电力开关柜断路器状态在线检测技术综述

电力开关柜断路器状态在线检测技术综述

张亮1李俊杰1刘江2

（1北京新能中试科技有限公司北京100000；2新疆天成鲁源电气工程有限公司新疆830000）

摘要：当前在我国的电力系统当中高压断路器已经成为高压线路以及相关设备进行带电操作的开关，并且得到了广泛的使用。而随着我国社会经济的不断发展，人们对电力供电的安全、质量以及经济性等方面均提出了更高的要求，因此需要工作人员准确掌握高压断路器的实际运行状态。因此，本文主要就对电力开关柜断路器状态在线检测技术相关方面进行分析和探讨。

关键词：电力开关柜断路器；状态在线检测；技术

1断路器机构状态在线监测原理

据统计，60%-70%的断路器缺陷或故障是由断路器机构缺陷造成的，包括：机构卡涩、油脂凝固、弹簧老化、慢分慢合、连杆传动轴断裂、机构拒动等等。但传统断路器的状态检测技术仅针对电接触缺陷和绝缘部件（介质）缺陷诊断，对断路器机构尚无有效的状态检测手段。

针对以上问题，通过研究断路器控制回路电流波形，发现断路器长期运行后“首次分合闸时”的线圈电流波形，最接近运行中开断故障电流时的断路器机构状态。通过对分合闸线圈电流波形的诊断，能及时发现并定位操作机构缺陷，可有效指导断路器状态检修策略，为断路器安全稳定运行提供保障。

1.1控制回路电流检测的原理

分合闸电磁铁在断路器操动机构中有重要地位，负责传递断路器分、合闸指令，以电磁力触发机械系统，完成分、合闸动作。分合闸电磁铁在长期运行会出现各种原因引起的铁芯卡涩、匝间短路等故障，将造成断路器机械性能的下降，严重时造成断路器的拒分、拒合、误分、误合，因此对断路器分合闸电磁铁进行深入分析，有助于监测断路器状态，进行故障预测和报警，提高在线监测与故障诊断的水平。

1.2分合闸电磁铁状态分析及特征量提取

断路器二次回路以直流恒压供电，在线监测一般采用包含信息量最丰富的电磁铁线圈电流来分析电磁铁的状态。电磁铁线圈电流曲线是电磁铁运动过程的动态曲线，包含电流与气隙及铁芯运动速度、电磁力与弹簧阻力及铁芯重力相互影响等丰富的信息，电磁铁电压与电流对应关系一般用下式表述：

2断路器分合闸线圈在线录波方法研究

分/合闸线圈电流的大小、持续时间的长短反映了高压断路器机械操作机构的好坏，体现了高压断路器的机械特性的优劣，操作机构性能的变化，都直接在断路器的分/合闸线圈电流中得到体现。由于不同高压断路器分/合闸线圈的电阻和电抗都不相同，相应地分/合闸线圈的电流变化也不相同，从而给电流波形的采集带来不确定因素。

因此需要研究一种能使高压断路器分/合闸线圈电流录波不受断路器差异影响，能如实记录断路器分/合闸时线圈电流变化的完整过程，不丢失、不缺失每次动作数据的方法。

数据采集由FPGA来完成，多通道ADC芯片同步采样控制、断路器分/合闸动作判断、数据录波都由FPGA自动完成。ARM专致于人机交互、数据通讯与分/合闸线圈状态分析。

在录波逻辑的控制下，FPGA将从ADC接口实时采集的数据循环存储到内部双端口RAM中，FPGA每完成一次分/合闸录波便用中断信号通知ARM从双端口RAM的指定地址中读取指定长度的录波数据。

分闸和合闸具有相同的控制流程，在FPGA中并行运行，CPU根据中断指示区分是分闸波形数据还是合闸波形数据，无需外接分合闸信来进行判断。

3断路器机械特性分析方法研究

通过利用线圈分合闸的电流波形，对线圈电磁铁运行的特征点及特征信息进行分析，能快速、准确地从断路器线圈电流中分析出电磁铁各阶段的动作时间、线圈电流大小、动作速度等特征信息，为后期断路器机械故障分析提供有效的数据支撑。

特别是当通过与历史波形数据的多维度比对，可增强当前断路器机构故障定位，预测断路器机构可能存在的故障风险，以提醒工作人员加强防范，保障断路器的安全可靠运行。

断路器在分合闸过程中，线圈电流时刻变化，电流波形中都包含有线圈状态的重要信息。铁芯在分合闸线圈中是操动机构极为重要的部分，也是控制断路器分合的核心部件。

在实际应用中，线圈动作电流数据首先经过自适应滤波器进行自适应滤波，得到最接近于真实值的电流数据，然后对滤波后的数据求导，对求导后数据进行数据分析，如果分析得到电磁铁运动过程特征信息，如果第一次导数无法求出所有特征信息，再进行二次求导，然后用二次导数进行分析，直到得到电磁铁运动过程所有特征信息。

4开关柜智能在线监测主测控装置软硬件设计

4.1开关柜智能在线监测主测控装置硬件原理框图

结语

在断路器厂家以及断路器使用单位配合下，用录波工具，获取了多种不同类型断路器分合闸线圈动作电流波形数据；根据这些波形数据，分析断路器分合闸线圈动作特点，并研究出适合当前电子电路能监测、识别的软硬件方法；通过选择合适的硬件电路，编制相关采集和分析软件，研制出试验样机；研制出的样机在不同类型断路器上与

同类进口手持监测设备进行比较，分析各自优缺点，不断完善样机性能。对样机进行软硬件调整与优化，并结合其他功能，定型成为最终产品。通过相关分析，其之间的波形形状基本一致，但还存在以下区别：样机波形毛刺较多，进口设备波形平滑；样机波形对应时间不准确；样机波形如实反映了断路器动作过程，进口设备在波形将要结束时被强制中断（截波），无法如实反映实际情况。后期对样机进行软硬件调整与优化，再次与进口手持监测设备进行比较可以看出，样机波形不再有毛刺，时间基本与进口设备一致，同时与进口手持监测设备强制截波相比较，样机仍然保留了如实反映了断路器动作过程的优点。

参考文献

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