（中电建新能源遵义风力发电有限责任公司 贵州遵义 563000）
摘要：本文介绍了断路器在线监测的重要性及其在国内外的发展状况，监测系统的构架和重要监测参数，包括真空度和机械特性在线监测的方法，论述了智能真空断路器在未来发展中面临的技术问题，最后展望了智能真空断路器未来研究方向。
关键词：在线监测；真空断路器；可靠性；智能化；技术
中图分类号：X831文献标识码：A文章编号：
1.引言
断路器主要作用是关合和开断电路，在电力系统中，既起到控制作用，又起到保护电气设备的作用，如线路、变压器、高压电机出现故障时，能够快速地将设备从系统中切断。断路器作为一种不可缺少的电气设备，是连接发电机、升压变压器、输电线路、降压变压器等电气设备的重要部分。断路器被认为在电力系统里唯一的开断元件，其运行状态关系到整个电力系统运行的稳定性和供电的可靠性，是电力系统向用户持续提供高质量电能的必备条件。断路器如果发生故障，将会直接造成输电线路或设备从系统中解列，导致大面积区域停电，间接影响着系统供电的可靠性。因此，实时监测断路器的各种状态参数，提前预知断路器各种故障，在电力行业中显得尤为重要。
中国国家电网于2009年5月21日公布了“智能电网计划”[1]，提出对于电力设备的维护工作将由传统的预防性定期检修向状态检修转变，同时实现对高压断路器各组件的监测和诊断。状态检修[2]是通过各种技术方法对运行中的设备进行健康状况的评估或诊断进而有针对性地采取相应措施以最大限度地延长设备的检修周期及使用寿命，增强其运行的可靠性。在线监测技术的应用，提高检修针对性，降低盲目性和强制性；提高经济性，降低检修费用和故障概率。智能断路器融入在线监测技术与故障诊断技术将是未来发展的方向之一。
2.断路器在线监测发展
我国断路器在线监测研究起步比较晚，但国内一些高校和企业也有一定的发展积累，国内部分发电厂和变电站已经有融入在线监测与故障诊断的断路器投入生产运行。1995年，清华大学研究出CBA系列高压断路器机械特性检测系统[3]，不仅可以检测到分合闸线圈电流，还可以绘制相关特性曲线；2004年，西安交通大学研制出双CPU中压电力开关设备在线监测系统[4]，该系统能够监测断路器的合分闸线圈电流，动触头行程，三相不同期性等参数。目前，国内断路器在线监测还处于研究阶段，并没有大量投入生产和运行。尽管国内一些单位进行了在线监测这一方向的研究，也研制出了一些特定的在线监测设备，但一般都是只对断路器在线监测的一个或某几个个特性参数进行监测，监测参数内容并不全面，还有待于进一步发展和研究。
随着科技的进步，传感器技术、信号处理技术、通信技术将有新的突破，加上人工智能发展应用，断路器在线监测技术得以新的发展，故障诊断技术与在线监测技术的融合成为未来智能断路器的发展目标。
3.真空断路器在线监测系统
3.1真空断路器操作机构
断路器主要是由接通及开断部件、支持绝缘件、传动部件、基座和操动机构等组成，其驱动主触头的重要部件是操动机构[2]，它的主要作用是：合闸、合闸保持、储能、储能保持、分闸和自由脱扣，主要由控制单元、能量转换单元和传动单元组成。真空断路器操作机构如图1所示。其各个单元的功能如下：
（1）控制单元：能够正确快速接受分合闸控制信号并触发分闸动力或合闸动力经传动单元执行分合闸操作。
（2）能量转换单元：断路器分合闸动作必须依靠机械能来实现的，将电能转换为分合闸操作时所需要的机械动力。
（3）传动单元：将能量转换单元转换来的机械能传递给断路器，驱动断路器进行分合闸动作。
3.2真空断路器在线监测系统
真空断路器在线监测系统设计采用多种现代科技，将采集的信息进行处理，实时监测断路器运行状态，以保证其运行的可靠性，延长开关运行年限。断路器在线监测系统可以分为两层，其中底层由各种不同的传感器和中央处理器组成，上层主要由放在监控室的上位机组成，真空断路器在线监测系统如图2所示。断路器各种状态参数通过传感器进行转换，传感器发出的信号经过采集处理后，送到中央处理器进行分析处理，经过分析处理的各种信号特征值传送给上位机进行分析判断并显示和储存重要信息，利用人工智能技术进行故障诊断，预知断路器各组件的运行健康状况，从而达到在线监测目的。
4.真空断路器在线监测主要内容
不同的断路器，在线监测的内容也是有区别的。真空断路器在线监测内容包括：真空度、机械特性、电气特性、操作回路完好性、绝缘特性等。本文主要介绍其真空度和机械特性监测方法。
4.1真空度在线监测
真空断路器在正常状态运行时，要求真空度必须在一定的范围内，其灭弧室内的压力值一般在1.01×10-2Pa~1.33×10-5Pa。当前，真空度在线监测方法比较多，主要有：耦合电容法、电压附加法、放电电流法、电光变换法、直流电位移传感法。在不改变开关主体结构的情况下，能够在线监测其真空度的变化，必须要求：传感器或测试元件应能承受高电压、强磁场、剧烈震动与冲击；传感器或测试元件的接入不能干扰断路器其他性能；传感器体积小、寿命长，经济合理。
真空断路器真空度在线监测的方法主要是依据真空灭弧室电容分压原理基础上提出来的[2]。通过检测灭弧室屏蔽罩电位的变化就可以间接检测其真空度的变化，真空断路器主触头与屏蔽罩的等效图如图3所示。真空断路器灭弧室真空正常时，屏蔽罩处在悬浮状态，电容C会感应出高电压，R趋近于无穷大；真空灭弧室密封不严或其内环境恶化，真空下降，R减小，电位将随之变化。通过检测屏蔽罩上的电位的变化值，就可以间接检测其真空度的变化值。
真空度在线监测技术的应用将有很好的研究前景，监测实时性好。当监测到真空下降到一定程度后，开断和分合时存在安全隐患，必要时则可以提前停运开关，进行检修，这样既节约财力，同时提高经济性和实用性。但是，由于真空断路器灭弧室具有很强的封闭性，且电弧的燃烧具有不定性，监测结果的准确性不能保证。因此，真空度监测的精确性和稳定性还必须更进一层的探究。
4.2机械性能在线监测
断路器机械性能参数是表明断路器机构动作性能的核心，断路器超过一半的故障是由机械故障引起的，如拒分、拒合故障，可以说如果没有机械性能监测与诊断的在线监测系统，那么由其在线监测实现状态检修是不完整的，也不能全方位监测出开关的实际运行状态。真空断路器操作机构在执行分合闸操作过程中，其机械性能监测的主要参数有：动触头行程、操动机构分合闸线圈电流、整体振动信号、储能电机电流等。
电磁铁合分闸继电器线圈中的电流波形包含许多有用的信息，如：线圈是否有短路、铁芯行程、铁芯是否卡塞、合闸或分闸机构的锁扣是否有阻塞等。因此，对分合闸线圈电流波形监测与判断，可以发现断路器部分机构故障。分合闸二次线圈典型电流波形如图4所示。该电流波形根据电磁铁芯运动性质可以分为五个过程[5]。
第1个过程：t= t0~ t1时间段。t0是分合闸指令下达瞬间，电磁铁线圈接通电源，t1时刻时，铁芯线圈中的电流已上升到一定值，此时能量已能够驱动铁芯动作。
第2个过程：t= t1~t2。电流呈现下降趋势，铁芯处于运动之中，铁芯逐渐减速，直到停止运动。t1~t2过程可以反映了电磁铁芯运动过程中是否有阻塞、脱扣、失效等故障。
第3个过程：t= t2~ t3。电磁铁芯已终止运行，电流波形程上升趋势。
第4个过程：t= t3~t4。此过程继续第3个过程，电流波形逐步缓慢增加，最终接近的平稳。
第5个过程：t= t4~t5。此过程辅助开关断开运行，电流中断。
真空断路器接受分合闸指令后，其电磁铁线圈两端所加电压也会对其波形产生一定的干扰。因此，监测操作过程中线圈电流波形及其两端电压的波形可以监测分合闸控制回路的完好性。通过采集分析分合闸线圈每个过程中电流波形，判断其实际运行状态，识别机械故障，提前预知安全隐患，保证其安全稳定运行。
5.智能真空断路器面临的技术问题
随着中国智能电网的发展，智能真空断路器除了具有基本的关合和开断作用外，还应具有感知能力、思维判断能力、自我诊断能力和自适应的控制能力，同时要求所有信息可以高度共享。因此，智能真空断路器面临着四个技术问题[6]。
第一个技术问题是电磁兼容技术。智能真空断路器是典型的将强部分和弱电部分集为一体化的耦合系统，强电产生的磁场必然会对软电系统产生一定的干扰，因此，电磁兼容性已经成为智能电网和智能电器亟待解决的问题。
第二个技术问题是感知能力。这是真空断路器智能化的基础，真空断路器智能化要通过现代传感器技术来获取如电压、电流、压力、温度等信息，传感器将这些传递的有用信息转换成能被识别和处理的各种信号，这些信号必须具有可靠性、准确性、实时性。
第三个技术问题是思维判断能力。思维判断力是真空断路器智能化的核心，要实现其智能化要依托电力电子技术、人工智能技术和现代通讯技术。智能真空断路器控制组件的输入有：传感器获取的关键参数，执行模块反馈的数据，系统的操作指令，智能真空断路器控制组件接受这些指令和信息后，应能自动判定断路器的实际运行状态、自动适应接受操作指令、自动储存重要信息、自动进行状态诊断等智能思维判断。
第四个技术问题是可靠的执行能力。真空断路器智能控制组件发出的操作指令后，操作机构必须能够可靠地实现断路器的分合闸操作。因此，操作执行机构必须具有可靠性、灵敏性、快速性。
目前已有一些智能真空断路器面向市场进行生产，并有少量投入市场运行，如ABB公司生产的iVD4智能真空断路器V2.0版本，能够准确反应断路器的运行状态，并可通过移动电话终端使用户实时了解断路器的运行状态;ABB公司生产的eVD4则是高度集中的断路器，集成了RBX615保护测控装置和组合式电流、电压传感器，并且符合了IEC61850通信协议和最新的电磁兼容性。
6.展望
国家电网公司提出了“建设坚强的中国智能电网”的发展目标，电气设备就开始向着智能化、小型化、自动化方向发展。另外，无人值守变电站将是国家电网未来规划的方向，要实现变电站无人值守，就要求电气设备可靠连续运行，能够实时监测电气设备工作状态，使设备不出现故障或可以提前预知故障隐患，因此，在线监测技术在保证电气设备安全运行方面显得尤为重要。智能断路器的发展必须依赖于在线监测技术，利用在线监测技术实时监测断路器状态信息，保证断路器安全运行。随着新科技的出现，信号采集、数据分析处理以及人工智能在断路器在线监测领域的新研究，智能断路器将在未来智能电网中广泛应用。在线监测与故障诊断对断路器的安全运行以及未来智能电网的稳定发展有着深远意义。
参考文献
[1] 刘艳.智能真空断路器振动信号的在线监测与故障诊断.厦门理工学院硕士论文.2016年1月.
[2] 段传宗，鄢志平，鄢志辉.高压断路器故障检测与诊断技术.中国电力出版社.2014.06.
[3] 刘为.10kV真空断路器综合特性在线监测装置的设计与研究.东北工业大学硕士论文.2015.03.15.
[4] 安涛.VS1断路器在线监测与故障诊断系统的研究.浙江大学硕士论文.2010年1月.
[5] 彭博.高压断路器在线监测与故障诊断系统的研究.上海交通大学硕士学位论文.2013年2月.
[6] 陈建平，胡占强，苏晓东.智能化断路器机械特性在线监测关键技术设计.高压电气.2014年4月（50）:108-112.
[7] 王建华，耿英三，宋政湘.智能电网与智能电器.电气技术.2010年第8期:1-4.
[8] 蔡亮,黄巧亮,曾庆军.真空断路器新型智能在线监测系统研制.传感器与仪器仪表.:129-131.
[9] 张磊.中低压真空断路器的在线监测.华北电力大学硕士论文.2009.01.13.
作者简介
王运波，（1979-）男，助理工程师，中电建新能源遵义风力发电有限责任公司。
丁晓丰（1989－）男，河南省商丘，在读硕士研究生，主要研究方向为电器智能化技术及应用。
论文作者:王运波,丁晓丰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/19
标签：在线论文; 断路器论文; 真空断路器论文; 智能论文; 技术论文; 电流论文; 线圈论文; 《电力设备》2017年第14期论文;