摘要：近年来，建设“坚强智能电网”己经成为国家科技发展及提高国际竞争力的重要表征。智能电网包含六个重要的环节。变电环节是智能电网的节点支撑，无人值守变电站是变电环节建设的基础。无人值守变电站的实时监测己经成为未来变电站的发展主线。SF6断路器以其优越的性能，在中高压领域中占主导地位。现有的SF6断路器状态监测仍存在许多问题，如在线监测系统不完善，诊断精度不高，数据的保存、处理不当，与其他系统交互性差等。
关键词：智能变电站；状态监测；断路器
高压断路器作为发电和用电之间的联系环节，其可靠运行对于保证电网的安全意义重大。近十年的统计数字表明，我国每次断路器事故平均损失的电量达数百万千瓦时，它所导致的损失为设备本身价格的数千倍甚至数万倍。因此，电力运营部门对保证高压断路器的运行可靠性提出了迫切的需要和更高的要求。为了保证电气设备安全而可靠地运行，电力部门每年都需要定期对电气设备停电进行预防性试验，根据试验结果进行维修。目前对高压断路器运行状态的检查主要是通过停电测试断路器操动机构的机械运行特性和绝缘状况，由于运行人员无法及时掌握断路器操动机构的机械运行状况，导致在预防性维修周期内也常有事故发生。
一、SF6断路器及其气体特性
SF6断路器分瓷柱式和罐式两种，均采用性能优越的SF6气体作为绝缘和灭弧介质，开断性能好。瓷柱式SF6断路器具有机械强度高、维护工作量少、机械寿命长等优点，主要用于发电厂、变电站、大型厂矿等使用场所；罐式SF6断路器重心低，结构稳固，抗震性好，特别适用于多地震、严重污秽地区和山区变电站、城网供电所。SF6断路器的特点是灭弧能力强，介质强度高，单断口的电压可以做得很高，介质恢复速度特别快，允许开断次数多，检修周期长。
SF6气体在运行中可能通过焊缝、密封面等处泄漏，使SF6气体的密度和压力降低。在SF6气体绝缘设备中，SF6气体是主要的绝缘介质和灭弧介质，其绝缘强度和灭弧能力取决于气体的密度。SF6气体密度的降低，会造成两方面危害：一是气体绝缘设备耐压强度降低；二是断路器开断容量下降。另外，sF6气体密度的降低通常是由泄漏引起的，而泄漏点的存在会引起大气中的水分向设备内部渗透，使SF6气体的含水量上升。由于SF6气体密度的大小对开断性能和绝缘性能有影响，因此SF6断路器规定有补气压力及操作闭锁压力。通过密度继电器可检测SF6气体密度。在工程实践中还常使用压力表来监测SF6气体的泄漏情况。由于SF6气体压力随环境温度而变，故应根据测量时的气体温度，在SF6气体的压力温度特性曲线上找到相应的额定气压值，通过与实测值比较，判断气体的泄漏情况。考虑到长年运行造成的密封件老化，气体绝缘设备的年漏气率一般规定应小于0.5%。
二、SF6断路器状态监测方法及存在问题
在过去，对运行中的SF6开关类设备进行SF6气体泄漏检查，根据工作需求不同，可分为定性检漏和定量检漏两种。对运行中的SF6开关类设备进行定性检漏时可以采用以下方法进行：定期检查气体压力表的指示是否下降（应考虑温度的影响）；采用检漏仪对开关设备的密封面进行漏气检查。采用刷肥皂水的方法检查密封面有无气泡产生（即是否漏气）。常用的定量检漏方法有压力降法、挂瓶法、局部包扎法和扣罩法。挂瓶法适用于法兰双道密封的产品，用挂瓶收集每个法兰双道密封圈之间在一定时间间隔内的气体，检测瓶内SF6气体的浓度，经过换算和累加，计算出该产品的年漏气率。局部包扎发适用于大型开关设备无法用扣罩法测试的情况。适用的检测仪器同挂瓶法。扣罩法是应用较普遍又较能反映产品真实泄漏情况的方法，特别适用中小型产品。随着电力系统的大容量化、高电压化和结构复杂化，随着工农业生产的发展和用电部门重要性的提高，对电力系统安全可靠性指标的要求也越来越高，智能化要求也越来越高，这些传统的检测与诊断方法己越来越不适应需要，主要表现在：
（一）检测时需停电，造成少送电，并给经济生活带来一定的影响
在某些情况下，由于系统运行的要求，设备无法停电，往往造成漏检或超周期检测，这就难以及时诊断出缺陷或故障。
（二）检测时间集中、工作量大
预防性检测往往集中在春季，由于要在较短的时间内完成大量设备的试验任务，一则劳动强度大，二则难以对每台设备都进行十分仔细的检测和诊断。
（三）检测电压低，诊断的有效性值得研究
传统的预防性检测，试验电压一般在110kV以下。随着电力系统电压的提高，试验电压与设备运行电压之间的差距越来越大。由于试验电压低，一些一般性的缺陷不易被发现。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而且测试现场的各类干扰的影响也相应加大，影响了试验结果的稳定性。统计表明，变电站维护费用60%以上用于电气设备的小修和例行检修上，10%的电气设备故障是由于不正确的检修所致，某些电气设备的解体大修，既费时，费用也很高，可达整个设备的三分之一甚至二分之一，而且解体和重新装配会引起很多缺陷，由此产生的事故例子更是不胜枚举。况且对于电气部分的哪些部件（或重要元件）运行多长时间需要更换，仍是一个有争议的问题。事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时，性能仍良好的现象。而由于没有及时发现，某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发生。因此如果能够实时了解设备的状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，做到应修则修，就可以显著提高电力系统的可靠性和经济性。基于以上原因，单靠传统的预防性试验和定期检修已不能满足电力系统飞速发展的要求。为了确保电力系统的安全运行，最大限度地降低事故率，迫切需要对电气设备进行实时在线监测。根据状态监测和诊断技术提供设备状态信息，判断设备是否异常，预知设备故障，在故障发生之前进行检修。
三、断路器振动信号监测的应用
断路器机械状态检测的目的是为了实现对各种运行状态的准确识别以及对潜在机械故障的分析和诊断，以便制定合理的维修策略。常用的反映断路器机械状态的特征参量有分合闸线圈电流、触头行程和速度，采用的识别方法是以闭值比较和过程统计为基础的简易判断方法，即根据一些简单参数对断路器有无故障及故障严重程度做出判断和区别；而当操动机构的某一或某些部件出现了早期缺陷时，其微弱的动态信息很难依靠常用的检测方法所提取的特征量反映出来。
由于高压断路器结构的复杂性和故障形式的多样性，采用单一的状态特征信息或单一的状态识别方法，往往很难得到正确的识别结果。因此，需要采用多种监测手段及状态特征参量对断路器机械状态进行综合判断。
在众多高压断路器机械状态检测方法中，振动信号分析是一种非侵入式的检测方法。由于实现起来相对简单，近年来得到了国内外学者的广泛关注。机械振动检测的方法就是通过安装在断路器表面的一个或多个振动传感器获取断路器运行过程中的振动信号，提取包含在其中的状态特征信息，然后采用一定的诊断方法评估断路器的工作状态，找出故障原因或预测可能发生的故障。和其它状态检测方法相比，机械振动检测的特点在于：
1）可以在断路器的的接地部分进行测量，是一种间接的测量方法，从而避免了直接测量存在的高电压隔离和信号获取困难等方面的问题。
2）这种方法不改变断路器的内部结构，不影响断路器的正常运行。
3）振动信号的时域和频域中包含了丰富的设备状态信息，随着信号处理技术的不断发展，可以从振动信号中提取越来越多的代表断路器运行状态的特征参量。
4）所测量的机械振动信号受外部电磁干扰的影响较小。
5）振动传感器尺寸小、重量轻、安装方便、工作可靠，因此机械振动检测在实现手段上比较简单，很适合在线检测或户外临时性检测的场合。
高压断路器的操作振动信号中包含了丰富的机械状态信息，振动信号的分析和状态特征提取在机械状态检测中具有极其重要的作用。到目前为止，关于振动信号分析在高压断路器机械状态检测中的应用经验还比较少，理论也不够完善。
断路器在分合闸过程中由于内部阻尼、刚度、弹性力和驱动力的非线性以及动态响应的非线性，使得表面的机械振动信号具有很强的非平稳性，所谓非平稳性，是指振动信号的统计特性，包括时域统计特性（如均值、方差、峭度等）和频域统计特性（如频谱、功率谱和相干分析等）与时间变化相关的性质。正因为非平稳振动信号的统计特性与时间有关，所以对非平稳信号的处理必须同时从时域和频域进行分析。时频分析是近年来迅速发展起来的非平稳信号分析方法，可以有效地弥补传统的平稳信号分析方法的不足。
结论
智能变电站是变电站发展的必然趋势，其最终实现尚需要较长的时间。状态监测系统在建设过程中应考虑采用分阶段的技术方案。结合ＩＥＣ６１８５０发展情况与变电站的工程实践现状，给出了现阶段切实可行的状态监测系统的设计方案，对于智能变电站的工程实践具有重要的参考价值。方案中的状态监测ＩＥＤ仍然是功能独立与分散布置，随着技术的发展，应逐步实现状态监测与测控、保护等功能的一体化以及一次设备与智能组件的最终融合。
参考文献：
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[2]黄瑜珑，钱家骊.高压断路器机械状态的监测[J].清华大学学报（自然科学版），1999，4（38）：79：81.
论文作者:甘子其
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/19
标签：断路器论文; 气体论文; 状态论文; 变电站论文; 设备论文; 机械论文; 信号论文; 《电力设备》2017年第8期论文;