SF6断路器的在线监测与状态检修技术

SF6断路器的在线监测与状态检修技术

张福元

国网山西省电力公司太原供电公司变电检修室 ，山西省太原市 030000

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，电力行业发展也十分快速。作为电力系统最主要的控制与保护装置之一，高压断路器关系到输电、配电及用电过程的安全性与可靠性。当断路器发生卡涩、铁心空行程太大等复杂机械故障时，能够及时有效地诊断出其故障类型，并制定维修策略进行抢修意义重大。因此，针对断路器运行产生的一系列问题，各种在线监测、带电检测、离线检测方法应用于此，欲通过数据采集进而进行状态评价。随着检测技术的进一步发展，监测手段和检测方法不断丰富，设备运行产生的状态信息不断增加，如何更加高效系统的利用采集到的数据，分析诊断其运行状态，成为当前迫切需要解决的问题。

关键词：高压断路器；机械特性；触头行程；分合闸线圈电流

引言

SF6高压断路器是保障电网安全稳定运行的关键设备，机械特性测试是评估其机构运行状态的主要手段。文中从断路器在型号和结构方面的差异入手，系统地比较了各型断路器动作时间测量原理、速度参数定义算法、合闸电阻投入方式等方面的不同，再辅以测试现场常用技巧，从而全面透析了机械特性测试工作的本质；基于国内外相应测试仪器的研发现状，探究了最优现场测试方案；最后通过梳理各型分析识别技术，解析了断路器机构运行状态智能评价方案的实际需要和研发路径。

1高压断路器在线监测技术原理

针对高压断路器的安全问题，其状态监测相关技术不断发展，经过了离线检测、带电检测和在线监测几个过程的发展，其中在线监测技术由于可以实时采集其运行状态信息，使设备的实时故障诊断成为可能。通过安装于分合闸线圈的传感器，获取分合闸过程电流波形图，经过小波去噪和特征提取算法处理分析，可以获取高压断路器当前状态下的时间电流参数。典型的分/合闸线圈电流特性曲线。线圈电流波形中3个重要的参量分别为：I1反映电源电压；I2体现了线圈电阻大小；I3表征电磁铁铁心运动的速度信息。高压断路器实时采集的波形图，经过去噪后，可以读取3个数值的实际值并观测到波形的走势，对比断路器自身参数信息，通过图谱可以粗略判断其运行状况得出其故障类型。故五个关键时间节点将电流曲线分为5段，其中任何一段出现差异都代表其动作发生变故。基于以上对电流曲线的描述分析，论证了神经网络故障诊断模型训练数据来源的可行性与可靠性，为RST-SOM故障诊断模型的构建提供了理论支撑。故文中选取高压断路器在线监测到的I1、I2、I3、t1、t2、t3、t4、t5(为分、合闸时线圈电流波形提取数据)作为RST-SOM模型的输入，模型输出为机构正常、操作机构有卡涩、分合闸操作电压过低、辅助开关动作接触不良、铁心运行有卡涩5类常发故障。

2测试现场常用技巧

2.1系统摄像头的选择

图像传感器能够将拍摄到的平面光学图像经由光电转换为电子图像信号输出。随着现代技术的不断发展，大规模集成电路与微细加工技术愈加成熟完善，在现阶段系统的摄像头选择上，主要是CCD与CMOS这两种形式的图像传感器。CCD图像传感器由大量的MOS(金属-氧化物半导体)组成，工作时需配合光学系统。电荷耦合器件CCD传感器，除进行目标影像的捕捉外，还能根据感光时间和光电效应，将光信号转化成等比例的线性电信号，以电荷包作为信号完成信息的读取、存储及转移等功能。CCD传感器最显著的优势在于灵敏度高、功耗小、性能稳定。CMOS图像传感器将光敏器件、模数转换器、时序生成电路及信号处理单元等结合在同一芯片进行图像信息的采集。同CCD图像传感器相同，CMOS同样是完成光信号到电信号的转换。但相对来说COMS传感器光电转换更具高速性，能快速驱动各功能模块工作。但这类传感器通常是通过行列查询的方式来读取信息，优点在于读取速度快，但是具有噪声较大、成像质量不佳的严重不足。除此之外，对比于这两种传感器的其他方面，CCD传感器功耗高、内部结构复杂且制作成本高，而COMS传感器相对来说功耗更小，且集成度高、体积小、成本低。相对来说，尽管CMOS在灵敏度、信噪比以及动态范围方面不具优势，但是随着集成电路与半导体的发展，其性能不断被提升与优化，缺陷逐渐被弱化和克服。在本文的研究中本系统选用CMOS图像传感器。

2.2两端接地状态下断路器时间参数测量

部分GIS接地开关的接地导流排过多或拆卸困难，且一旦接地开关拉开或接地引出导体悬空，感应电压造成的人员触电、仪器烧损等问题又十分严峻。为解决此类困难，高频电流法时间参数测量方案应运而生，其原理为罗柯夫斯基线圈的逆向过程。在一侧接地开关的导流排上套装高频激励线圈，形成高频变压器的一次侧，断路器及接地开关回路共同构成高频变压器的二次侧，匝数为1。断路器闭合时，二次线圈通路，电流传感器测得高频电流；断路器断开时，二次线圈开路，高频电流为零。从而可根据高频电流的有无判断断路器的合分状态。高频电流方案已在国内仪器中实现，可有效测量金属触头断路器的时间参数，但由于二次侧高频电流幅值很小，目前暂无仪器厂家能够实现高频电流幅值信息的再分析，故该方案形成局限性有：①石墨触头断路器时间参数无法测量；②合闸电阻投切时间及阻值无法测量；③双(多)断口断路器的断口间同期无法测量；④为避免“剩余”接地导流排与断路器主导体—两侧接地开关组成的回路并联，试验时须将“剩余”接地导流排拆除，保证高频电流通路的唯一性。

2.3分合闸线圈电流监测

许多非常重要的信息都包含在分合闸线圈的波形中，可以用于诊断机械故障。本次通过霍尔磁平衡式电流传感器来监测，主要目的是为了不改变现有状态下的整流电路。但是这样整流桥前后的一些电流波形中所包含的信息量将会保持不变。这是因为只经过了整流电路所致。由于霍尔传感器的响应时速度较快，跟踪速度快，失调电流小，线性度好，动态领域大，所以有利于保证整个测量系统的精准度和稳定性。此外，霍尔传感器的类型为线路板直接焊接型，体积相比其他小，因此在监测单元内部的信号条理板上可以安装，在输出信号传输过程中，外界电磁的干扰也可以避免。

结语

机械特性测试是评估SF6高压断路器机构运行状态的主要手段，不仅要做到会测、巧测，还需要明晰其本质、深化缺陷原因挖掘及实现对机构各部件运行状态的客观评价。文中系统整理了SF6高压断路器在型号、触头材料、机械特性测试原理、速度定义算法、合闸电阻投入方式等方面的差异，并结合测试现场常用技巧，全面透析了机械特性测试工作的本质；通过分析国内外测试仪器的研发现状，分析了各型仪器的优缺点，并对现场最优测试方案进行了探究；通过梳理缺陷分析识别技术，形成了依据各型缺陷对应的指纹特征反向评估机构各部件运行状态思路。可为扎实做好机械特性测试工作提供有效借鉴。

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