高压断路器机械特性监测及故障模式识别方法的分析

高压断路器机械特性监测及故障模式识别方法的分析

张庆波

（广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞市523008）

摘要：高压断路器是电力系统中发电与用电之间的联系环节，通过断路器的工作实现电网运行的控制作用和对电气设备故障的保护作用。现阶段电力系统当中，高压断路器的机械结构主要分为导电、绝缘、接触、灭护和操作系统等部分，而常见的机械故障则表现在拒分、拒合、误分、误合等层面。本文通过对高压断路器的机械构造和特性进行分析，得出对于高压断路器可能存在的机械故障的检测和识别办法，并给出相应的处理措施。

关键词：高压断路器；电力系统；电气设备；故障识别

高压断路器的机械故障检查和识别主要是诊断机械状态下断路器的工作参数的变化，从而断定断路器灭弧系统工作是否正常。目前电力系统当中对于高压断路器的在线监测手段主要体现在时间特性的监测、断路器的振动信号监测和分合闸线圈的电流监测三个方向。随着技术的革新和进步，目前类似于GIS检测系统和CBwatch监测系统等应用较为广泛的断路器监测系统已经具备了极高的智能水平，代表着断路器故障监测已经进入新的发展阶段。

一、高压断路器的基本构造和工作原理

（一）高压断路器的基本构造

额定电压在3kV以上，在电力系统中一般在110kV以上的输配电断路器被称为高压断路器。根据电网需求，高压断路器需要实现对电力设备投入或者退出运行起到控制作用，并且在电网安全运行过程中起到保护作用。因此高压断路器的结构构成需要包含以下几个内容。

1.导电部分构成

导电部分指高压断路器当中的导通电流这一部分，在高压断路器当中，导电部分需要具有能够通过长时间正常负荷电流和一段时间的异常电流的承受能力，如可以承受一段时间内的负荷异常电流或者短路电流等。

2.绝缘部分构成

绝缘部分是断路器与电气绝缘的部分，高压断路器的绝缘部分需要包含断口绝缘、相间绝缘以及对地绝缘三个部分。

3.接触系统与灭护装置构成

这一部分的构成是高压断路器的开断、关合的电路执行部分，要求具备表征断路器的合闸分闸能力。

4.操作系统

在高压断路器当中，操作系统多数情况是指促使接触头分段、接通的部分，通过这一部分功能的实现，可以使断路器的规定动作中的动作时间和速度符合程序规定的具体要求。

（二）高压断路器的工作原理

高压断路器的工作原则是通过能源和机械操作系统，使断路器分/合闸功能得以完美实现。因此在机械操作系统当中，一般可以分成操作机构、提升机构、传动机构着三个部件。在高压断路器工作的过程中，通过能源的提供使操作机构开始工作，操作机构是断路器本体以外的操动能源，直接关联传动装置。受到能源，带动了传动机构开始工作，使得操作机构和提升机构之间产生关联。而提升机构则负责带动触头系统进行运作，利用缓冲器使分/合闸在终了时候的撞击得到减轻，从而避免零部件的损伤。一般的断路器分闸缓冲器会选择使用油缓冲器，而合闸缓冲一般使用弹簧缓冲器。

二、高压断路器的故障形成分析

通过上文对高压断路器工作原理的综述可以看出高压断路器当中最重要的部分就是分闸、合闸的应用。因此大部分的高压断路器故障表现在分闸和合闸的过程之中。经过统计，常见的高压断路器故障表现在拒分、拒合、误分、误合四个方面。

（一）拒分故障

在电磁操动机构的高压断路器当中，拒分故障一般表现为断路器的铁心不启动，或者是铁心启动但脱扣板未动。其中铁心不启动故障一般是由于线圈端子的电压故障所导致。通过检查对线圈端子是否具有电压进行判断，当线圈端子有电压时，可能是由于铁心卡住或者线圈断线已经被烧损或者是两线圈极性相反所导致，而大线圈端子没有电压则可能是由于熔丝熔断或者是二次回路与辅助开关的接触不良所导致。而铁心启动脱扣板未动则可能是因为脱扣板扣入太深或者是层间有断路造成。

（二）拒合故障

拒合故障当中除了和拒分故障相同原因的铁心不启动之外，还会出现连板机构动作现象。这一故障现象主要原因可能为端子的电压在合闸线圈的通流过程中过低或者合闸维持的支架复归间隙过小造成没有复位。此外，合闸铁心的空行过小致使冲力不足、合闸线圈有层间短路也会造成拒合故障。

（三）误分故障

误分故障一般表现为合闸之后立即出现分闸。这一故障出现的原因可能有以下几个方面。合闸维持支架的复位缓慢造成断面变形、分闸脱扣板机构空合、滚轮轴扣入的支架深度不够、二次回路混线使得合闸和分闸同时有电、合闸弹簧缓冲器压死使得无缓冲空间等。

（四）误合故障

误合故障则表现为无信号自动分闸。其故障出现的可能原因是分闸回路的绝缘遭到损坏使得直流两点接地、扣合不稳定扣合面磨损变形、继电器的接点由于震动误闭合、分闸最低动作电压过低。

三、利用检测平台识别并处理高压断路器的机械故障

（一）高压断路器应用选择

前文在论述高压断路器的构成时提到目前的技术发展过程当中出现的几款具有特色和技术含量的断路器品牌。本文所选用的SF6高压断路器也是其中具有代表性的一款。SF6高压断路器是ABB公司研发的断路器状态监测系统，是利用SF6气体的无色无味无毒和不可燃的特色作为绝缘介质，在应用过程中具有灭弧能力强、介质恢复速度快、电弧分解物无腐蚀性的特点，并使其在高压断路器领域成为主力军，被广泛应用于各种高压领域。

（二）高压断路器故障监测的系统框架

本文在选用SF6高压断路器作为断路器监测系统的应用，并将监测系统框架设计为现场数据采集和后台机两个部分。在高压断路器工作过程当中，现场数据采集通过加速度传感器、位移传感器进行数据收集，并通过数据采集卡对数据进行归纳整理，再交由后台机对数据进行计算，利用频谱分析，对数据的特征进行提取，利用速度参数计算得出多特征参量，最后实现故障模式的识别。

（三）系统监测工作实现

1.加速度传感器

本文选用的加速度传感器为LC010T这一型号，其通过微型IC放大器和先进的三角剪切结构组成。在输入端高阻值电阻与传感电容构成一阶高通滤波器，因此实现了高灵敏度，提高信噪比。

2.位移传感器

位移传感器选用LXW-4型，该传感器的机械位移量可以进行可计量、呈线性比的电信号转换，同时具有机械设计精密合理，传感器元件精密度高、传感器体积小、精度更高温差更小的特点。对直线运动的机械物体位移测量准确，同时曲线运动的机械物体位移测量水平也十分不俗。

3.数据采集卡

选用DAQ1602型号数据采集卡，该采集卡在总线端口、输入/输出端口和控制模块方面都有巨大优势。其中，通过总线端口的通道实现系统数据的交换，并且利用输入/输出端口的并行输入/输出、模拟输入/输出实现了增益调节，同时也使得数据缓冲更加平滑。

结论：综上所述，本文通过对于一般高压断路器的机械结构分析，归纳总结了高压断路器在运行过程中容易出现故障的合闸和分闸这一部分，并通过分析判定了相关故障模式的出现原因。与此同时，利用系统架构和技术手段对故障进行监测，选用了目前优秀的监测设备，对高压断路器运行过程中的故障数据进行搜集和分析，并做出了故障模式的识别判断。

参考文献：

[1]郭贤珊,李仲夫,陈轩恕.断路器操动机构在线监测参数的选择[J].高压电器,2002,38(1):13-16.

[2]徐立新,王伯翰.非平稳信号分析在断路器故障诊断中的应用[J].清华大学学报(自然科学版),1992,32(4):48-56.

[3]胡晓光,戴景民,纪延超.基于小波奇异性检测的高压断路器故障诊断[J].中国电机工程学报,2001,21(5):67-70.

[4]解凯.断路器机械特性测试仪及其数据管理检修指导系统开发[D].保定:华北电力大学硕士学位论文,2003.12