浅谈真空断路器机械特性的在线监测方法

浅谈真空断路器机械特性的在线监测方法

发表时间：2018-10-23T15:27:02.987Z 来源：《防护工程》2018年第12期作者：王景阳[导读] 甚至威胁到整个电力系统的安全运行。因此，掌握对真空断路器机械特性进行在线监测的技术十分重要，本研究就最新研发的界面友好、易于操作、功能齐全、工作稳定、精度较高和扩展空间大的在线监测系统进行简单介绍。王景阳

莱福士电力电子设备（深圳）有限公司

摘要：真空断路器近年来颇受工矿企业、发电厂和变电站的音睐。作为开关电器中最为重要的一种电器。在电力系统中肩负粉控制和保护设备的双重作用。但其可能发生的各类故障也常威胁到人们生命财产的安全，甚至威胁到整个电力系统的安全运行。因此，掌握对真空断路器机械特性进行在线监测的技术十分重要，本研究就最新研发的界面友好、易于操作、功能齐全、工作稳定、精度较高和扩展空间大的在线监测系统进行简单介绍。

关健词：真空断路器;在线监测;机械特性

引言：国际大电网会议对高压断路器可靠性所做的2次世界范围的调查及我国电力部门对高压开关事故的统计分析均表明，高压断路器的大多数故障(主要故障的70%和次要故障的86%)发生在机械机构。主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等，大多数是由于机械特性不良造成的，如拒分、拒合或不能开断等。其它灭弧、绝缘故障占较小的比例，发热故障比例更低。高压断路器机械故障所造成的事故在次数、事故所造成的停电时间上均占总量60%以上。因此，及时了解高压断路器的机械工作状态对提高供电可靠性有重要的现实意义，并可以减少盲目定期检修带来的资金浪费。

真空断路器作为电力输配电系统中最关键、最广泛的开关电器之一，肩负着控制和保护的双重任务，其机械性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。真空断路器的可靠性在很大程度上取决于其机械操动机构状态的可靠性。因而，真空断路器机械特性的在线监测显得尤为重要。

目前，国内外都在致力于检测手段的研究和开发，真空断路器机械特性在线监测技术已经进入一个新的发展阶段，一些新理论、新技术、新的检测手段正在被开发、运用。随着传感器技术、微电子技术和计算机通讯技术的迅速发展，为真空断路器机械特性的在线测量提供了技术基础。本文所述的真空断路器机械特性在线监测装置，能实现对合、分闸线圈电流信号、动触头的行程信号、主回路三相电流信号和辅助开关位置转换等信号的检测，较好地实现了机械特性参数的显示、存储、打印和数据通讯等。

1、机械特性在线监测的意义

国际大电网会议(CIGRE)和国家电力科学研究院对真空断路器的论题都高度重视，前者曾就其可靠性在世界范围内做了两次调查，后者对高压开关事故进行了统计分析。两者均得出这样的结论：机械特性不良是高压真空断路器频频出现机器故障的罪魁祸首，近80%的断路均是由此引起，且大多数故障是操动机构的问题。因此，加强高压断路器机械特性的在线监测，对保证高压断路器的安全运行具有重要的现实意义。

2、真空断路器综合评价

真空断路器是中压输配电网络中最为关键的执行器，断路器的常见故障包括拒分、拒合、绝缘、开断故障，导致故障的原因主要包括3个方面：

(1) 控制系统异常，控制回路断开或脱扣器运动异常，储能系统运行异常；

(2) 机械结构异常，机构失灵、卡涉；

(3) 一次绝缘部件异常，真空度下降，绝缘部件性能降低，导致击穿。

断路器故障对电力系统的稳定运行具有非常重要的影响，如果在需要断路器动作时，断路器不能按照要求正常动作，导致的后果一般是灾难性的，会带来巨大的物质、经济损失。为此，国内外的电力主管部门对断路器系统的在线监测一直比较重视；近年来，由于电子、软件和传感器技术的发展，断路器的在线监测系统也日趋成熟，功能、精度和性能也得到了较大的提升。断路器系统是一个复杂的机电耦合的系统，对其进行全面监测和诊断涉及的技术非常广泛；在低压侧，断路器有储能回路、分合闸脱扣回路，在高压侧有活动连接、真空绝缘结构、环氧绝缘结构；此外，还具有复杂的机械系统，不但瞬时运动速度高，力和力矩大，而且对运动精度要求高。为了全面监测断路器的运行状态，需要通过对多种物理参数的实时测量和在线分析计算，才能准确反映和预测设备的运行状态，才可为断路器的操作、检修提供可靠的、全面的技术依据。综合国内外对断路器系统的研究成果，目前对断路器系统地监测和诊断主要包括如下方面： (1) 控制回路的连续性监测，实时监视控制回路的连接线和控制电源是否正常，在控制回路断开时，可以提前发出报警提示。目前的技术方案主要是在控制回路的适当位置并联一个高阻抗的支路，使一个较小的电流穿过整个控制回路(分闸、合闸和储能)，如果控制回路断开，电流不能形成回路，即可发出报警信息：上述监测电路设计的关键在于选择合适的电流和并联接入点。监测电流的幅值应足够小，不能导致电执行器产生动作。

(2) 控制回路的波形监测，即在断路器每次动作时(分闸、合闸、储能)，记录和分析控制回路的电流和电压信号，分析电信号的波形以判断控制电路及所控制的驱动装置(脱扣线圈或储能电机)是否工作正常；目前发展成熟的技术主要针对直流的控制回路具有显著效果，可以识别出脱扣机构的摩擦力、驱动力，线圈的阻抗、感抗等参数，也可以对比历次动作波形之间的差异并预测以后的动作趋势。针对储能机构，可以识别驱动电机、储能机构、储能弹簧的异常状态。

(3) 机构的运动特性监测，通过配置适当的位移、力和振动传感器等，可以测量出断路器动作过程中的分／合闸速度、开距离、动作时间、行程、振动频谱等参数。如果配置力传感器，还可以测量断路器机构中关键位置的作用力(如合闸状态下的闭合力等)。

(4) 真空度监测，主要通过放电现象、电场梯度变化、离子电流、气压等方式直接或间接地判断真空灭弧室内的真空状态，目前还没有真正成熟、稳定、准确的测量方案。相关技术都在发展过程中。

(5) 绝缘监测，主要监视断路器一次回路绝缘部件的绝缘性能，目前提出的方案包括泄漏电流法、局部放电法，由于断路器绝缘部件结构复杂，相关的监测系统较难实现准确性和实用性的良好结合。