（广东电网有限责任公司应急及风险管理中心 广东广州 510161）
摘要：本文分析了高压断路器的结构原理，为保障断路器的稳定运行，分析了断路器常见监测对象，并设计了故障在线监测系统。
关键词：高压断路器；监测对象，监测系统
0 引言
高压断路器作为确保电网安全可靠运行的最重要的电力设备之一，广泛分布于电网中的各个节点，要实现智能电网，首先要实现断路器的智能化，其可靠运行不仅关乎电网本身的安全，更支撑了整个国民经济的发展。对高压断路器进行故障在线监测，可以及时掌握断路器的运行状态信息，这对电网的安全运行意义重大。
1 高压断路器结构
高压断路器在断开负荷电流或切断故障电流时，要有良好的灭弧性能。根据灭弧介质的不同，高压断路器主要分为油断路器、真空断路器、SF6断路器、空气断路器以及磁吹断路器。尽管断路器种类繁多，内部机构也有所不同，但是其基本结构一般是由操动机构、传动系统、开断元件、支持绝缘件以及基座等部分构成。
（1）操动机构：为断路器提供能量以完成断路器的分合闸操作。
（2）传动系统：将操动机构的分合闸能量传递给开断元件，包括各种连杆、齿轮和拐臂等。
（3）开断元件：主要包括灭弧装置和导电系统中的动、静触头。
（4）支撑绝缘件：支撑断路器本身和保障绝缘，主要包括断路器外壳和绝缘瓷瓶。
（5）基座：作为整台断路器的底座，用来支撑和固定设备。
2 高压断路器监测对象
在目前的高压断路器故障诊断中，参照IEEE推荐的断路器故障监测量的选择原则，常选用断路器振动信号、动触头行程-时间特性曲线等作为断路器机械故障诊断的监测对象。
（1）振动信号
高压断路器在进行分合闸操作时操动机构释放较强的能量，带动传动机构完成触头的分合操作，在此过程中会产生剧烈的振动。这种振动信号蕴含了与断路器机械状态相关的一些信息，通过对这些状态信息进行有效挖掘，就可以实现高压断路器的机械故障诊断。由于高压断路器振动信号所蕴含的信息十分复杂，采用适当的信号预处理技术和特征提取方法将振动信号中的故障信息提取出来，进而通过人工智能算法可以获得断路器故障诊断结果。这种基于振动信号分析的故障诊断方法是非侵入式的，不会对设备本身性能产生影响，且适用于高电压和强磁的环境中，因此，因此近年来基于振动信号分析的断路器故障诊断方法获得了广泛的关注。
（2）动触头行程-时间特性
高压断路器的分合闸过程，实际上是传动机构带动动触头与静触头的接触和分开过程。通过在动触头上安装位移传感器，可以获得动触头的行程-时间特性曲线。根据该行程-时间特性曲线，可以获得一些断路器状态参数，如：动触头行程、动触头刚分/刚合速度、分/合闸时间以及动触头速度曲线等。这些参数能够在一定程度上反映断路器性能的好坏，它们在正常情况下都有一个最佳的取值范围，超出了该范围就说明断路器出现了某些缺陷或故障。断路器在出厂时会在说明书上会注明这些参数的正常范围，检修人员可以通过对比这些状态参数来判定断路器是否出现了故障问题。
3 高压断路器故障在线监测系统设计
根据断路器故障在线监测系统的任务需求，决定断路器故障在线监测系统结构分为四部分，分别为信号输入部分、信号调理板、CPU板和上位机。监测系统主要实现两大功能，分别是断路器的机械特性监测与故障状态诊断。传感器采集断路器行程-时间特性信号与断路器振动信号，信号调理板将传感器采集的模拟信号滤波并平移，使得输出电压满足CPU电路的电压要求，CPU采集传感器输出电压，并对行程-时间信号处理，计算断路器的机械特征参数，而振动信号分析程序复杂且计算量较大，设计由CPU板将振动数据上传，上位机负责接收数据并处理分析，提取信号特征并代入神经网络分析，诊断断路器的运行状态，将结果信息显示并存档。
3.1行程-时间特性监测单元设计
行程-时间特性监测单元，所做的工作包括相关电路设计、传感器选型、信号调理板焊接、传感器安装、程序编写以及系统联调，在此基础上进行驱动杆位移信号滤波算法的研究，寻找合适的滤波算法，探讨提高计算精度的方法。监测系统硬件模块主要由传感器、信号调理板、CPU板、电源模块等组成。直线位移传感器安装在电磁铁旁边的支架上，由驱动杆带动悬臂梁与位移传感器运动杆一起动作，当断路器的进行分/合闸操作时，位移传感器的输出电压就会变化，位移传感器运动杆的位移量与断路器驱动杆的位移量为1：1的线性关系。直线位移传感器的这种安装方式，既避免了改变断路器内部关键机构，又提高了位移检测精度，保证了直线位移传感器对断路器驱动杆的位移量的准确抓取。本文采取如下数据采集方案：将断路器的分/合闸按钮的输出电压进行光电隔离，输出的开关量接入DSP处理器的外部中断XINT1，将断路器的一对辅助触点信号同样进行光电隔离，接入DSP处理器的外部中断XINT2。分/合闸按钮按下时电位将被拉低，当XINT1检测到下降沿，程序转入中断服务子程序，AD转换模块启动，ADCINA0通道以10kHz频率采集直线位移传感器输出的电压信号，并持续0.5s，此过程中检测断路器的辅助触点的电平，记录下电平发生变化的时刻，以此计算断路器分/合闸时间，同时作为判断断路器分闸或合闸动作的依据。DSP处理器对位移信号进行数字滤波，处理滤波以后的信号，得到断路器机械特征参数，将结果数据显示在液晶屏。
3.2振动特性监测单元设计
振动信号监测单元包括振动传感器安装、振动信号调理、振动信号采集、MATLAB振动信号分析。由于振动信号包含着断路器状态的细节信息，滤波将会对振动信号包含的有用信息造成破坏，因此，对于振动信号的调理只进行简单地平移与限幅处理，尽可能多的保存振动信号原有的特征。振动传感器安装于断路器的顶盖上，因为断路器进行分/合闸动作时，电磁铁为纵向运动，振动传感器说明书要求安装于振动源的纵向振动部位，鉴于断路器顶盖位置满足要求，而且振动幅度较大，同状态下振动信号重复性较好，振动波形的变化规律稳定，因此满足振动传感器的安装要求。当断路器存在结构损伤时，断路器结构的改变必然会反映在顶盖的振动信号中。本单元数据采集方案为：将断路器的分/合闸按钮的输出电压进行光电隔离，输出的开关量接入DSP处理器的外部中断XINT1，按下分/合闸按钮时输出电位将被拉低，当XINT1检测到下降沿，程序转入中断服务子程序，AD转换模块启动，ADCINA1通道以5kHz频率采集振动传感器输出的电压信号，并持续3s，鉴于振动信号数据量较大，分析算法复杂且耗时较长，因此将振动数据发送给监控室，由上位机完成对振动信号的处理。
4 结论
本文以提高断路器故障监测水平为目标，通过对断路器的结构及其工作方式的探究，了解断路器的工作原理，采用多种元件相结合的方式设计了故障在线监测系统，在实际应用中取得良好效果。
参考文献：
[1]万杰枫. 高压断路器实时监测安全运行预警系统设计与研究[D].东南大学,2017.
[2]梁艳群. 126kV永磁真空断路器在线监测技术研究[D].东南大学,2017.
论文作者:陈彩娜
论文发表刊物:《中国电业》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/5
标签：断路器论文; 信号论文; 在线论文; 高压论文; 故障论文; 传感器论文; 电压论文; 《中国电业》2019年第08期论文;