高压断路器在线监测技术研究

高压断路器在线监测技术研究

蒋春悦刘哲郭小燕闫佳文

（国网河北省电力有限公司培训中心河北省石家庄市050000）

摘要：高压断路器是变电站中仅次于变压器的高压开关设备,起到控制和保护作用。断路器故障可能导致大规模的停电事故发生，对断路器进行在线监测可以保证电网长期安全可靠运行。

关键词：高压断路器；在线监测技术

引言

断路器是高压电网中重要的设备,主要起控制和保护设备作用。断路器的寿命通常在20～40年,通常情况下断路器保持合闸的状态,在电路故障等情况下需要断路器可靠的工作。高压断路器作为变电站中仅次于变压器的高压开关设备,在电力系统中起到保护和控制作用,它的可靠性直接影响整个电网的安全运行。高压断路器实施实时在线监测,可以及时了解其运行状况,掌握其运行特性及变化趋势,以便尽早发现潜在故障,及时采取预防措施或进行维修,保障系统可靠运行。再者,高压断路器在线监测技术为设备的状态检修机制提供了依据,为实现从计划检修到状态检修的转变创造了有利条件,具有重大意义。

1高压断路器在线监测的主要内容

由于控制、保护对象以及设计原理的不同,断路器分为油断路器(多油和少油)、SF6断路器、真空断路器、压缩空气断路器等。国内使用较多的是少油断路器、真空断路器和SF6断路器。虽然断路器本身的成本较其他设备如发电机、变压器要低很多,但是一旦发生事故,造成的损失却比断路器本身的价值大得多,因此要十分重视其工作的可靠性。所以,SF6断路器的机械性能在线监测和SF6气体综合在线监测是重点,两者引起的故障占70%左右,在此基础上可以根据实际需求,增加电气寿命监测、绝缘监测等功能模块,完善整个在线监测系统的功能。

2高压断路器在线监测系统的组成及故障类型

2.1高压断路器在线监测系统的组成

第一部分，信号的监测系统：主要由传感器和信号预处理系统构成。一般传感器直接安装在被监测断路器上，预处理系统是为了防止干扰及提高信噪比，将监测是的小信号进行放大和滤波处理。

第二部分，传输系统：将监测得到的信号传送到控制室。

第三部分，处理系统：具有传输信号的接收、处理、存储和显示等作用，它由信号处理的硬件、计算机以及分析处理软件构成。

系统组成框图如图1所示：

2.2高压断路器在线监测系统的故障类型

根据国内外断路器运行时的故障统计,断路器严重故障主要表现形式为拒动、误动、绝缘事故。具体阐述如下:

第一，拒分,在规定的分闸时间内没有完成分闸操作;

第二，拒合,在规定的合闸时间内没有完成合闸操作;

第三，误分,若无分闸指令,断路器自行分闸则为误分;

第四，误合,若无合闸指令,断路器自行合闸则为误合。

这些故障会造成断路器功能的丧失,给电力系统带来巨大的损失,甚至危害人身安全。实现断路器的状态维修就必须分析造成这些故障的部位及具体原因。据统计,机械部分包括操动机构和二次回路占总故障的64.8%左右,电气故障次之,两者占据故障原因的绝大多数。

3断路器在线监测技术

3.1断路器行程特性的监测

高压断路器的行程—时间特性是表征高压断路器机械特性的重要参数,也是计算高压断路器分、合闸速度的依据。高压断路器分、合闸速度,尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度,对断路器的开断性能有至关重要的影响。高压断路器动触头速度的测量,主要是通过测量动触头的行程—时间关系,然后经过计算得到动触头的速度等参数。因此,高压断路器的行程—时间特性监测,是高压断路器在线监测的重要内容。

目前测量高压断路器的行程—时间特性,多采用光电式位移传感器与相应的测量电路配合进行,常用的有增量式旋转光电编码器或直线光电编码器。直线光电编码器安装在断路器直线运动部件上,或者把旋转光电编码器安装在断路器操动机构的主轴上,通过传感器测量分(合)闸操作。

3.2断路器电寿命的监测

断路器的电气寿命是断路器在线监测系统中的另一个重要参数。影响电寿命的主要因素是触头的电磨损,而触头的电磨损又取决于开断电流(燃弧电流)和燃弧时间、灭弧室的结构以及触头的运动速度等。因此,通过监测开断电流,开断次数,燃弧时间等参数,由数学算法分析,累计触头磨损量,评估触头电寿命,预测触头的剩余寿命。IEC(国际电工委员会)和国家标准对电寿命都无规定。国外断路器生产厂家一般用断路器累计开断短路电流的KA数或累计开断额定开断电流的次数来标定电寿命。现有监测方法主要通过累计开断电流或累计开断次数的方法来估计电磨损量。但其也存在两个明显缺点：一、累计开断次数由于没有区分每次的开断电流和燃弧时间,据此估计触头磨损量是粗略的；二、由于同一断路器在同样的外部条件下先后开断两次同样大小的电流值,其烧损程度也可能不同,单纯以累计开断电流作为判断触头健康状态的依据是不准确的。

3.3断路器分合闸线圈电流的监测

断路器在每次合、分闸过程中,线圈的电流是随时间变化,变化波形中蕴藏着极为重要的信息。电磁铁线圈的电流波形中含有很多信息,反映电磁铁本身以及所控制的锁门或阀门以及连锁触头在操动过程中的工作情况,如铁心运动机构有无片滞,脱扣、释能机械负载变动的情况,线圈的状态(如电阻是否正常),与铁心顶杆连接的锁门和阀门的状态。通过对合、分闸操作线圈动作电流的监测,可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等,为检修提供一个辅助判据。高压、超高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操动机构,这类机构的分合闸脱扣电磁铁,在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致断路器拒动。而电磁铁铁芯的动作状况,可以通过铁芯运动与电流特性的关系反映出来,如果能记录分合闸脱扣电磁铁的电流波形,便可掌握铁芯的动作状况,预先发现问题,对这类故障起到预防作用。分、合闸操作线圈是控制断路器动作的关键元件,应用霍尔电流传感器可方便地监测多种信息的分、合电流波形。分析每次操作监测到的波形变化,可以诊断出断路器机械故障的趋势。对发生概率最大、危害性也最大的拒动、误动故障的诊断尤为有效。

3.4断路器绝缘状况的监测

绝缘在线监测是在断路器运行状态中,监测其绝缘的各种特征参数,通过这些参数,有效地反映绝缘的实际情况,做出比较准确的判断。对于常用断路器,相间距离足够大,一般不会发生绝缘击穿,主要是考虑相对地的绝缘情况。表征断路器绝缘特性的参数主要有介质损耗、局部放电和泄漏电流,大部分在线监测系统是监测泄漏电流量。

4结束语

总的来说,高压断路器在线监测是状态检修机制发展的一个基础,对于提高电器使用寿命,检修策略和检修机制的发展都有十分重要的意义。对高压断路器实施状态检修，可以有效地减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高其运行的可靠性和经济性。从市场发展来看,应该来说具有一定的市场前景,但是必须在产品性价比上下足功夫。

参考文献

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