断路器弹簧机构特性的监测方法

断路器弹簧机构特性的监测方法

林男1王国驹1胡婷1钟声1

1.海南电网有限责任公司海口变电运检分公司，海口 570000；

摘要：储能弹簧作为断路器操动机构的储能核心构件，结构简单的弹簧操动机构广泛地应用于不同电压等级的断路器中，通过弹簧特性监测可以了解高压断路器的运行状态，尽早发现潜在故障，及时采取预防措施，保障电网运行的可靠性。

关键词：弹簧机构；特性；监测方法

高压断路器是电力系统中最重要的开关设备之一，随着断路器灭弧能力的逐步提高，结构简单的弹簧操动机构越来越广泛地应用于更高电压等级的断路器中。作为操动机构的储能核心构件——储能弹簧在长期运行中由于材料的疲劳及 蠕变等原 因产生应力松弛现象 ，尤其是弹簧断裂，使弹簧储能降低，导致断路器分合闸速度降低或不能分闸，严重时发生灭弧室爆炸事故，对电网的稳定运行产生严重威胁。

一、弹簧操作机构监测的总体方案

在对断路器进行分、合闸操作时，首先需要进行储能操作，通过电机对合闸弹簧完成储能后，弹簧操动机构维持在储能状态 ；其次，在执行合闸操作后，合闸弹簧储存的能量被全部释放出来，其中一小部分被用于保证操作的顺利进行，剩余大部分能量被用于分闸弹簧储能操作，以此保证在合闸操作执行完后能顺利执行下一步分闸操作。之后，当合闸弹簧释放能量完成后，再一次进行合闸弹簧储能操作 ；最后，当弹簧操作机构执行分闸操作时，分闸弹簧将储存的能量全部释放，当执行完后便恢复到初始储能状态。

针对断路器的合闸储能弹簧进行监测，即对断路器的合闸动作和储能动作进行监测。为得到合闸储能弹簧的状态，对合闸储能弹簧的压力、合闸储能弹簧的动作行程、合闸行程曲线、储能电机电流4个参数进行监测。其中合闸储能弹簧的压力值既可以评估断路器在运行过程中合闸储能弹簧的储能状态，又可以在断路器动作过程中评估合闸储能弹簧的出力状态；合闸储能弹簧动作行程结合合闸储能弹簧压力的变化可以得到合闸储能弹簧的实时出力；合闸行程 曲线可以间

接地反应合闸储能弹簧的出力状态；储能电机电流可以间接地反应合 闸储能 弹簧在储能过程中的受力状态

目前，断路器的振动监测系统以合闸储能弹簧压力值和合闸储能弹簧动作行程为主要监测参数，以合闸行程曲线和电机电流为辅助监测参数，通过测量可以分析和评估断路器合闸储能弹簧的性能状态。

二、监测的方法

利用操动机构的多种特征信号对断路器的机械故障进行了诊断研究，主要方法是分析断路器的分合闸行程、线圈电流及振动信号等特征参数。利用小波包分解及经验模态分解对断路器动作过程中产生的振动信号进行分解，并求取各层分解信号的信息 ，结合智能模式识别方法进行故障诊断。为了便于生产一线人员操作，基于KPCA和SV M 算法程序，利用分合闸线圈中电流的各特征值对断路器的机械故障进行监测 。这种方法可以对断路器的一些机械故障进行诊断，但它们均借助于智能模式识别 ，需要大量的正常状态数据和故障数据进行机器学习，并且所测得信号的特征值无法直接与断路器故障建立一一对应关系。为提高监测结论的准确性，同时利用改进的动态时问规整算法对不同故障类型的振动信号进行分析 ，得出同一系列断路器的故障诊断标准。此种方法基于整体振动信号，对断路器整体故障进行检测，能有效检测断路器储能弹簧的储能状态。

以LW 25- 126 瓷柱式六氟化硫断路器为例，该设备采用 CT20 系列弹簧操动机构，其合闸储能弹簧为螺旋圆柱弹簧，储能形式为压缩储能，因此速度传感器在使用条件上具有很大的限制。断路器运行过程中合闸储能弹簧的储能压力大小为18 522—29 400 N ，系统采用 C CY -0 1 螺旋型弹簧压力传感器来对弹簧压力值监测，其量程为0—40000 N ，测试精度≤1％F．S．，能准确测量出合闸储能弹簧的储能压力大小。合闸储能弹簧一端顶在操动机构的铸铝机架上面，另一端通过底板和行程导杆固定，如图 所示。

图1传感器弹簧监测安装图

三、试验数据的实例

以CT20弹簧操动机构为实验平台，使用单轴加速度传感器测量合闸过程中合闸弹簧的能量释放加速度，加速度传感器以A DX L193 为核心芯片。其安装方

式如图2所示。单轴加速度传感器的测量方向与弹簧的轴向运动保持一致 ，以降低弹簧在动作中径向运动对测量结果的影响。

图 2为现场实验示意图 。

为获得不同储能状态的合闸弹簧 ，采用高温退火的方法对实验弹簧进行加速应力松弛，模拟弹簧在长时间静载荷下的蠕变。实验选用弹簧的材料为60SiNiVA，其回火温度通常为400 ～450 ℃ ，实验选取200 oC下进行加速应力松弛实验。其操作流程为：

（1）将弹簧使用夹具固定 ，并调整其高度至储能高度，测量并记录载荷值。

（2）将弹簧与夹具仪器放入加热炉中进行保温，一定时间后降温 ，再次测量并记录在储能高度下 的载荷值。

（3）将第 2)步处理后的弹簧装配在断路器上，进行动作实验 ，记 录合 闸动作过程 中的加速度信号。

（4）重复第 （1） ～（3）步3次。

四、结语

对于弹簧动作状态信号，我们分析比较弹簧分合闸两种动作状态的动作信号。采用采集传感器对弹簧动作状态和储能状态信号进行采集 ，进行数据读取和数据处理。并在 LW 25-126瓷柱式六氟化硫断路器上进行实测，验证了系统的准确性。为断路器状态在线监测的分析、特征参数的提取提供了准确的原始数据。

参考文献:

[1]薛源 , 刘海东 .一种基于振动电流相融合的高压断路器故障诊断方法 [J].电子技术与软件工程 ,2019(21)。

[2]姚杨, 林金涛,等. 基于复合特征的断路器机械故障诊断方法研究 [J].中国电机工程学报 ,2019。