高壓斷路器的狀態監測問題研究

高德文

（神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司甲醇廠 寧夏 靈武 750411）

0 引言

隨著社會和經濟的發展，電力系統在國民經濟中的地位日趨重要，因此對電力系統安全可靠性提出了更高的要求，同時，電力系統的改革也促使各個電力運營商在滿足質量要求的情況下追求以最低的成本實現最終的目標，而其中重要的舉措之一就是采取科學的監測和故障診斷手段對電氣設備進行檢修，從而能夠提早發現設備隱患，提高設備的可靠性，降低運行和維修成本。

1 機械振動信號的監測

高壓斷路器操作過程中機械零部件間的碰撞或摩擦會引起振動，振動信號可以反映斷路器的機械狀態。機械振動信號是一個重要的信息載體，包含有大量的設備狀態信息，它由一系列瞬態波形構成，每一個瞬態波形都是斷路器操作期間內部“事件”的反映。振動是對設備內部多種激勵源的響應，對高壓斷路器而言，激勵源包括分、合閘電磁鐵、儲能機構、脫扣機構、四連桿機構等內部構件的運動。斷路器機械狀態的改變將導致振動信號的變化，這是利用振動信號作為故障診斷依據的理論基礎。通過適當的檢測手段和信號處理方法，配合其它信號對斷路器進行診斷可以識別振動的激勵源，從而找出故障源。

振動信號是瞬時非平穩信號，不具有周期性振動，它是由于操動機構內部各構件的受力沖擊和運動形態的改變引起的，在斷路器的一次操作中，有一系列的構件按照一定的邏輯順序啟動、運動、制動，形成一個個振動波，沿著一定的路徑傳播，最終到達傳感器的是一系列衰減振動波的疊加。

2 斷路器分、合閘線圈電流的監測

高壓斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第一級控制元件，操動機構中使用的絕大部分是直流電磁鐵。當線圈中通過電流時，在電磁鐵內產生磁通，動鐵心受磁力吸引，使斷路器分閘或合閘，從能量角度看，電磁鐵的作用是把來自電源的電能轉化為磁能，并通過動鐵心的動作，再轉換成機械功輸出。分、合閘線圈的電流中含有可作為診斷機械故障用的重要信息，可以選用補償式霍爾電流傳感器監測電流信號。對線圈電流的監測主要是提取事件發生的相對時刻，根據時間間隔來判斷故障征兆，對于診斷拒動、誤動故障有效。

3 斷路器行程與速度的監測

位移量采集是靠光電式行程傳感器來實現的。其工作原理如下:把旋轉光柵安裝在斷路器操動機構的主軸上，利用光柵和光電斷續器的相對運動，經光電轉換，將速度行程信號轉換為電信號。經數據處理后可得斷路器操作過程中的行程和速度隨時間的變化關系。據此可計算出以下參數:動觸頭行程，超行程，剛分后及剛分前10ms內平均值等。通過觸頭的時間、行程信號可以提取觸頭運動過程中各個事件發生時刻，根據事件時間來診斷故障，這種方法可以診斷斷路器機械部分磨損、疲勞老化、變形、生銹，閥的緩慢動作等故障。

4 開斷電流累計監測

在分閘過程中，由高壓電流互感器和二次電流傳感器測量高壓開關的主電流波形，通過測量觸頭每次開斷電流，經過數據處理得到該次開斷電流的有效值，然后根據下式計算:

其中:n為開斷的次數；Ibn為該次開斷電流的有效值；a為開斷電流指數；Q為開斷電流的加權累計值。當Q值超過閉值時，則表明應該檢修、更換，間接的反映觸頭的磨損情況。

5 合分閘時間與同期測量

在斷路器斷口上下接線端子接上測量信號線，當斷路器合上時，信號線上有電流流過，經光電隔離器、電壓比較器，輸出高電平信號。當斷路器分開時，信號線上無電流通過，輸出信號是一低電平。測量系統以一定時間周期同時讀取所有斷口的信號，以操作線圈電流信號為起點，計算出各個相的各斷口的分合閘時間和相間與相內的同期差。這種技術只能用于臨時性監測。

6 合閘彈簧狀態監測

6.1 直接監測:應用壓力傳感器，通過測量合閘彈簧壓力值的大小，判斷彈簧壓縮狀態。這種方法需要在機構上安裝壓力傳感器。

6.2 間接監測:應用電流傳感器，通過測量儲能電動機的工作電流變換及工作時間，監測合閘彈簧的狀態，通過分析電流波形得到電流特征參數的變化，從而反映彈簧狀態的變化。

7 動態電阻的監測

一般的SF6斷路器有主觸頭和弧觸頭，滅弧主要靠弧觸頭，斷路器在閉合狀態時，測得的回路電阻主要是主觸頭接觸電阻和弧觸頭接觸電阻的并聯值，一般情況下，主觸頭接觸電阻比弧觸頭接觸電阻小的多，所以所測回路電阻無法反映弧觸頭的燒損情況。

在分閘過程中，主觸頭先分離，開斷電流轉移到弧觸頭上，弧觸頭間先出現電弧，借助滅弧裝置使電弧熄滅。如果弧觸頭嚴重燒損，在分斷過程中先于主觸頭分離，則滅弧裝置不能發揮作用，這樣會導致斷路器燒損。從主觸頭分離到弧觸頭分離這段時間稱為有效接觸時間，其行程稱為有效接觸行程。只有保證弧觸頭有足夠有效接觸行程和時間才能使斷路器順利滅弧。通過檢測斷路器動作過程中的回路電阻變化曲線可以不用拆開斷路器就能得到弧觸頭的有效接觸時間，這種檢測方法稱為動態回路檢測，測得的電阻稱為動態回路電阻，用以區別通常德在斷路器閉合時測得的回路電阻，后者稱為靜態回路電阻。

8 真空度的監測

現有對真空度測定的方法主要有:觀察法，僅僅用于對玻璃外殼的真空滅弧室適應。并且只能作為經驗判斷，參考使用；交流耐壓法，在分閘狀態下的真空斷路器的觸頭間施加交流電壓，根據電壓施加過程中相關參數的變化來判定真空度，但這種方法只能為真空滅弧室的真空狀況提供一個粗略的判定，不能判斷真空度的變化趨勢，只是一個定性的判斷方法，有時和實際結果并不一致；火花計法，這種方法也僅適用于玻璃管真空滅弧室，使用時，讓火花探漏儀在滅弧室表面移動，根據高頻電場作用下不同的發光情況來判斷真空度。另外還有放電電流檢測法，中間電位變化檢測法和真空度測試儀法。

真空度的在線監測就是要在不改動斷路器主體結構以及帶電的條件下，無論斷路器處于合閘或分閘狀態，都可以隨時監測其真空度的變化。實現真空度在線監測的方法主要有電光變換法，耦合電容法及波紋管和彈簧壓力平衡原理。

9 結束語

另外，隨著傳感器、計算機、光纖等高新技術以及數學理論應用，人工智能技術的發展，為監測和診斷提供了進一步發展的空間。監測與診斷過程分為信號檢測、信號處理及其特征提取、狀態判別與分類、趨勢預測等幾項基本內容。在監測過程中，狀態判別主要關心的是設備系統的整體狀況；而在故障診斷中，狀態分類則是在發現設備異常后，對故障進行深入的分析，已確定故障發生的部位、嚴重程度及其原因，為診斷決策提供依據。

［1］黃雅羅，黃樹紅.發電設備狀態檢修[M].中國電力出版社，2000.

［2］黃建華.變電站高壓電氣設備狀態檢修的現狀及其發展[J].變壓器，2002（9）.

［3］雷鳴.電力設備診斷手冊[M].中國電力出版社，2001.

［4］朱德恒，談克雄.電氣設備狀態監測與故障診斷技術[M].中國電力出版社，2001.

［5］成永紅.電力設備絕緣檢測與診斷[M].中國電力出版社，2001.

［6］王春寧，王家政.六氟化硫氣體密度在線數字式監測裝置的開發[J].江蘇電機工程，2003（5）.