云南电网有限责任公司昆明供电局 云南省昆明市 650011
摘要：国际大电网会议统计数据表明，断路器故障绝大部分来自于机械方面，故研究断路器机械故障诊断具有极为重要的意义，而机械特性及线圈电流曲线是反映断路器机械特性的重要参数，本文利用位移传感器及压力传感器研制了断路器位移-时间曲线及开距和超程的在线监测装置，同时利用霍尔传感器研制了断路器操作机构驱动线圈电流的在线监测装置，经实际使用证明监测装置可以满足断路器机械特性在线监测的要求。
关键词：断路器、机械特性、驱动线圈电流、在线式监测
0 引言
近年来，随着经济的繁荣发展，电力系统的容量与能量的需求不断地增加，对电力系统的可靠性和经济性也提出了越来越高的要求。高压断路器作为发电和配电之间的联系环节，其可靠运行对于保证电网的安全意义重大。高压断路器在电力系统中起着两方面的作用：一是控制作用，即根据电网运行要求，将一部分电气设备或线路投入或退出运行状态，转为备用或检修状态；二是保护作用，即电气设备或线路发生故障时，通过继电保护及自动装置动作高压断路器，将故障部分从电网中迅速切除，保护电网的无故障下得以正常运行。
国际大电网会议对高压断路器的可靠性进行过两次世界范围的调查，我国也对高压开关事故进行过大量的统计分析。相应的调查和统计报告均表明，高压断路器的故障80%是机械原因，大多数故障是操动机构的问题。以往对高压断路器机械特性的检查主要是在设备交接及停电期间结合检修定期进行预防性试验，更换部件检查操作机构的机械特性。由于电力系统中高压断路器的数量很多，因此，检修量大且费用高。根据相关统计资料的数据，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60%又是用在断路器的小修和例行检修上。另外根据统计有10%的断路器故障是由不正确的检修造成的；断路器的大修完全解体，既费时间，费用又高，而且解体和重新组装会引起很多新的缺陷。因此如何对断路器的工作状态进行有效的检测，及时发现断路器的早期故障，对缺陷部位进行提前处理，避免断路器故障恶性发展，防止断路器爆炸等恶性事故的发生，对于故障电网的安全可靠运行有着十分重要的意义。
1 断路器作用及工作原理
断路器是电力系统最重要和性能最全面的一种开关电器。断路器起着控制与保护的作用，能在有载、空载以及各种短路工况下完成规定的合分任务或循环操作。它区别于其他开关设备的显著特点是必须具备高效的灭弧装置。因为在高压大电流的条件下不易开断电流，开断过程产生的电弧不熄灭，电路就不能断开，无论是高压断路器还是低压自动空气断路器（也称自动开关）都必须具有强有力的灭弧能力。
高压断路器中尤其是中置柜所用的额定电压为10-35kV的断路器，它可以根据电网运行的需要，控制指定的线路或电力设备退出或投入运行，起控制作用；另一方面一旦系统发生故障它又可以及时切除故障点，保证电网无故障部分的安全运行，起保护作用。总之，断路器能开断、关合及承载运行电流和短路电流。如果它们在运行中出现故障，小则引起一条线路、一个小区域的断电，大则引起系统事故的连锁反应，造成不可估量的损失。因此，断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。
2 断路器的操动结构与机械寿命
操作机构是高压断路器的重要组成部分。带触点的开关电器，只有通过触头的分(合)动作才能达到开断与关合电路的目的，因此，必须依靠一定的机械操作系统才能完成。断路器的操作机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。高压断路器的操作机构有很多形式，如弹簧操作机构、气动操动机构、液压操动机构、液压弹簧机构等。高压断路器的触头在各种条件下可靠地分合，主要是由操动能源和传动机构的动作来完成。其动作的特点是：执行任务与完成任务时，机构系统处于瞬变过程中，故机构动作有冲击、振动以及其它一些非稳态性质；在闭合通电位置时，可能长期不动作，一旦发生事故，又要求它动作准确可靠。由于断路器机构动作上的特点，对高压断路器操动机构与传动机构的可靠性的要求就显得特别重要。据有关资料统计：高压断路器的操作事故中有70%~80％是由于断路器机械方面的原因造成的。与断路器的电损耗一样，断路器在开断短路电流时，机件上的损坏也有一个长期的累过程。多次操作后，一些传动、操作机构中所用的金属零件的强度和刚度变差，易锈蚀变形而造成卡死，使断路器难以断开。虽然在开断小电流的情形下，对触头电寿命的影响是非常小的，即使许多次的开端，也仍未达到它的电寿命。但是，每一次的开断以及一定的动作时间和速度都会对断路器的机械部分产生一定程度的损伤。所以，在确定断路器的须考虑的另一因素便是断路器的机械寿命。
3 断路器机械特性在线监测装置的设计
众所周知，断路器与其他电气设备相比，机械部份零部件特别多，加之这些部位动作频繁，因此而造成故障的可能性就多。我国电力科学研究院对全国6kV以上高压开关故障原因统计分析中看出，在拒动、误动故障中因操动机构占 41.63％；国际大电网会议(CIGEI)资料也表明，操作机构故障占43.5％，由此可见，无论是国内还是国外，机械性故障是构成断路器故障的主要原因，所以对断路器机械状态的监测以及健康状况的诊断甚为重要。
3.1 断路器合闸、分闸线圈电流在线监测
高压断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一级控制件，大多数断路器均以直流为其控制电源，故直流电磁线圈的电流波形中包含着诊断机械故障的重要信息，电磁铁的电感量L的大小取决于线圈和铁芯铁轭等的尺寸，并与铁芯的行程S（即是铁芯向上运动经过的路程）有关密切关系，其值随着S的增加而增加，为了实现对其电磁线圈电流的监测采用霍尔传感器测量分闸线圈电流、合闸线圈电流和储能线圈电流，并经信号调理放大后送到A/D采集电路，由MUC处理后获得电流值。电磁线圈驱动电流一般为1-2A，实测线圈电流与时间曲线如图1所示，图中A-电磁铁连杆启动，弹簧形变；C\D-连杆位置即将到达最深位置；E-连杆达到最深位置；F-主触头打开；G-辅助触头打开；H-电磁铁连杆恢复初始位置，弹簧恢复原形。
图1 线圈电流与时间曲线关系图
从图1曲线可以对断路器机械结构状况进行分析判断，若B点升高表明断路器机构存在卡涩现象，导致阻力增加；若曲线消失，存在线圈断线现象；若G点左移，表明运动时间加长，会导致速度降低。
3.2断路器真空泡行程及速度的在线监测
断路器真空泡行程的监测可选用光栅行程传感器、电阻行程传感器等，当装在做直线运动机构上可选用直线式行程传感器，若安装在操动机构的转动轴上则应选用旋转式传感器。传感器输出的脉冲信号经光电隔离、整形、逻辑处理、数据采集后可得到断路器真空泡行程-时间特性曲线。根据测得的行程-时间特性曲线可计算出以下参数：A、B、C三相断路器行程-时间关系曲线、平均速度、总行程、动作时间、记录当前分合闸状态及动作次数。在线监测的困难在于行程传感器不能安装在动触头上，因此,不能直接测得触头行程，为此要进行折算，如图2为断路器机械特性监测原理图，图中将位移传感器利用支架固定在断路器底座上，随着断路器真空泡上下移动，通过下端连杆带动位移传感器滑柄上下移动，将真空泡位移信号可以转换为电信号通过接线端子送到监测仪表上。
图2 断路器机械特性监测原理图
4 实验结果
利用上述原理设计的高压断路器机械特性在线监测，可以实现对分闸线圈电流曲线、合闸线圈电流曲线、分闸线圈是否断线、合闸线圈是否断线、分闸行程—时间曲线、合闸行程—时间曲线的监测，分合闸回路接线示意图如图3所示，位移传感器实际安装图如图4所示。
断路器机械特性分合闸行程-时间曲线记录的是断路器刚投运的初次曲线，然后历史曲线与初次投运的曲线进行比对，若发现历史曲线偏离初次存储的投运曲线土5%，说明断路器机械结构存在问题，会影响断路器分合闸动作时间，建议停电维修断路器，断路器机械特性分合闸行程-时间曲线、电流-时间曲线图如图5所示。
图5 断路器机械特性分合闸行程-时间曲线、电流-时间曲线图
5 结论
利用上述原理设计的高压断路器机械特性在线监测装置，已在几百台断路器上投入使用，实现了断路器分闸线圈电流-时间曲线、合闸线圈电流-时间曲线、分闸线圈是否断线、合闸线圈是否断线以及A、B、C三相断路器行程-时间关系曲线、合闸平均速度、分闸平均速度、总行程、动作时间、记录当前分合闸状态及动作次数的监测，根据统计的分合闸动作次数可以预测断路器机械寿命，新型断路器机械特性在线监测装置的研究对实现断路器智能监测及控制提供了一种重要手段。
参考文献
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作者简介
周瑜（1986年10月），男，昆明，大学本科，工程师，变电运行 邮箱：651370367@qq.com 电话：15808800534。
论文作者:周瑜
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/30
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