真空断路器超程测量装置设计及应用

真空断路器超程测量装置设计及应用

刘源  胡怡  黄容辉  刘新伟  季钦

广东电网有限责任公司惠州供电局，广东省 惠州市 516001

摘要：真空断路器超程测量是判断断路器是否存在故障的关键一环。传统超程测量主要靠人工，需要作业人员使用深度游标卡尺直接测量，但测量时受基准面、测量点的限制，每次测量的数据误差较大。为了提升测量精准度和测量效率，设计一种专门用于测量真空断路器超程的智能测量装置具有现实必要性。本文主要就用于真空断路器超程测量的新型装置的设计原理、应用情况做具体说明。

关键词：真空断路器；超程测量；人工测量；智能测量装置

真空断路器因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。真空断路器检修时必须测量超程作为判断断路器健康状态的依据。传统超程测量方法既低效，又无法保证测量的精准度。真空断路器的运行现场普遍缺乏可以实现安全、高效、准确测量真空断路器超程的方法和设备。因此设计一种操作更方便、性能更优、功能更完善的真空断路器超程测量装置具有积极意义。

1 真空断路器超程测量重要性

真空断路器工作原理与其他断路器相比之是灭弧介质不同罢了，真空不存在导电介质，使电弧快速熄灭，因此该断路器的动静触头之间的间距很少。该断路器一般用于电压等级相对低的厂用电配置中。随着电力系统的迅猛发展，10KV 真空断路器在我国已经大批量地生产和使用。对于检修人员来说，提高对真空断路器的认识，加强维护保养，使其安全运行，成了一个迫在眉睫的问题。高压断路器开断正常电流或故障电流产生的电弧会对触头产生一定程度的烧损，从而导致触头超行程数据异常。目前，尚未有能实现运行中高压断路器触头超行程动态检测装置，也未见系统性的开展高压断路器触头超行程动态检测研究。因此，构建高压断路器触头超行程动态检测装置，实现运行中高压断路器触头超行程动态检测，进行基于断路器开断电流过程中触头烧损程度、断路器开断性能和灭弧室状态研究具有重要意义。

2 传统超程测量的现状及弊病

2.1 传统超程测量现状

传统的测量超程手段是靠人工直接测量，其主要方法是利用游标卡尺分别量取合闸状态和分闸状态下压缩弹簧的压缩量后计算得出。用此方法测量断路器合闸状态下压弹簧的压缩量时，分闸弹簧处于已储能状态，若在测量时断路器误动分闸则会使测量人员受伤，存在安全隐患。

2.2 传统超程测量弊病

2.2.1存在安全隐患

计算超程前分别需要测量断路器合闸状态与分闸状态时压缩弹簧的压缩量。然而，断路器处于合闸状态时，其分闸弹簧属于拉伸状态，存储了大量的弹性势能。此时，断路器有可能因人为误操作、机械故障、误碰关键元器件等因素而突然分闸，使得测量人员受伤。因此传统方法存在安全隐患。

2.2.2 测量效率较低

传统的超程测量方法需要工作人员钻入开关柜内用游标卡尺测量，但是开关柜内空间狭小，操作不便利，因此使用传统方法测量超程需要耗费大量的工作时间。

2.2.3测量准确率低

由于操作空间过于狭小，因此测量人员无法保证每次测量位置不变，并且操作受限也导致人工使用手表卡尺测量误差增加，因此传统方法准确率不高。

3 新型真空断路器超程测量装置设计

鉴于传统真空断路器超程测量存在安全隐患、测量效率较低、测量准确率较低的实际，根据当前真空断路器检修现场缺乏可以实现安全、高效、准确测量真空断路器超程的方法和设备的实际，设计一种新型真空断路器超程测量装置具有现实必要性。新型真空断路器超程测量装置包括一套传感器采集模块、一个手持触摸屏终端。装置由内置的锂电池、人机操作面板、CPU主板、连接接口、光学脉冲传感器、测量夹具等组成，手持可充电设计，可直接手持操作，也可磁吸固定，灵活性强。新型真空断路器超程测量装置的工作原理相对简单。将采集模块通过可调节夹具安装到绝缘柱上做为固定点，通过测量头连接到测量点位置；当弹簧产生形变动作时，测量点位位置发生变化后，光学脉冲传感器内的发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续的光线，并被接收元件接收，产生脉冲信号，从而将机械位移量反应到数字信号。新型真空断路器超程测量装置工作原理如图1所示。

图1  新型真空断路器超程测量装置工作原理

新型真空断路器超程测量装置对应的工作流程也非常清晰。首先将传感器模块夹具打开，夹持到弹簧绝缘处，通过调节螺母安装好传感器，然后将测量头拉出，将磁吸头连接到固定端，点击触摸屏（如图2）清零后，当弹簧动作后，界面将自动显示形变值结果，点击计算，得出形变量结果数据。

图2 新型真空断路器超程测量装置触摸屏

4 新型真空断路器超程测量装置应用效益

4.1 测量过程安全无隐患

新型真空断路器超程测量装置测量真空断路器超程，只需要在分合闸弹簧无能量时将超程测量装置安装在压缩弹簧上即可。此后的测试过程全程无需接触传动部位，不需要在分闸弹簧带有能量的状态下用游标卡尺测量，彻底消除了安全隐患。

4.2 操作简单易于实现

新型真空断路器超程测量装置信息采集和计算分析均由各个模块自动运行，无需人工读数及计算，无复杂操作。

4.3 提高超程测试效率

安装好新型真空断路器超程测量装置后即可开始测试，后续操作都在数据分析仪面板中操作完成，不需操作人员在狭小的空间中进行测量，大幅度提高作业效率。

4.4 超程测量结果可靠

新型真空断路器超程测量装置通过位移传感器准确反映压缩弹簧的形变量，进而准确计算出断路器超程。

5 新型真空断路器超程测量装置应用案例

新型真空断路器超程测量装置能够检测运行中高压断路器触头超行程数据，绘制运行中断路器合闸过程中的行程波形，为断路器触头烧损程度研究提供数据支持，从而进一步研究断路器灭弧室状态评价方法，根据评价结果制定检修决策指导断路器检修，能有效保证断路器安全稳定运行。某变电站为缓解真空断路器超程测量的现实压力，引入了新型真空断路器超程测量装置。从其应用情况看，能够对运行中高压断路器进行触头超行程动态检测，绘制运行中断路器合闸过程中的行程波形，整个检测操作可以自动完成，具有安全可靠、检测稳定、方便快捷的优点。能够对研究断路器触头烧损程度、断路器开断性能和灭弧室状态提供参考依据。触头超程是非常关键的真空断路器动态性能特征量，它不仅影响其他机械特性，还会影响回路电阻、断路器机械寿命以及电寿命。该变电站在引入新型真空断路器超程测量装置后，首先根据真空断路器的运动特性分析机构合分闸过程中的旋转特征，并选取能够反映真空断路器性能的特征量。其次，定量分析触头磨损、机构磨损和分闸弹簧断裂对机构性能的影响，通过实时监测特征量的变化实现真空断路器性能的诊断；最后，通过定量计算触头超程性能退化对分闸能量和机构性能的影响，实现真空断路器触头超程状态的监测。根据合分闸过程中断路器各部件间的运动关系，定量计算触头磨损、操作机构磨损和分闸弹簧断裂对断路器运动波形中特征量的影响，通过实时监测特征量的变化，实现真空断路器性能退化部件和退化程度的诊断。根据真空断路器分闸过程中的能量关系，定量计算触头超程性能退化对分闸能量和分闸阶段斜率的影响。通过实时监测斜率的变化，完成真空断路器触头超程状态的监测以及操作性能的评估。

6 结语

高压断路器是电力系统中最重要的控制设备之一。电网中高压断路器的运行数量最多，运行条件和技术要求比较复杂，其运行可靠性不仅关系到高压断路器本身，而且影响到其它设备乃至整个电网。因此，对高压断路器的动特性，特别是超程进行测试是一项很重要的工作。但传统的超程测量方法存在操作复杂、测试精度低等缺点，新型真空断路器超程测量装置很好地解决这些问题，因此值得推广。

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