高壓斷路器機械特性在線監測關鍵技術研究

魯周勛

（中國南方電網有限責任公司，廣東 廣州 510060）

1 高壓斷路器機械特性在線監測原理

高壓斷路器絕大部分事故源于機械方面的原因，根據調查和統計可知，全國高壓開關設備運行斷路器最嚴重的機械故障是誤動和拒動[1-4]。一般有兩方面的內容會導致這種機械故障，一方面是因為機械部件脫扣失靈，機械部件位移、損壞和變形，或者是分合閘鐵心松動、軸銷斷裂、機構卡塞等，導致傳動系統和操動機構的機械生效無果；另一方面則是因為接線錯誤、二次接線接觸不良、分合閘線圈因轉換開關不良或機構卡塞而燒損，以及合閘接觸器、操作電源、微動開關失靈等故障，造成輔助回路的故障以及電氣控制。

通過對產品成本的綜合性考慮以及結合當今能夠達到的技術水平，根據文中所描述的原因，監測斷路器的機械特性可能還需要做到如下兩點[5-6]。

（1）監測分合閘過程中動觸頭的位移，依次形成時間特性曲線，通過形成的時間特性曲線可計算出觸頭行程、分合閘速度等參數。

（2）在整個分合閘的過程中，監測并且記錄下線圈的電流波形，以其變化來進行推測，從而得出斷路器機械故障的趨勢，并得到固有分合閘時間等參數。

2 機械特性在線監測關鍵技術

2.1 觸頭行程、速度監測

行程測量的基本要求有如下兩點，在不影響原有機構的絕緣性以及機械性的基礎上，又能將斷路器的行程特性真實的反映出來；同時，還要方便安設，也就是監測傳感系統要有足夠強的適應性。目前，傳感器主要包括3種，一種是導電塑料電位器，用的最多，另一種是光電式光柵編碼器，最后一種是差動變壓器式位移傳感器。使用差動變壓器式位移傳感器進行在線監測，其測量精度會因為強大的電磁場而大大降低。為了在動觸頭的連動部件上將傳感器正確安裝，直接將其直線位移曲線準確測量出來，并同時能夠提高位移信號在傳輸過程中的抗干擾能力。這類傳感器線性度好，制作成本較低，相比普通傳感器，它的測量精度也較高。但其體積較大，不方便安裝，如在絕緣拉桿處安裝位置有限。針對不同斷路器實際情況，也可以選用導電塑料電位器替代，其主要參數如表1所示。

在此基礎上，在實驗中，通過監測得到了兩種傳感器的行程曲線，如圖1所示。

圖1 兩種導電塑料位移傳感器的測量曲線

200次數據的統計曲線如圖2和圖3所示。

圖2 分閘初始點對應的角位移曲線和直線位移曲線的電壓值

表1 精密導電塑料電位器的主要參數

圖3 合閘初始點對應的角位移曲線和直線位移曲線的電壓值

統計結果表明，波形的重復性十分好。基于這個實驗結果，取一組有代表性的試驗數據制成直線位移-角位移關系表格，供機械特性數據處理程序使用。這樣可以將測量數據的處理過程大大的簡化。

當回路中出現電流時，系統記錄下該時刻，作為斷路器動作起始時間。

監測和離線監測有所區分的原因如下，監測過程是在斷路器運行過程完成的，它無法直接監測到動觸頭的換位信息，一方面是由于開斷過程中伴隨了燃弧現象的發生，另一方面是觸頭尚處于母線的高壓狀態。如圖4和圖5所示，由此可確定固有分合閘時間。

觸頭的變位信息仍然由大量離線下的試驗來確定。對于兩種不同的計算區間，除變位點之外的其他點的確定則根據離線試驗所得到的直線位移-角位移的對應關系表格來確定，并在計算程序中以常量的形式出現。實際使用過程中，只需根據不同的測量要求修改這些常量即可。

一般斷路器的生產廠家對剛分速度的定義沒有明確的規定，出廠試驗報告上一般也不出現剛分速度的測量值。但由于剛分速度在很大程度上反映了斷路器機構的運行狀態，所以在本系統中加入此測量項目。剛分速度計算區間的選取原則是在保證各次計算值穩定的前提下，所取區間越短越好。通過多次試驗，最后確定采用觸頭分離點和它之前10個點（2 ms）之間的斜率來表示動觸頭的剛分速度[6]，如圖6所示。

2.2 分合閘線圈電流監測

許多非常重要的信息都包含在分合閘線圈的波形中，可以用于診斷機械故障。本次通過霍爾磁平衡式電流傳感器來監測，主要目的是為了不改變現有狀態下的整流電路。但是這樣整流橋前后的一些電流波形中所包含的信息量將會保持不變。這是因為只經過了整流電路所致。

圖4 固有合閘時間

圖5 固有分閘時間

圖6 分合閘速度

由于霍爾傳感器的響應時速度較快，跟蹤速度快，失調電流小，線性度好，動態領域大，所以有利于保證整個測量系統的精準度和穩定性。此外，霍爾傳感器的類型為線路板直接焊接型，體積相比其他小，因此在監測單元內部的信號條理板上可以安裝，在輸出信號傳輸過程中，外界電磁的干擾也可以避免。

在測量時，選用的電流傳感器是JT5-B跟蹤型霍爾電流傳感器，其典型參數如表2所示。

表2 霍爾電流傳感器的主要參數

對線圈電流做100次分合閘操作的電流波形如圖7所示。

圖7 合閘操作電流波形

分合閘線圈的基本電壓平衡方程式為：

在電感性電路的方面，在電流的上升階段（T0～T1），i必須按指數規律慢慢增大。這是因為在電路中的電流到線圈電流i的這一階段中在線圈通電后不可出現躍變。在大體上其中的磁通會依照指數的規律增長，是由于磁路在線圈通電之前是處于不飽和的狀態。在觸動階段時，電流表達式為：

在電磁的反作用力比電磁的吸力小時，銜鐵便會開始逐漸運動。此刻運動反電動勢就將在線圈中產生，運動反電動勢將阻礙電流增長iv·dL/dx。因為銜鐵最初的速度比較小，在總的反電動勢中，運動反電動勢還沒有占據主要地位。所以在線圈中，此時的電流會慢慢增長。不過當銜鐵的速度慢慢增長之后，運動反電動勢也將會隨著銜鐵的速度不斷地增長。當它增長至某個一定數值時，此時線圈中的電流便會逐漸減小。所以在這個階段中，線圈電感是反電動勢的主要來源，此時依舊可以用式（2）來表示線圈電流。此外，因為在該式中線圈電阻R為一個不變的定值，所以在T0～T1的階段，依然可以反映出線圈本身阻抗和控制電源電壓的變化。

在電磁鐵吸合的過程中，可通過第二階段T1～T2看出，當銜鐵的速度慢慢增長時，主導地位將會被運動反電動勢占據，其中電流很顯然在開始減小。因此可得出一個結論，線圈的參數以及銜鐵運動的速度，決定了電流減小的幅度和速率。當銜鐵運動到觸及負載而速度減小，運動反電動勢則會慢慢下降，直至吸合位置后，運動反電勢將再一次變為零。這時機械運動的過程結束，而在新的基礎上，線圈的電流則會重新增長。因此，在T1～T2這段時間，可以看出在運動的過程中電磁鐵芯會不會出現一些故障。以后經過電磁過渡過程T2～T3，線圈電流和磁通逐漸增長，直至達到它們的穩態值。當動作過程全部完成時，將打開主回路的輔助觸點，電流又按指數規律下降至零。。

要分析分合閘線圈電流的采樣數據，可以統計分合閘次數、分合閘時間（接到動作命令到主觸頭打開的時間）、分合閘狀態、輔助觸點狀態和儲能電機啟動次數。這都屬于開關量信息，可由智能單元直接采集計算。

3 結 論

導致高壓斷路器故障的最主要緣由很明顯是高壓斷路器的機械故障，因此對高壓斷路器進行機械特性在線監測，以最大限度地提高其運行可靠性是十分必要的。基于本文研究的兩個關鍵技術，高壓斷路器的機械故障在線監測技術必將迅速發展，并逐漸變成集成化、通用性、可擴充化、可通信化、高可靠性的成熟系統。