斷路器故障分類及檢測技術(shù)研究

斷路器為電力系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，必須具備良好的斷流能力與完整的滅弧結(jié)構(gòu)。斷路器的功用通常體現(xiàn)在兩方面：一方面是根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的需要，快速準(zhǔn)確的進(jìn)行電路或者電力設(shè)備的斷開或是連接，使其快速退出或進(jìn)入運(yùn)行工作；另一方面，當(dāng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，斷路器就能與繼電保護(hù)系統(tǒng)迅速將故障部分?jǐn)嚅_，使系統(tǒng)中的其他正常部分可以繼續(xù)工作，從而達(dá)到減少事故影響與危害的目的。本文主要對(duì)斷路器的故障類型和檢測技術(shù)進(jìn)行了綜合性的分析[1]。

1 斷路器的分類

按照控制與保護(hù)對(duì)象的不同進(jìn)行斷路器類型劃分時(shí)，通?？蓪⑵浞譃榘l(fā)電機(jī)斷路器、控制斷路器、輸電與配電斷路器等。然而，在實(shí)際中更多的時(shí)根據(jù)滅弧介質(zhì)與方法的不同來劃分?jǐn)嗦菲鞯念愋停ǔ？煞譃槿N常見類型[2,3]。

油斷路器：這類斷路器是最早期的類型，其滅弧介質(zhì)為絕緣油，并且通常按照斷路器使用滅弧介質(zhì)量的多少將其劃分為多油斷路器與少油斷路器。油斷路器在我國以往較為常見使用，但因存在較高的安全隱患，現(xiàn)今較常使用的通常為無油或少油斷路器。

壓縮空氣斷路器：20世紀(jì)30年代最早由德國AEG公司生產(chǎn)，原理為通過壓縮后壓力增大的空氣吹滅電弧，其最顯著的優(yōu)勢在于壓縮迅速、滅弧能力強(qiáng)。具體的工作流程通常為：首先在存儲(chǔ)罐里加入高壓空氣，當(dāng)觸頭斷開產(chǎn)生電弧時(shí)，儲(chǔ)存罐內(nèi)的高壓空氣吹出，其散熱冷卻的作用能使弧柱熱電離并且減弱至消失。

SF6斷路器：20世紀(jì)50年代美國西屋公司最早推出SF6，直至70年代后開始被廣泛應(yīng)用，其滅弧介質(zhì)通常為SF6等惰性氣體。SF6氣體具備絕緣特性，且作為滅弧介質(zhì)性能優(yōu)良。SF6斷路器的優(yōu)點(diǎn)在于開斷能力強(qiáng)且能連續(xù)開斷，安全因素高、壽命長，缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，在我國的高壓和超高壓電網(wǎng)中被常見使用。

2 斷路器常見的故障

根據(jù)電力科學(xué)院統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，斷路器在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，發(fā)生的故障通常主要分為拒動(dòng)（拒分、拒合）、絕緣、開斷與關(guān)合、載流、誤動(dòng)、外力及 其他[4]。

拒動(dòng)（拒分、拒合）故障原因：通常由兩方面原因引起：操動(dòng)機(jī)構(gòu)。具體包括傳動(dòng)部位發(fā)生變形、液壓機(jī)構(gòu)中閥桿等零件受損以及分（合）閘線圈鐵芯之間的配合不到位等一系列情況，其引起的機(jī)械卡澀是最為常見的故障，之所以會(huì)發(fā)生這類情況通常是由于產(chǎn)品質(zhì)量不合格，或在安裝、調(diào)試、檢修等環(huán)節(jié)對(duì)斷路器造成了損壞；電氣控制和輔助回路。例如分合閘線圈的損壞、受潮、二次接線失效、保險(xiǎn)絲熔斷等一系列因素。通常機(jī)械故障的發(fā)生同樣也容易引起電氣故障，因此不是僅有電器線路中產(chǎn)生的故障才會(huì)使斷路器因電氣原因發(fā)生拒動(dòng)故障。

絕緣故障原因：通常將絕緣故障分為外絕緣、內(nèi)絕緣以及開關(guān)柜絕緣故障。外絕緣故障通常是因?yàn)榇商椎耐饨^緣泄露比距不符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)絕緣故障是指發(fā)生在斷路器內(nèi)部，主要是因?yàn)橹圃煅b配或檢修時(shí)遺留的廢棄物造成的，另外當(dāng)觸頭和屏蔽罩裝配的位置不合適時(shí)，就容易造成兩者因頻繁的較大摩擦導(dǎo)致表面金屬類物質(zhì)剝落，從而造成放電作用，這也是發(fā)生內(nèi)絕緣故障的一個(gè)重要原因。就開關(guān)柜絕緣故障而言，其大都因?yàn)殚_關(guān)柜老化、潮濕、爬電距離太短等因素造成的。

開斷與關(guān)合故障原因：這類故障的發(fā)生并不常見，通常是因?yàn)殚_斷時(shí)噴出的油爆裂或提升桿脫落等原因造成。

載流故障原因：開關(guān)柜接頭接觸不緊合是造成載流故障的最主要原因。發(fā)生載流故障通常會(huì)導(dǎo)致觸頭或線路升溫，必須及時(shí)進(jìn)行相關(guān)的故障處理，時(shí)間一長將會(huì)發(fā)展成絕緣故障。

誤動(dòng)故障原因：主要為兩個(gè)方面：一方面可能是由于繼電保護(hù)信號(hào)錯(cuò)誤或二次回路接線和操動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈等引起誤動(dòng)故障的發(fā)生；另一方面可能是因?yàn)槎位芈方泳€端子排受潮，因此導(dǎo)致其絕緣性能降低，進(jìn)一步造成合閘和分閘回路端子間發(fā)生放電短路，從而引起誤動(dòng)故障的發(fā)生。

外力及其他原因：這一故障類型主要包括斷路器本身的操動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞、檢修不徹底以及其他故障原因。

3 基于振動(dòng)信號(hào)的斷路器在線檢測

3.1 斷路器在線檢測流程

圖1 電氣設(shè)備檢測診斷框圖

如圖1所示，通?？蓪z測診斷流程分為三個(gè)部分[5]：狀態(tài)檢測與信號(hào)采集。電氣設(shè)備在運(yùn)行的過程中一直處在不斷變化中，因此對(duì)設(shè)備的狀態(tài)檢測需及時(shí)，從而確保設(shè)備處于穩(wěn)定正常的運(yùn)行。同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)進(jìn)采集獲取待測信號(hào)后，將其傳輸?shù)胶罄m(xù)單元接收處理；信號(hào)的處理。后續(xù)單元在接收到待測信號(hào)后無法直接識(shí)別與處理，而是對(duì)其進(jìn)行濾波、去噪等操作，提升信噪比或?qū)⑿盘?hào)分解，為后續(xù)診斷工作提供準(zhǔn)備；狀態(tài)識(shí)別。將處理后的信號(hào)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)性能指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍則認(rèn)為是故障狀態(tài)，然后依據(jù)故障類別與嚴(yán)重程度進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.2 斷路器振動(dòng)信號(hào)特征分析

斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障占總故障比例一半以上，且呈逐年上升趨勢，我國為71%左右。對(duì)斷路器在運(yùn)行過程中的檢測通常分為機(jī)械特性、開斷能力、絕緣性與操作回路完整性四個(gè)方面。斷路器觸頭是受操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作且經(jīng)連桿部件推動(dòng)的，在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程中，不同形態(tài)的振動(dòng)發(fā)生在不同部位上。就振動(dòng)波形而言，其通常經(jīng)結(jié)構(gòu)部件傳遞，且在傳遞的過程中會(huì)不斷的造成衰減，因此在斷路器上采集到的信息波形往往都為非線性的衰減后的沖擊波。

斷路器的機(jī)械特性通常通過振動(dòng)信號(hào)來進(jìn)行反映，振動(dòng)信號(hào)的不同對(duì)應(yīng)不同機(jī)械部位故障，通常包括分合閘鐵芯卡滯松動(dòng)、軸銷脫斷、脫扣失靈以及部件變形損壞等。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，部件上的振動(dòng)信號(hào)發(fā)生變化，通過對(duì)不同部件振動(dòng)信息的采集后，進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析就能判斷故障的位置及類型，從而實(shí)現(xiàn)多部位在線檢測。另外，僅需確保振動(dòng)源頭與傳遞路徑不變，就能獲得較為平穩(wěn)的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)規(guī)格相同的斷路器來說，其產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)具備較大的相似性，因此使由振動(dòng)信號(hào)的不同進(jìn)行故障類型與位置的判斷成為可能。

3.3 斷路器振動(dòng)信號(hào)檢測點(diǎn)的選擇

振動(dòng)信號(hào)在斷路器結(jié)構(gòu)中的傳播較為復(fù)雜，不僅需要考慮其傳播的途徑、過程等，另一方面還要考慮振動(dòng)波的類型以及衰減情況。因此，在測量過程中檢測位置不同相應(yīng)的結(jié)果也不同，這說明對(duì)斷路器檢測點(diǎn)的選擇十分重要。例如，通常情況下斷路器的桶內(nèi)觸頭傳動(dòng)連桿的工作振動(dòng)僅會(huì)體現(xiàn)在滅弧桶上，而在支架上則不易檢測到振動(dòng)信號(hào)。

一般檢測點(diǎn)選擇方式分兩種：一是將傳感器安裝在其動(dòng)觸頭連接桿上，且為了保證振動(dòng)波形的保真效果，要求盡量貼近動(dòng)觸頭，從而獲得較為準(zhǔn)確的振動(dòng)信號(hào)，時(shí)間及強(qiáng)度均能對(duì)振動(dòng)情況真實(shí)反映。但是這需要將傳感器在斷路器內(nèi)部進(jìn)行安裝，這一安裝方式屬于侵入式，十分容易影響到斷路器部件的正常操作；二是將傳感器安裝在斷路器基座，這一種安裝方式屬于非侵入式，并不會(huì)造成斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞，因此更為方便且能真實(shí)的反映斷路器的振動(dòng)情況，目前將振動(dòng)信號(hào)傳感器安裝在斷路器基座上的方式更為常見。