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

王景阳

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。

(6)活动连接部位的可靠性监测，目前较为成熟的方案是通过监测断路器上下触头的接触未知的温度，从而间接地反映上述未知的接触电阻。所采用的技术多种多样，其中包括光纤测温法、声表面波测温法、红外测温法、一次回路取电和无线通信的接触式测温法等。上述方案各有优劣，适用性与断路器的实际结构有很大关系。

针对国内外与断路器在线监测有关的各项技术，从技术成熟度、技术复杂性和准确性三方面可总结如表1所示。

3、行程一时间特性的在线监测

（1）行程曲线的在线监测

行程-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，并月_线性度和灵敏度要尽可能高。

随着开关电器小型化技术的不断发展，许多真空断路器的外形结构尺寸已缩小到接近极限。这使得动触头附近可供安装位移传感器的空间非常有限，传统的直线位移传感器由于尺寸的限制均难以在实际中使用。此外，由于在线情况下动触头处于高电位，对监测系统的隔离措施要求很高，从而使得直接测量动触头的行程曲线非常困难。

考虑到真空断路器在分合闸过程中，动触头的行程与主轴转动角度之间有一定的对应关系，因此测得主轴的角位移曲线，即可间接得到动触头的直线位移曲线。真空断路器的主轴处于地电位，远离高压部分，因此不存在高电位隔离的问题。而且一般情况下主轴附近的可用空间很大，能够方便地安装角位移传感器。这种间接测量的方式对多种型号的真空断路器都适用。

在此基础上，选用了一种精密的导电塑料电位器作为角位移传感器，将其安装在操动机构的主轴上，传感器的转轴与断路器的主轴通过连接件紧固连接，见图1。该传感器有很高的测量线性度(0.1%)和分辨率，此外还具有机械寿命长、启动力矩小、抗冲击能力强、价格低廉等优点，因此完全满足断路器机械特性在线监测的要求。

为了确定动触头直线位移和主轴角位移之间的对应关系，在离线情况下同时使用直线位移传感器和角位移传感器进行了对比测量。实验中将直线位移传感器的滑动端固定在与动触头相连且同步运动的绝缘拉杆上，连续进行了10次分合闸操作。用双通道示波器同时读取2个传感器的输出，得到直线位移和角位移的对应关系，见图2。

由图2可以看到，10次测量得到的对应关系曲线基本吻合，主轴角位移和动触头直线位移的对应关系一直保持良好。真空断路器的合闸过程可以分为3个阶段(以图2(a)中A，B两点为界)：第1阶段从合闸脱扣器脱扣，触头开始运动到动静触头关合瞬间为行程区间;第2阶段为超程段，触头弹簧被压缩;第3阶段为过冲段，机构经缓冲作用最终停止在合闸位置。分闸过程也分为3个阶段(以图2（b）中A，B两点为界)：第1阶段从分闸脱扣器脱扣到触头刚分瞬间;第2阶段从触头开始运动到主轴拐臂与油缓冲器接触瞬间;第3阶段油缓冲器作用，为分闸反弹阶段。此外，由于分闸缓冲器的缓冲作用，分闸操作与合闸操作的对应关系有所不同。在分闸缓冲段，主轴受缓冲器的作用很快接近停止，而此时动触头由于惯性还会产生持续的振荡现象。这时主轴角位移和动触头的直线位移之间不再有确定的对应关系。然而对于真空断路器机械特性而言，更关心的还是行程区间这一段的运动情况，因为该段反映了断路器的合/分闸速度、最大合/分闸速度、刚分速度等，能够在一定程度上体现断路器的机械性能。

由动触头的直线位移曲线可算出触头开距、合闸速度、分闸速度等机械特性参数。通常情况下，分合闸速度用某一行程区间内动触头的平均速度来表征。针对VS1型真空断路器的机械性能要求，合闸速度按关合点前11mm内的平均速度计算。分闸速度按刚分点后6mm内的平均速度计算。由于角位移曲线中不包含触头关合/刚分时刻的信息，为了计算各个机械特性参数，还需要在线确定触头的关合/刚分时刻。

4、结语

通过监测真空断路器主轴角位移的方法，间接测量动触头的行程曲线，采用曲线拟合的方法得到了主轴角位移和动触头直线位移之间的解析表达式。在不影响断路器动作性能的同时，有效解决了机械特性在线监测中传感器安装困难和高电位隔离的问题。通过监测操作过程中的振动信号，用短时能量分析在线提取动静触头的关合/刚分时刻，为真空断路器机械特性在线监测提供了一个有效的解决方案。

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