中压开关设备的智能化

断路器故障诊断的难点

由于断路器是由灭弧室、操动机构等多个设备组合而 成，涉及电、磁、力学等多个方面，各种故障的表现 形式和产生机理千差万别。因此对断路器进行状态监 测并做出准确的故障诊断，必须了解断路器的工作特 性和故障特点。由于断路器本身所具有的特性，造成 了断路器状态监测工作的困难，这些特性可概括的表 述如下:
中压设备的状态监测与健康诊断

中压设备状态监测与健康诊断是实现定期检修向状态检修的关键。
电力设备的状态检修是当前电力系统的几大前沿课题之一。对开关 电器而言，状态检修的基础是利用现代传感器技术和计算机技术对运行 中的开关进行实时状态监测，并对其健康水平进行评估或诊断。因此， 研究可靠的检测装置和检测方法，包括监测绝缘以及电气参数的劣化与 故障，机械参数与物理参数的诊断等，是开关智能化的重要组成部分。
断路器状态诊断的信号
用于判定断路器状态进行故障诊断的信号主要有如下 几种: 选取断路器动作行程、三相分合闸同期性及历史数据 进行分析比较来诊断操动系统的故障。 对分(合)闸线圈电流波形进行详尽全面的分析，与正 常状态下的“指纹”电流波形进行比较。 根据振动信号分析来确定断路器的机械故障，采用离 线测量接触电阻的方法评估断路器活动接触处的劣化 状态及其载流状态。 通过测量断路器动作时触头两端的电压，以及分(合) 闸线圈线圈的电流，从这些信号中获取分(合)闸线圈 时间、燃弧时间、电弧电压、电弧能量等信息。

中压开关设备状态监测

电力设备的状态检修是当前电力系统的几大前 沿课题之一。对开关电器而言，状态检修的基 础是利用现代传感器技术和计算机技术对运行 中的开关进行实时状态监测，并对其健康水平 进行评估或诊断。因此，研究可靠的检测装置 和检测方法，包括监测绝缘以及电气参数的劣 化与故障，机械参数与物理参数的诊断等，是 开关智能化的重要组成部分。

分合闸线圈电流


真空断路器在每次合、分过程中，直流线圈的电流随 时间变化，变化波形中蕴藏着极为重要的信息。铁心 及合、分闸线圈是操动机构中的重要组成部分，是控 制断路器动作的关键性元件。当线圈通过电流时，在 铁心内部产生磁通，动铁心受磁力吸动，带动机械装 置，使弹簧释能，使断路器合闸或分闸。 对分合闸线圈的测量一般采用对信号反应非常迅速的 霍尔电流传感器，其体积小、电气性能好，不会对真 空断路器主系统的正常运行造成影响。此外，系统还 具有精度高、线性度动态特性好等优点，这对于保证 整个装置的测量稳定性及测量精度都十分有利。
主要内容
中压开关设备智能化的意义 中压开关设备状态监测与健康诊断 中压开关设备的智能化操作

中压开关的智能化
在中压开关设备领域，智能化已经成为一种趋势，其动力首先来 自电力系统越来越高的可靠性要求及其越来越高的自动化程度。 现代供配电系统都要求在监测、控制及保护等方面完全自动化和 智能化，开关作为最重要的电力系统控制元件，其智能化则是上 述自动化与智能化的基础。为满足电力系统日益提高的可靠性要 求，电力设备的状态检修技术得到了飞速发展，这一技术要求设 备能自诊断、运行状态可控、能及时发现故障的前兆，这与开关 智能化的基本要求是一致的。因此，中压开关作为供电设备的基 本控制与保护电器，其智能化一般应从以下几个方面加以考虑： （1）对断路器的状态应能自动监测以提高其工作的可靠性；（2） 应根据状态监测的信息实现开关操作的智能化； 智能化开关设备是变电站综合自动化、配电网系统自动化的 基础，它应保证上述系统安全、可靠、经济地运行。开关的同步 操作技术是开关智能化操作的重要内容之一，对电力系统可靠运 行具有十分重要的作用，同时也可提高开关的开断和关合性能及 运行可靠性。
触头的电磨损



断路器的每次开断都会对触头产生一定程度的损伤， 断路器触头电磨损(又称电寿命)是影响断路器性能的 重要指标。 与触头磨损有关的主要因素是开断电流的大小和燃弧 时间的长短，用累计电弧能量来标定断路器的电寿命 是一种相对而言比较科学的方法。但是在工程实施中， 这种方法操作不便，由于要求记录每次开断的燃弧时 间，存在较大的测量误差，影响判断的准确性。 因此，在高压断路器在线监测系统的电寿命分析模块 中，一般应用相对电磨损和相对电寿命的概念对断路 器的电寿命进行分析和标定。

机械特性



真空断路器的机械特性主要包括:分(合)闸时间、触头 行程、开距、超行程、分(合)闸不同期、分(合)闸平均 速度、刚分(合)速度、分(合)闸最大速度、触头分闸反 弹幅值等。 真空断路器的机械特性参数是保证断路器正常工作的 重要依据。从真空断路器动触头的行程一时间曲线、 分(合)闸线圈电流一时间曲线以及结合刚合、刚分分 位置信号可以确定机械特性参数. 真空断路器机械特性的监测主要反映在对行程一时间 特性、分(合)闸线圈电流的监测


工作状态的多样性
产品结构的差异性 故障发生的随机性
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断路器的状态监测和故障诊断中 存在的主要问题
目前在断路器的状态监测和故障诊断中存在的主要问题是: 现有的在线监测系统尚须对其设计和功能进行完善，缺乏数据积累，只 能简单参照历史数据记录。应该使监测系统实现数据库建立功能。 以往人们所关心的是机械参数的计算结果(只要结果偏离不大，就认为没 什么问题)而对机械运动过程细节关心不多。 许多系统的设计者将状态监测和故障诊断割裂来看，设计出来的系统只 是采集数据，虽然得到了大量的状态参数但基本上没有数据分析功能， 数据的整理、状态特征量的提取、分析仍然要靠人工完成。 监测仪器寿命过短(通常不超过10年)，精度不够高。 一般来说，状态的变化，设备由正常状态到故障的发生都是有一个过程 的。但是现有系统对故障机理研究尚不够透彻，监测与诊断的手段不多， 获取的信息也不够全面，在故障的诊断率和诊断的正确率、系统的稳定 性等方面还存在问题。这些原因都使状态监测和故障诊断工作进展缓慢。

与变压器、发电机、电容性设备相比，中压开关设备在线监测技 术起步较晚。 20世纪90年代，美国、日本开始研究断路器的在线监测，美国学 者率先给出断路器电寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电 寿命”的概念，“全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是同 期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。 随着研究的深入，都先后生产了自己的断路器在线监测装置，不 过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行监测的问题。检测 结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。
分合闸线圈电流的特性曲线
分合闸线圈电流
分析电流波形可知，电流有两个峰值点和一个谷值点。 以t0为命令时间的零点，特征参数有t1，t2，t3，t4，t5， I1,I2，I3等。引起线圈变化的因素很多，如电压、铁心空 行程、摩擦阻力、卡滞及操作机构的机械动作状况等。 t0~t1时间电流可以反映线圈的状态(如电阻是否正常); t1~t2时间电流的变化表征铁心运动构有无卡涩，脱扣、 释能机械负载变动的情况。t2一般是动触头开始运动时 刻。从t2以后是机构过传动系统带动动触头合、分闸的 过程，即动触头运动的过程; t4为断路器的辅助触点切断的时刻. t0~t4时间电流的变化可以反映机械操动机构传动系统的 工作情况。

角位移传感器
分合闸线圈电流
这一波形根据铁心的运动，可以分为五个阶段: (l)阶段1，t0-t1。线圈在t0时刻通电，到t1时刻铁心开始运动。 t0为断路器合、分闸命令下达时刻，是断路器合、分动作计时 起点。t1为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁 心开始运动的时刻。这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心 静止。这一阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关。 (2)阶段2，tl~t2。铁心运动，电流下降。t2为控制电流的谷点 ，代表铁心己经触动操作机械的负载而显著减速或停止运动。 (3)阶段3，t2~t3。铁心停止运动，电流又呈指数上升。 (4)阶段4，t3-t4。这一阶段是阶段3的延续，电流达到近似的稳 态。 (5)阶段5，t4-t5。电流开断阶段。此阶段辅助开关分断，在辅 助开关触头间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电 流迅速减小，直到熄灭。
在线监测系统的构成
在线监测系统一般包括以下基本单元:
(1)信号的变送。信号的变送由相应的传感器完成。传感器从电气设备上测量出反应真空 断路器运行状态的物理量，并将非电信号转换成电信号，传送到装置CPU处理单元。
(2)信号的调理。对传感器变送过来的信号进行适当的调理，对混杂在信号中的噪声进行 抑制，高信噪比。 (3)数据的采集。对经过调理后的信号进行采集、转换和存储。 (4)信号的传输。对采集到的信号传送到装置CPU处理单元， (5)数据的处理.对采集到的数据进行处理和分 析，例如数字滤波，时域分析，频域分析，利 用小波分析等等，目的是进一步提高信噪比， 为诊断提供有效可靠的数据和信息。 (6)分析诊断。对处理过的数据和历史数据及其 它信息进行比较和分析后，对真空断路器的状 态或故障部位作出诊断，为状态检修提供辅助 决策依据。 在线监测系统框图
真空断路器在线监测系统的实现
1、确定特征量 根据江苏省电力试验研究院对全国9个省市供电部门在1995-1996年投运的 12kV真空断路器的调查和统计，可知引起真空断路器故障的原因包括以 下几个方面: ① 真空灭弧室真空度下降; ② 操动机构和传动部件故障，如分合闸线圈烧毁，线圈回路接触不良， 连接件断裂、卡涩、磨损、移位和变形，轴销脱落，脱扣失灵等: ③ 电气控制和辅助回路故障，如辅助开关失灵、中间继电器烧毁、行程 开关损坏等; ④ 其它故障，如电连接处发热、绝缘部件受潮积灰、油缓冲器漏油等。 其中，机构和传动件故障占总故障的67.6%，真空灭弧室故障占18.1%， 控制和辅助回路故障占9.5%，其它故障占4.8%。 可见机械故障和真空灭弧室故障是主要的故障原因。 根据此前分析，根据断路器故障的比例，结合经济性、可行性，监测量 如下:真空度、行程一时间特性、分(合)闸线圈电流、开断电流。
真空断路器的特征参数及检测方法

根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些 开关厂家的经验，能反映真空断路器健康状况 的参数主要有:真空度、动触头行程、动触头 超行程、动触头开距、动触头速度、分(合)闸 线圈电流、分(合)闸时间、三相分(合)闸不同 期性、合闸弹跳时间、触头的电磨损、辅助开 关触点、绝缘和储能电机电流.
机械特性的监测
1、行程一时间特性 行程一时间特性是断路器工作状态的重要表征。行程测量的基本要求是:既不能影 响机构原有的机械特性和绝缘性能，又要真实地反映触头行程随时间的变化。此 外，传感器还要便于安装，即监测系统的适应性要强。这就要求选用的传感器体 积不能太大，并且线性度和灵敏度要尽可能高。 近年来，对断路器触头行程的测量有以下三种方法: 光电编码器，将旋转光电编码器安装在断路器操动机构的主轴上，或者把直线光 电编码器安装在与断路器动触头连接的直线运动部件上，测量合、分闸操作时动 触头的运动信号波形。 直流差动变压器式位移传感器，线性度好，精度高，使用寿命长、灵敏度和分辨 率高，具有较强的抗干扰能力，可在潮湿、大电流或强磁场等恶劣环境下工作， 是测量高速动态位移量的理想器件。但对于40.5kV及以下电压等级的断路器，其 结构非常紧凑，在动触头和绝缘拉杆附近可以用来安装传感器的空间非常有限， 而且传感器如装在动触头处，还存在高电位隔离问题。但对于结构紧凑的断路器， 安装不是很方便，因此，要实现较好地测量，必须对开关柜的机械结构进行改变， 这就与改动断路器的主体一致了。
真空度
真空度是表征真空断路器性能的最重要的参数之一，如果真空断路器的 真空度不能满足正常工作要求的数值，则这台真空断路器就不能承担正 常的工作。根据试验，要满足真空灭弧室的绝缘强度，真空度不能低于 6.67x10－2Pa，工厂制造的新灭弧室要求达到7.5x10－5Pa以下，以此作 为真空灭弧室可靠工作的保证，这也是对真空灭弧室的真空度进行监测 的依据。 根据上述要求，目前实现真空度在线监测的方法主要有以下几种: 1）电光变换法，利用某些光学元件如泡克尔斯(Pockels)在电场中能改 变光学性能的原理，把与真空度对应电场的变化转换成光通量的变化， 再经光纤传到低电场区或控制系统中进行检测。 2）耦合电容，耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的。 3）利用旋转式电场探头测量屏蔽罩的直流电位 4）内置式双波纹管检测技术，利用外界气体压力和灭弧室内腔自闭力的 平衡原理实现真空度的在线监测。