保護末端故障防止越級跳閘的研究應用

楊志義 黃繼明 吳高波

（國網浙江寧波市鄞州區供電公司，浙江寧波 315175）

保護末端故障防止越級跳閘的研究應用

楊志義 黃繼明 吳高波

（國網浙江寧波市鄞州區供電公司，浙江寧波 315175）

隨著我國經濟建設和科學技術的不斷發展，目前我國在電力方面的需求也在不斷提升。對于電力使用而言，安全始終是第一位的要求，在這一方面就需要保證在實際的電力使用過程中能夠正常而安全的應用，斷路器的正常使用需要進行重視。但是由于目前我國在斷路器方面的研究并不深入，造成了斷路器在使用過程中出現各種問題的情況。本文討論了一種保護末端故障防止越級跳閘的方法。

保護末端故障 防止越級跳閘 研究應用

雖然我國目前在科學技術方面得到了較好的發展，并且也在電力使用方面取得了較高的成績。但是仍然需要注意在斷路器方面的問題。目前我國在斷路器方面的研究相比發達國家仍然有一定的差距，并且目前使用的傳統斷路器在功能上顯得較少，并且在應用方面也極為單一，在斷路器所包含的各項技術上也比較落后。即使是目前較為高級的刀閘開關，在實際的使用過程中也必須要安裝大量的輔助設備才能夠正常使用，發揮出斷路器的真正作用。但是需要注意的是，如果在刀閘開關上新增各項輔助設備，又會因為輔助設備帶來各種新的故障以及問題。正是由于這樣的情況，影響到了我國電力的正常使用以及發展。而目前為了真正的提升我國電力使用的效率以及安全性，多功能以及多用途的斷路器開始被人們所重視。通過幫助斷路器增加各種功能，就能夠保證斷路器可以在更多環境下更好的進行使用。在本次研究中，我們需要研究斷路器具有接地保護功能（零序電流、零序電壓）的組合互感器制造，同時也需要能夠擁有相應的檢測計算的二次控制技術以及保護定值的連續可調的二次控制技術，通過這些技術和永磁真空斷路器的制造技術相結合，就能夠實現擁有重合閘功能、定制連續可調功能等各種智能化技術，并且能夠適用于終端客戶的智能斷路器，對于我國電力事業的發展以及人民在使用電力過程中的安全性而言有著重要意義。

1 目前廣泛使用的常規斷路器的特點以及缺陷

1.1 傳統斷路器的種類以及可能出現的故障

我國自開始大規模的發展電力工業以來，廣泛使用的一種斷路器為傳統的高壓斷路器，這種斷路器在實際的使用過程中具有構造簡單、易于修理、簡單易用等特點，受到了各級技術員工以及廣大人民的廣泛喜愛。但是這種常規的高壓斷路器在目前已經開始體現出各種問題，會對正常的電力使用造成各種影響。例如在使用高壓斷路器的過程中，會因為高壓斷路器的構造特點引起機械故障。機械故障是一種高壓斷路器最為常見的故障，常見的機械故障的種類有潤滑不良、電磁鐵卡塞、傳動機構變形、觸頭磨損、螺絲松動、緩沖器故障、鎖扣失靈以及部件破損等。這些故障都會在實際的電力使用過程中造成一定的困難，導致電力無法正常的進行使用，甚至造成一些重大事故，導致極為嚴重的后果。在傳統的排除高壓斷路器的故障的過程中，往往需要根據振動信號來進行排除。在實際的排除高壓斷路器故障的過程中，需要對斷路器在工作過程中的振動信號進行相應的監測，并且通過監測出的振動信號接過來對高壓斷路器在工作過程中的機械狀態以及機械故障進行較好的識別。通過振動診斷的方法能夠有利于實現對斷路器的非侵入式狀態的監測，同時也能夠較好的將高壓隔離等問題進行相應的解決，因此以往在使用電力的過程中使用這樣的監測方式已經成為了一種高壓斷路器機械狀態診斷的常用手段，并且取得了一定的成果，保證了在一段時間內我國電力能夠正常使用及運行。但是需要注意的是，目前所使用的傳統斷路器的功能較少、應用較為單一，并且所需的技術較為落后，因此在實際的電力使用的過程中就會極大地限制斷路器的應用，往往只能夠被當做一種比較高級的刀閘開關，需要安裝大量的輔助設備才能夠進行較好的使用，發揮出斷路器的真正作用。但是如果為斷路器安裝上了各種輔助設備，由于輔助設備自身可能會產生多種問題，因此也是無法保證斷路器在安裝上輔助設備后能夠正常的進行使用。

1.2 如何使用常規手段來解決高壓斷路器的常見機械故障

在對高壓斷路器的故障解決方面，由于我國進行的時間較長，因此也總結出了各種方式方法來對高壓斷路器的機械故障進行相應的解決。在實際的對高壓斷路器故障的解決過程中，首先需要對高壓斷路器的振動信號進行相應的采集，并且需要進行特征提取以及故障識別。在我國以往的研究過程中，信號采集方面的工作已經較為完善但是需要注意的是目前在特征提取以及故障識別工作方面仍然會出現各種問題。在長期以來我國在對高壓斷路器的特征提取以及故障識別方面所使用的方法往往為時域包絡法、時頻幅值譜、相互觀法、動態時間桂政發、指數衰減振蕩子波分解、人工神經網絡法等方法來進行。同時在近些年來，不僅在原油的方法上進行了改進，同時也發現了需要全新的方法，例如希爾伯特黃變換法、小波分析法、短時能量法、細化頻譜分析法等方法。通過這些手段，能夠解決在實際的高壓斷路器使用過程中常見的問題。

1.3 傳統高壓斷路器的缺陷

雖然傳統高壓斷路器目前在我國得到了較為廣泛的使用，并且在以往的電力使用以及發展的過程中做出了巨大的貢獻，但是需要注意的是，傳統高壓斷路器仍然有著較大的缺點。目前所使用的傳統高壓斷路器的保護定值往往只有3個檔位，并且在實際的使用過程中是需要通過互感器的變化來實現保護定值的變化的，由于這樣的情況，導致了使用過程中的極差十分巨大。如果世紀的情況下，線路的長度長、分支多，那么對于保護值的選擇方面會遇到較大的問題，往往無法選擇到最佳的保護值。同時現有的傳統高壓斷路器的保護定值是無法較好的適應較為精細的保護功能，因此一旦對于保護功能有著更高的要求，傳統高壓斷路器往往無法較好的進行工作。在傳統斷路器的操作機構方面，由于傳統斷路器自身的特點，操作機構的可靠程度往往不高，并且操作機構的壽命比較短，需要進行頻繁的維護或更換。同時在實際的使用方面，操作機構的結構較為復雜，故障率也比較高，在動作上不夠迅速和靈活，若沒有經過較為完善的培訓，操作人員的專業操作能力較弱，那么在實際的操作過程中很容易產生粘連的情況，導致傳統斷路器的使用壽命往往較短。在接地方面，傳統斷路器是缺少單向接地的判斷功能的，因此對于一些單向接地的事故的處理方面顯得無能為力，若在實際的使用過程中遇到了單向接地的事故，往往無法處理，會對電力的正常使用造成巨大的阻礙。同時傳統斷路器缺乏遠程的通訊功能，如果出現的事故現場操作人員無法較好的進行處理，需要使用較長的時間進行等待，造成電力使用出現較大的阻礙，并且傳統斷路器無法實現人機交互的功能。

2 永磁真空斷路器的相關概念以及特點

2.1 永磁真空斷路器的概念

正是由于傳統的斷路器會出現各種問題，并且功能較為單一，因此目前我國開始使用永磁真空斷路器來對傳統斷路器進行替代，并且在較短的時間內取得了較好的成果。真空斷路器最初是由英美研究的，隨后在日本德國等國家等到了較好的發展。我國是在1959年開始對真空斷路器的相關理論進行研究，到上個世紀70年代已經開始正式的生產出各種真空斷路器，并且在絕緣水平、操動機構以及真空滅弧室等各方面取得了較大的成果，同時也能夠在這些方面進行創新以及改進。真空斷路器有著較為優良的滅弧特性，在實際的使用過程中比較適宜頻繁的操作，并且電力壽命較長，在運行的可靠性上也比較高，同時在實際的使用過程中有著較長的不檢修周期，在目前我國的化工、冶金、鐵道電氣化、礦山以及城鄉電網改造各個方面得到了較好的應用。而針對真空斷路器在實際使用過程中出現的各種問題，目前我國開始在真空斷路器上加裝永磁機構，通過永磁機構的方式來提升真空斷路器在實際使用過程中的可靠性。永磁機構是一種使用在中壓真空斷路器中的永磁保持，并且使用電子控制的一種電磁操作機構。相比傳統斷路器的彈簧機構以及電磁機構，永磁機構使用了一種全新的結構以及工作原理，在實際的工作過程中需要使用較少的運動部件就能夠實現正常的工作，并且在實際的使用過程中并不需要機構的鎖扣以及脫扣裝置，因此在實際的使用過程中很少會出現故障，可靠性極高，因此成為了目前普遍使用的一種斷路器操作機構。在近年來，永磁機構的真空開關已經越來越多的應用于變電站的10kv出線。在以往的使用過程中，我們可以發現在使用了永磁機構的真空開關后，動作過程較為簡單，并且在工作過程中出現的噪聲較小，如果出現了故障需要維修，維修的時間也比較短。

2.2 永磁真空斷路器的特點

目前，永磁真空斷路器由于其使用過程中噪聲較小、維修時間短等特點，極大的減少了停電時間，并且由于永磁真空斷路器自身優秀的可靠性，在實際的使用過程中難以出現停電或其他故障的情況。而對于永磁真空斷路器而言，相比傳統的斷路器也具有較多的特點。首先在永磁真空斷路器中，永磁鐵和合閘控制線圈以及分閘控制線圈相結合，通過這樣的形式就能夠解決在合閘的過程中需要大功率能量的問題。同時永磁真空斷路器的真空滅弧室的動觸頭是需要依靠永磁鐵所產生的力，并且通過絕緣拉桿以及拐臂來保證在實際的合閘以及分閘的位置上將傳統的機械鎖扣方式進行取代，因此機械結構極為簡化，活動部件較少，零件總數基本上能夠保持在50左右，所需材料較少，不僅節能，而且生產成本較低。而對于永磁真空斷路器的操動機構而言，在實際的使用過程中是不需要輔助電器以及機械鎖扣的，因此再這樣的前提下，機械動作在進行過程中的可靠性極高，也不需要進行維護，從而實現了維修費用節省的效果。在操動機構所需能量方面，永磁真空斷路器所使用的能量源為永磁鐵，永磁鐵的永磁力能夠保證100年左右不會消失，因此機構壽命能夠保持在10萬次以上，降低了噪音以及能耗，并且也提升了機械的壽命。正是由于這些優點，隨著目前我國科技程度的不斷提升，電力行業以及廣大的電力用戶對于開關設備的要求也在不斷地提高，因此10kv系列的永磁真空斷路器在我國已經開始作為一種優質的中壓斷路器開始得到了較好的使用，并且我國的相關機構也開始投入人力以及財力對永磁真空斷路器進行相應的研究，由于永磁真空斷路器的壽命長、可靠性高、免于維護等優勢，目前永磁真空斷路器有著逐步取代傳統斷路器的趨勢。

2.3 永磁機構真空斷路器的缺點

雖然永磁機構斷路器能夠有效地解決傳統斷路器結構不穩定，在使用過程中噪聲大、容易出問題，并且維修時間較長，導致停電時間較長等缺陷，目前在國內外都得到了較好的應用，但是需要注意的是，永磁機構真空斷路器仍然有著一定的缺點。由于永磁機構對于零件的要求極高，因此如果永磁機構真空斷路器中的部件出現了質量問題，尤其是如果互感器元件出現了質量問題，很有可能造成開關動作不可靠的情況，同時如果永磁機構真空斷路器的線路發生了故障后，如果無法及時的進行跳閘，也無法起到隔離故障部分的作用。同時永磁機構真空斷路器還極有可能出現末端故障，出現末端故障后就很有可能會出現越級跳閘的情況。而正是由于這些問題，極易導致永磁機構真空斷路器無法正常使用，甚至有可能在使用永磁機構真空斷路器的過程中出現安全問題，嚴重影響我國電力用戶的正常用電。基于這種情況，就需要研究出一種全新的方法來保護永磁機構真空斷路器的末端故障，并且在保護了永磁機構真空斷路器的末端故障后，防止出現越級跳閘的情況出現。

3 具有接地保護功能的組合互感器的制造及用途

3.1 具有接地保護功能的組合互感器的概念

在實際的使用電力的過程中，接地保護是極為重要的一個功能。通過接地保護的使用，就能夠保證電力終端用戶能夠在實際的使用電力的過程中正常二安全的使用。在進行接地保護的過程中，互感器起著相當重要的作用。零序電流互感器是一種使用單相接地故障線路的零序電流值較非故障電路大的特征，在實際的用電流互感器取出零序電流信號，并且使繼電器進行工作，就能夠實現有選擇性的發出信號或是進行跳閘。而對于電纜線路而言，電纜需要穿過零序變流器，并且需要以鐵心作為圓心進行一次繞組，而二次繞組需要繞在鐵芯上，并且在此過程中需要注意和電流繼電器進行相應的串聯。在正常的運行過程中或是出現了三項對稱短路的過程中，此時是沒有零序電流出現的。但是需要注意的是，當單相接地后，有接地電容的電流通過了鐵心，在二次側出現了零序電流后，繼電器才能夠進行工作。通過這樣的分析我們可以發現，零序電流互感器主要是需要注意電纜相線以及N線都穿過鐵心。

3.2 接地保護互感器的構成方法

在有過電保護的電流互感器的聯結方面，主要有以下幾種方式：（1）三三相三繼電器的完全星形連接，通過這樣的聯結方式能夠保證繼電器的每相擁有一個電流互感器以及一個繼電器。（2）兩相二繼電器的不完全星形聯結，在這樣的方式下，繼電器只有兩相是有電流互感器以及繼電器的。（3）兩相三繼電器的差動聯結，在這樣的方式下，主要是有兩個電流互感器以及三個繼電器組成的，在這樣的組成方式下，對于中性點不接地的系統，零序電流只能夠作用于信號，但是如果中性點為接地系統，零序電流可以作用于跳閘，同時一般系統的單相短路的保護是通過使用過電流保護來進行實現的。

3.3 具有接地保護功能的組合互感器的構成及用途

在中性點方面，直接接地的變壓器一般都是有接地保護的相關功能的，這一功能主要是作為母線接地故障的一種后備保護，同時也能夠作為變壓器以及線路接地發生了故障后的一種后備保護。在目前廣泛使用的一種變壓器的中性點間隙接地，是使用了零序電壓繼電器以及零序電流繼電器進行并聯的方式來進行，并且帶有0.5s的時限來進行構成的，這種并聯的方式統稱為具有接地保護功能的組合互感器。這種互感器在實際的使用過程中，一旦系統發生了接地故障，在放電的間隙會出現零序電流，就可以使用在放電間隙接地一端的轉用電流互感器的零序電流繼電器進行工作，如果在放電的間隙沒有出現放電的情況，可以使用零序電壓繼電器進行工作。如果發生了間歇性弧光接地的情況，間隙保護過程中所使用的共用時間元件不能夠在中途返回，通過這樣的形式就能夠保證間隙接地的保護可靠動作。通過對具有接地保護功能的組合互感器的分析我們可以看出，這種組合互感器如果和目前的檢測計算的二次控制技術、保護定值連續可調的二次控制技術相結合，并且通過這樣的一種技術融合在永磁真空斷路器的制造技術中，就能夠實現一種包含了重合閘功能，并且定制連續可調技術等能夠適用于終端客戶的智能斷路器產品。

圖1

4 多功能新型10Kv柱上斷路器的實現方法

隨著我國經濟建設以及人民生活水平的不斷發展，目前我國社會中在生活以及生產上都對電力提出了更高的要求。在實際的電力使用過程中，需要保證沒有停電時間或停電時間盡可能地少，同時需要保證在電力使用過程中的相關安全性。目前雖然我國已經開始普及使用永磁機構真空斷路器，但是由于永磁機構真空斷路器的特點，在實際的使用過程中仍然會有一定的缺點，導致無法正常使用永磁機構真空斷路器。通過對具有接地保護功能的組合互感器制造和相應檢測計算的二次控制技術、保護定值的連續可調的二次控制技術進行研究，我們發現可以通過這些技術和永磁真空斷路器的制造技術相結合，從而實現一種具有重合閘功能、定制連續可調等多種功能的智能斷路器。

4.1 多功能新型10kv柱上斷路器所需使用的關鍵技術

為了實現有多種功能的新型10kv柱上斷路器，需要保證在實際的工作過程中保證相位的控制精度。為了真正的能夠保證相位的控制精度，首先需要有合理的驅動機械設計，通過這樣的一種設計就能夠保證在減少合分閘實踐離散型以及工作過程中的溫度對于機構運行時間的影響。同時也需要設計出一套智能的控制器，在實際的調試階段，恒溫狀態下調整機構的驅動電壓是由低到高進行一定次數的合分閘的操作，同時需要建立起供電電壓下的合分閘電壓-機構的運動時間的相關矩陣，通過這樣的一種矩陣就能夠預存在控制器中，并且在驅動電壓為恒定的情況下將開關放置在恒溫箱中，并且在一種規定的溫度范圍之內進行由低到高的一定次數的合分閘操作，同時在此過程中建立起溫度-機構的時間矩陣，也需要預存在控制器中。同時需要將電壓一級溫度和機構的運行時間相融合。在這項工作完成后，需要注意可以對電壓同步信號進行硬件濾波以及軟件濾波，通過硬件濾波以及軟件濾波的方式，就能夠將電網中的噪音、瞬態脈沖以及諧波等干擾的相關影響進行排除，以保證電壓過零點后的檢測精度能夠達到相關的要求，最后需要在系統中每次合分閘時間的測量功能結合驅動電壓以及采集的溫度等參數，以保證在下次合分閘運行時間的參數能夠進行相應的修正以及預測。

4.2 多功能新型10kv柱上斷路器所需使用的具體技術方案

對于我國目前開始普及使用的新型永磁機構真空斷路器而言，永磁機構是在彈簧機構以及電磁機構的基礎上克服不足并且將永磁鐵應用在操動機構中的，通過這樣的一種設計方法，就能夠保證真空斷路器在實際的工作過程中的分合閘的位置都能夠通過永磁鐵來進行實現，從而能夠實現取代傳統鎖扣裝置的效果。這樣的一種磁力機構是一種擁有永久磁鐵的合閘以及分閘線圈的，如果合閘控制線圈進行了通電，就能夠幫助鐵心向下進行運動，同時可以使用永磁鐵的磁力作用保證在合閘的位置上。如果分閘的控制線圈進行了通電后，鐵心的運動方向就會向反方向進行運動，并且在此過程中同樣會由永磁鐵的磁力作用保證處于另一個工作位置，即分閘位置上。可以說這種機構在控制線圈的作用之下，如果沒有進行線圈的通電流工作，是可以擁有兩個穩定的工作狀態的，這兩種穩定的工作狀態為合閘狀態以及分閘狀態，也可以被稱為雙穩態的電磁機構。為了實現雙穩態的電磁機構，我們需要保證在實際的斷路器工作的過程中，電磁磁力線和永磁磁力線的方向是相同的，不會發生退磁的情況，可以保證在永久的情況下進行使用。在本次研究中，所使用的永磁鐵材料為釹鐵硼，釹鐵硼磁鐵具有較高的磁能積以及剩磁，同時在本次研究中所使用的靜鐵芯為優質的冷軋硅鋼片，動鐵芯使用優質高級的電工純鐵，通過這樣的材料就能夠保證在實際的使用過程中的詞匯路有著較低的磁阻，較低的剩磁以及較高的磁通量。在永磁機構的工作原理上，如果永磁機構接到了合閘的命令，就能夠通過控制器來將合閘回路進行接通，并且在此時已經儲能的合閘電容就能夠給合閘線圈提供電能，在這樣的形式下就能夠帶動鐵芯進行相應的運動，并且能夠通過鐵芯來將連桿進行驅動，指導斷路器合閘，當斷路器合閘到位后，就能夠依靠永磁鐵的磁吸力來保持在合閘的位置。同時在使用了本次研究中的多功能新型10kv柱上斷路器后，無論鐵芯處于合閘位置或是分閘位置，通過永磁鐵的磁場功能，在鐵軛中建立起的耦合，就能夠保證磁場力能夠集中在鐵芯以及鐵軛之間，從而產生一種保持機構合閘以及分閘的鎖扣力。斷路器的工作原理如圖1所示：

而對于一體式零序接地保護方面，在本次研究中的斷路器所配置有一體式的組合互感器，這種互感器能夠采樣線路的零序電流、零序電壓以及三相電流的相關信號，通過這樣的功能，就能夠實現斷路器具有零序電壓以及零序電流的綜合保護功能，能夠在實際的使用過程中用于中性點不接地系統的接地故障檢測。同時在分支線路出現了接地故障后，也能夠對故障的線路進行迅速而準確地判斷，如有必要也能夠自動的各路故障線路，在此過程中并不會影響到其他線路的供電工作，并且也能夠實現縮短排除故障以及巡線的時間的功能。

4.3 多功能新型10kv柱上斷路器的優點

通過本次研究的新型斷路器，能夠保證斷路器操作機構的穩定、高效以及持久，讓斷路器能夠擺脫操作機構產生的壽命減少的情況。同時斷路器的判斷功能得到了提升，對于故障的處理能力相比傳統斷路器更加優秀。而且這種斷路器的觸頭開距較大，能夠較好地將故障電流斷開，分合速度較快，不會產生粘連的額情況。而且操作線圈金會在分合閘瞬間帶電，線圈不會發熱以及產生故障。如果出現了接地故障也能夠迅速的判斷故障線路并加以解決，減少排除故障時間。

5 結語

對于電力使用而言，斷路器是十分重要的，但傳統斷路器功能較少，排除故障時間也較長。本次研究得出了一種全新的多功能新型10kv柱上斷路器，能夠較好的解決傳統斷路器的問題，對于我國人民的正常用電以及我國經濟的發展有著重要意義。

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