淺析高壓斷路器狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)

石利鋒 吳桐 趙洪懿

摘 要：為了保證高壓斷路器能正常運(yùn)行，降低高壓斷路器故障帶來(lái)的停電損失，文章對(duì)高壓斷路器狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，分析了高壓斷路器檢測(cè)的內(nèi)容包括行程特性監(jiān)測(cè)、分合閘線圈電流監(jiān)測(cè)、振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。然后，結(jié)合實(shí)際簡(jiǎn)單闡述了高壓斷路器狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。最后，分析了紅外線檢測(cè)技術(shù)、霍爾電流傳感器檢測(cè)技術(shù)、溫度傳感器檢測(cè)技術(shù)、壓電式加速度傳感器、高速CCD成像技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高壓斷路器;狀態(tài);在線檢測(cè)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高壓斷路器是保護(hù)電力系統(tǒng)的重要裝置，對(duì)電力系統(tǒng)安全有著重要的意義。然而從實(shí)際來(lái)看，高壓斷路器也容易出現(xiàn)故障。我國(guó)每年因高壓斷路器故障帶來(lái)的電量損失超過(guò)百萬(wàn)千瓦，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失更是難以計(jì)數(shù)。所以，應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)，對(duì)高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)了解、掌握高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，確保高壓斷路器能發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

1 高壓斷路器監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.1 行程特性監(jiān)測(cè)

隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多新技術(shù)、新設(shè)備被應(yīng)用到了行程特性在線監(jiān)測(cè)中。如今，應(yīng)用新技術(shù)已經(jīng)可以記錄開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的動(dòng)觸頭行程。之后，再結(jié)合其他參數(shù)就可以提取機(jī)械工作參數(shù)。但是需要注意的是這種機(jī)械動(dòng)作參數(shù)都有一定的取值范圍，一旦其參數(shù)值超出范圍，就會(huì)影響到高壓斷路器的正常運(yùn)行。所以，要對(duì)其行程特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確認(rèn)高壓斷路器狀態(tài)[1]。

1.2 分合閘線圈電流監(jiān)測(cè)

斷路器在分、合閘過(guò)程中，線圈電流會(huì)隨時(shí)間變化而變化，而其電流變化呈現(xiàn)出來(lái)的波形能夠反映出很多信息。如鎖門(mén)、閥門(mén)及連鎖觸頭的運(yùn)行情況，是否存在鐵心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)片滯、釋能機(jī)械負(fù)載變化的情況、線圈狀態(tài)。并且還可以了解斷路二次控制回路的運(yùn)行情況，從而為后續(xù)的檢修工作提供依據(jù)。另外，高壓斷路器還配有操動(dòng)機(jī)構(gòu)，然而這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)容易出現(xiàn)彎曲變形、銹澀等問(wèn)題，導(dǎo)致斷路器異常，而通過(guò)分合閘線圈電流的檢測(cè)，可以結(jié)合電流傳感器反應(yīng)的信息分析斷路器機(jī)械故障的發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 振動(dòng)信號(hào)在線監(jiān)測(cè)

如今，對(duì)斷路器振動(dòng)的檢測(cè)多集中在振動(dòng)信號(hào)分析、處理上。而國(guó)外很早就已經(jīng)開(kāi)展了有關(guān)這方面內(nèi)容的研究，也提出了一些合理的振動(dòng)信息處理方法，并被應(yīng)用到了實(shí)踐中。如挪威電力研究院的研究人員提出了運(yùn)用加窗傅里葉變換的方法進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻標(biāo)識(shí)，之后再結(jié)合DTW法就可以計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)時(shí)間距離。而我國(guó)起步較晚，研究出的可用于實(shí)踐的產(chǎn)品還不多。如西安交通大學(xué)經(jīng)過(guò)研究提出了歐式距離法、ACI方法[2]。

2 高壓斷路器狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

美國(guó)、日本等國(guó)在20世紀(jì)90年代才開(kāi)始研究斷路器的在線檢測(cè)技術(shù)。其中，美國(guó)學(xué)者最早對(duì)開(kāi)斷電流、斷路器壽命關(guān)系進(jìn)行了闡述，并提出了滅弧觸頭墊壽命的概念以及全工況跳合閘回路完整性監(jiān)視。我國(guó)有關(guān)斷路器在線檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，但也取得了一定的研究成果。比如在1995年，清華大學(xué)研究出了高壓斷路器參數(shù)測(cè)量分析系統(tǒng)。與此同時(shí)，有關(guān)高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)的在線檢測(cè)研究也取得了一定的研究成果?，F(xiàn)如今，有關(guān)電壽命、絕緣狀態(tài)、二次回路、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置研究已經(jīng)全面開(kāi)展，且均有相對(duì)比較成熟的產(chǎn)品問(wèn)世。如美國(guó)愛(ài)迪生電力公司、西門(mén)子公司研制的具有綜合功能的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，可對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備重要參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，分析變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障前兆，實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)智能化。英國(guó)Hathway公司與愛(ài)迪生電力公司共同研制開(kāi)發(fā)的BCM型開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以采集分、合閘線圈電流、三相故障電流、液壓泵，儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)等信息。在這方面，我國(guó)也取得了一定的研究成果。如中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司開(kāi)發(fā)的TF50型斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，能夠?qū)嗦菲鞯碾妷勖?、絕緣狀態(tài)、控制回路、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)等參數(shù)或部件進(jìn)行全面的在線檢測(cè)與分析[3]。

3 高壓斷路器狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)分析

3.1 紅外診斷技術(shù)

該技術(shù)是在20世紀(jì)60年代得以推廣和廣泛應(yīng)用的。具體來(lái)說(shuō)，還可將該技術(shù)分為主動(dòng)式、被動(dòng)式。其中被動(dòng)式檢測(cè)方法不需要對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行加熱，而主動(dòng)式檢測(cè)方法則需要。另外，被動(dòng)式檢測(cè)主要是在檢測(cè)目標(biāo)、環(huán)境熱交換過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)。主動(dòng)式檢測(cè)主要是在紅外傳感器將不同溫度對(duì)應(yīng)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)進(jìn)行物體溫度檢測(cè)。

具體可檢測(cè)出以下故障：第一，電阻損耗發(fā)熱。當(dāng)出現(xiàn)短路、過(guò)載等故障時(shí)，電阻會(huì)在電流作用下產(chǎn)生大量的熱。這時(shí)運(yùn)用紅外檢測(cè)技術(shù)就可以對(duì)待測(cè)對(duì)象的發(fā)熱情況進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而判定斷路器的故障、熱劣化。第二，介質(zhì)損耗發(fā)熱。在交變電場(chǎng)作用下，斷路器絕緣介質(zhì)極化方向會(huì)改變，所消耗的電能會(huì)引發(fā)大量的熱。通過(guò)應(yīng)用紅外檢測(cè)技術(shù)可以確認(rèn)絕緣介質(zhì)極化方向是否發(fā)生了改變，進(jìn)而確定斷路器是否發(fā)生了故障。第三，斷路器外部接頭接觸不良。若高壓斷路器設(shè)計(jì)不合理，或是材料不良，亦或是安裝工藝不合理等，都有可能導(dǎo)致接頭表面材料氧化，進(jìn)而導(dǎo)致其阻抗值變大，最終引起發(fā)熱。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、速度快、應(yīng)用范圍廣、抗干擾等，但是該技術(shù)還具有檢測(cè)裝置內(nèi)部熱缺陷的缺點(diǎn)。

3.2 霍爾電流傳感器

該傳感器的工作原理是借助半導(dǎo)體材料的磁敏特性，通過(guò)測(cè)量其磁感應(yīng)強(qiáng)度，就可以推算電流值。這樣就可充分了解線圈電流，進(jìn)而確定高壓斷路器是否存在故障。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)寬，完全可以將其用到非接觸測(cè)量技術(shù)中。尤其是磁通可互補(bǔ)，鐵心也可做的很小，確保其在交流電、直流電中都可以用。但是該方法具有適用范圍存在限制、對(duì)溫度變化敏感等缺點(diǎn)。所以，都只將其應(yīng)用在分、合閘線圈電流檢測(cè)中。

3.3 溫度傳感器應(yīng)用

溫度傳感器的應(yīng)用原理是將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸Ｄ壳?，常用的溫度傳感器有固體溫度傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器、光纖溫度傳感器。與紅外檢測(cè)技術(shù)相比，溫度傳感器可以檢測(cè)高壓斷路器內(nèi)部故障。因?yàn)楦邏簲嗦菲鲀?nèi)部發(fā)生故障后，故障點(diǎn)熱量會(huì)與周邊物體、絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，以致于該區(qū)域的溫度不斷升高，尤其是與之相連的導(dǎo)體溫度也會(huì)顯著升高。此時(shí)，應(yīng)用溫度傳感器就可以準(zhǔn)確檢測(cè)出高壓斷路器內(nèi)部是否出現(xiàn)了故障。之后，再結(jié)合油色譜進(jìn)行電氣設(shè)備外部顯現(xiàn)的溫度分布熱像圖，就可以確定故障點(diǎn)。固體溫度傳感的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)量溫度變化快的物體，缺點(diǎn)是靈敏低、響應(yīng)慢。半導(dǎo)體溫度傳感器則具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但它也具有線性溫度差，需作修正、補(bǔ)充的缺點(diǎn)。

3.4 壓電式加速度傳感器

該傳感器主要是用于機(jī)械振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)原理是在壓電材料受到外力作用下會(huì)出現(xiàn)形變，引發(fā)內(nèi)部極化現(xiàn)象，表面則出現(xiàn)電荷。借助永久磁鐵將該傳感器固定在連桿上，就可以得到高分辨率的振動(dòng)信號(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是容易受到外界干擾，需提前在輸出與電荷、電壓變換電路之間設(shè)置屏蔽。

3.5 高速CCD成像技術(shù)

霍爾電流傳感器、溫度傳感器、壓電式加速度傳感器等進(jìn)行在線檢測(cè)的技術(shù)都屬于接觸式檢測(cè)，越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)高精度、高集成高壓斷路器的檢測(cè)需求。而紅外檢測(cè)技術(shù)雖是非接觸檢測(cè)技術(shù)，但優(yōu)勢(shì)不足，適用范圍狹窄，無(wú)法進(jìn)行推廣。也正因?yàn)槿绱耍墙佑|式檢測(cè)技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外諸多專(zhuān)家學(xué)者研究的重點(diǎn)。

基于高速CCD成像技術(shù)的高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)行程速度的無(wú)接觸測(cè)試。其主要檢測(cè)原理是利用高速、高分辨率工業(yè)攝像機(jī)（CCD傳感器）測(cè)量替代光電編碼直線和角度傳感器，獲取斷路器在開(kāi)閉過(guò)程中操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)圖像分析，計(jì)算出動(dòng)觸頭行程、分合閘時(shí)間、分合閘平均速度、彈跳時(shí)間及幅度等參數(shù)，提高斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作參數(shù)測(cè)試精度。同時(shí)，采用監(jiān)測(cè)操作線圈電流、電壓波形，作為有效判斷拒動(dòng)、誤動(dòng)等故障的判據(jù)之一;運(yùn)用機(jī)械振動(dòng)和聲波傳感技術(shù)，基于聯(lián)合時(shí)頻分析和并融合系列圖像分析識(shí)別算法，診斷斷路器運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)。

該技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其是借助高速成像傳感器，將匹配的目標(biāo)條紋紙貼在聯(lián)動(dòng)桿表面就可進(jìn)行檢測(cè)。這樣就可以省去安裝傳感的環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化整個(gè)檢測(cè)流程，提高檢測(cè)效率。另外，應(yīng)用該檢測(cè)技術(shù)還可以進(jìn)一步拓寬檢測(cè)范圍。如在機(jī)械特性檢測(cè)方面，可對(duì)分合閘時(shí)間、行程、速度、線圈電流、低電壓動(dòng)作等進(jìn)行檢測(cè)。相比于以往的檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，這種檢測(cè)技術(shù)能一次性完成多項(xiàng)內(nèi)容檢測(cè)，保證檢測(cè)質(zhì)量。但是該方法還具有圖像信號(hào)的高速傳輸受限、位移精確定位存在問(wèn)題等不足之處，仍有待完善。

綜上所述，在電力行業(yè)不斷發(fā)展的背景下，高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)也得到了諸多專(zhuān)家、學(xué)者的重視，且取得了良好的研究成果。只有這樣，才能高效、精準(zhǔn)地開(kāi)展高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)、分析工作，確保高壓斷路器始終處于良好運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣曉雁.幾種常用的高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)的分析比較[J].甘肅科技，2009，25（24）：49-50.

[2] 韓軍，雷爭(zhēng)鳴.高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)的探究[J].中國(guó)科技投資，2012（24）：107.

[3] 韓軍，雷爭(zhēng)鳴.高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)的探究[J].中國(guó)科技投資，2012（27）：62.