

對于高壓斷路器，外部振動響應的幅值與沖擊作用力的大小成正比，振動的頻率及衰減時間常數(shù)與高壓斷路器的機械結構有關。由于測試點到振動源的路徑不一樣，也就是振動信號的傳遞函數(shù)不一樣，使得同一部件的沖擊在不同的測試點上的響應也不一樣，所以在監(jiān)測中，如何在高壓斷路器的外殼上選擇適當?shù)臏y試位置和傳感器的安裝方向變得非常重要。斷路器在動作時，產(chǎn)生的振動信號對應于機構中每一個部件的動作，在振動信號時域圖上都會對應一個振動脈沖，雖然在任何一次操作中，脈沖出現(xiàn)的頻率是變化的，但是脈沖出現(xiàn)的順序是基本不變的。因此，對于同一臺斷路器的同一位置測得的相同情況下的操作振動信號應該具有一定得相似性。

在斷路器的操作過程中，各個沖擊子波與斷路器運動狀態(tài)有一一對應的關系，通過在斷路器的支架或外殼上選擇適當?shù)恼駝颖O(jiān)測部位，就有可以判斷斷路器內部某一特定的動作，從而就可以計算斷路器相應狀態(tài)的機械參數(shù)，為運行和管理人員提供必要的分析依據(jù)。

3 開斷電流信號分析

對高壓斷路器開斷電流的監(jiān)測，主要是用于計算高壓斷路器的電壽命。影響斷路器電壽命的主要因素是觸頭的電磨損，而觸頭的電磨損主要取決于開斷電流和燃弧時間。

斷路器開斷的電流有正常電流，也有短路電流，從幾十安到幾十千安，電流的變化范圍很寬，而且在短路情況下大多還都含有直流分量。當短路電流非常大的時候，用于測量的電流互感器CT(Current Transformer)會出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，這是因為短路電流中的非周期分量使得CT鐵芯很快達到飽和，從而導致 CT的激磁阻抗大大降低，激磁電流增大，最終使二次電流波形出現(xiàn)嚴重畸變。

在電流互感器(CT)嚴重飽和時，二次電流有如下特點：

（1）由于磁通不能突變，在發(fā)生故障以后，磁通總是隨著時間而逐漸增大，因此從故障開始要經(jīng)過一段時間 CT才會飽和，大約在初期的1/4周期內，二次電流是正常的；

（2）當激磁電流飽和時，二次電流出現(xiàn)畸變狀況；

（3）隨著激磁電流中直流分量的衰減，二次電流會逐漸增大；

（4）盡管二次電流在一個周期的大部分時間內都嚴重畸變，但是在一次電流過零時，CT可以正常傳變一次電流，即在一次電流過零點附近，CT會出現(xiàn)一個線性傳變區(qū)。

4 動觸頭行程和速度信號分析

高壓斷路器的機械特性參數(shù)包括：分(合)閘時間、觸頭開距、觸頭行程、超行程、分(合)閘不同期性、剛分(合)速度、分(合)閘最大速度、分(合)閘平均速度等。這些特性參數(shù)對斷路器的穩(wěn)定運行有重大的影響，如分閘速度降低將會使電弧的燃燒時間變長，而導致觸頭的電磨損增大，減少了斷路器的電壽命；分閘速度變高又會導致運動機構承受的機械應力和沖擊變大，而造成個別機械部件的損壞或者降低它們的使用壽命。

5 儲能電機電流信號分析

斷路器的彈簧操動機構中最核心的部件就是儲能彈簧，如果直接對其監(jiān)測則需要將受力的部件截斷，裝入應力傳感器或扭矩傳感器，但是這將明顯改變開關設備的結構，不易被廠家、用戶接受。因此，應用電流傳感器，測量儲能電動機的工作電流波形及工作時間，可以間接地監(jiān)測儲能彈簧的狀態(tài)。

6 溫度信號分析

高壓斷路器長期通過負荷電流，有時還要通過很大的短路電流，由于導體存在一定的電阻，當電流流過導體時就會產(chǎn)生熱損耗，使導體溫度升高。在高壓開關柜的隔離觸頭以及各種通過負荷電流的高壓電氣設備的接線端子處的接觸連接等部位，由于外界環(huán)境和設計、制造、維修等不當?shù)脑颍@些部位的電阻會明顯增大，溫度升高比較明顯，由于溫度升高而引起電連接處的氧化進一步加劇，使得接觸電阻進一步增大，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)處理，最終將會造成絕緣件損壞和絕緣擊穿等嚴重的事故。為了保證斷路器可靠的工作，必須保證斷路器導體本身和導電連接處的溫度都不超過規(guī)定值。

7 結束語

總之，對高壓斷路器實施狀態(tài)監(jiān)測，要及時了解斷路器的工作狀態(tài)、缺陷的部位，減少過早或不必要的停電試驗和檢修，減少維護工作量，降低維修費用，提高檢修的針對性，可顯著提高其運行的可靠性和經(jīng)濟性。

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［2］郭江,劉亞錦,鄒積巖.面向優(yōu)化檢修的真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測與診斷[J.]高壓電器,2007,43(6):454-456.