王嘉 黃濤

（吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

在電網(wǎng)全球互聯(lián)的趨勢(shì)下，電網(wǎng)規(guī)模巨大，電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行就顯得更加重要，因而對(duì)在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著控制和保護(hù)雙重功能的高壓斷路器的正常運(yùn)行提出了更高的要求。

1 分（合）閘線圈電流分析

電磁鐵是高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要元件之一，高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為第一級(jí)控制元件。

當(dāng)操作線圈中通過(guò)電流時(shí)，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，鐵芯受電磁力作用吸合，接通操作回路，使斷路器合閘或分閘。線圈中流過(guò)的電流波形中包含著不少信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)分(合)閘線圈電流可以監(jiān)測(cè)線圈的電氣完整性、連續(xù)性，反映了二次操作回路的狀態(tài)；線圈電流波形還可以間接反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，如鐵芯行程、鐵芯是否卡澀、線圈狀態(tài)(是否有匝間短路)、與鐵芯頂桿連接的鎖閂和閥門的狀態(tài)、分(合)回路輔助接點(diǎn)狀況與轉(zhuǎn)換時(shí)間等，可以根據(jù)這些信息判斷高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，還可以作為判斷高壓斷路器是否偷跳、拒跳的依據(jù)，并以此來(lái)分析高壓斷路器故障的原因。

實(shí)際操作中可以根據(jù)測(cè)得的線圈電流波形來(lái)計(jì)算操動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)時(shí)間、拉桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，同時(shí)再結(jié)合斷路器本身的參數(shù)范圍，從而判斷操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，因此就可以診斷出斷路器機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的故障，并及時(shí)了解目前斷路器機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)的變動(dòng)情況。另外，運(yùn)行狀態(tài)良好的同類斷路器，分(合)閘線圈的電流波形是相似的，因此，可以采集運(yùn)行狀態(tài)良好的斷路器的分(合)閘線圈電流波形作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該斷路器日后動(dòng)作時(shí)的分(合)閘線圈電流波形進(jìn)行“指紋”比對(duì)，從而判斷該斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)是否有鐵芯空行程、彈簧卡滯等故障，從而達(dá)到了預(yù)測(cè)故障的目的。

2 機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析

機(jī)械振動(dòng)信號(hào)包含著大量的設(shè)備狀態(tài)信息，可以反映整個(gè)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的變化規(guī)律。在高壓斷路器的分、合閘操作過(guò)程中，機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動(dòng)和撞擊都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，它由一系列瞬態(tài)波形構(gòu)成，每一個(gè)瞬態(tài)波形都是斷路器操作期間內(nèi)部“事件”的反映，雖然這種機(jī)械振動(dòng)會(huì)有一定的隨機(jī)性，但對(duì)于同一臺(tái)高壓斷路器的多次操作過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)的重復(fù)性還是比較好的。對(duì)高壓斷路器來(lái)說(shuō)，引起振動(dòng)的激勵(lì)源包括分(合)閘電磁鐵、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、脫口機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)等內(nèi)部構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，斷路器機(jī)械狀態(tài)的改變，將導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的變化，利用高壓斷路器這方面的特性，將振動(dòng)信號(hào)作為斷路器故障診斷的依據(jù)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)，可以識(shí)別振動(dòng)的激勵(lì)源，從而找出故障點(diǎn)。

機(jī)械振動(dòng)波形是由一系列衰減的正弦波疊加組合而成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A是振動(dòng)分量的幅值；ωc是振動(dòng)分量的頻率；tc是振動(dòng)分量的開(kāi)始時(shí)刻；θc是振動(dòng)分量的初相位角；τ是振動(dòng)分量的衰減時(shí)間常數(shù)。

對(duì)于高壓斷路器，外部振動(dòng)響應(yīng)的幅值與沖擊作用力的大小成正比，振動(dòng)的頻率及衰減時(shí)間常數(shù)與高壓斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于測(cè)試點(diǎn)到振動(dòng)源的路徑不一樣，也就是振動(dòng)信號(hào)的傳遞函數(shù)不一樣，使得同一部件的沖擊在不同的測(cè)試點(diǎn)上的響應(yīng)也不一樣，所以在監(jiān)測(cè)中，如何在高壓斷路器的外殼上選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試位置和傳感器的安裝方向變得非常重要。斷路器在動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)于機(jī)構(gòu)中每一個(gè)部件的動(dòng)作，在振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖上都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)振動(dòng)脈沖，雖然在任何一次操作中，脈沖出現(xiàn)的頻率是變化的，但是脈沖出現(xiàn)的順序是基本不變的。因此，對(duì)于同一臺(tái)斷路器的同一位置測(cè)得的相同情況下的操作振動(dòng)信號(hào)應(yīng)該具有一定得相似性。

在斷路器的操作過(guò)程中，各個(gè)沖擊子波與斷路器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過(guò)在斷路器的支架或外殼上選擇適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)監(jiān)測(cè)部位，就有可以判斷斷路器內(nèi)部某一特定的動(dòng)作，從而就可以計(jì)算斷路器相應(yīng)狀態(tài)的機(jī)械參數(shù)，為運(yùn)行和管理人員提供必要的分析依據(jù)。

3 開(kāi)斷電流信號(hào)分析

對(duì)高壓斷路器開(kāi)斷電流的監(jiān)測(cè)，主要是用于計(jì)算高壓斷路器的電壽命。影響斷路器電壽命的主要因素是觸頭的電磨損，而觸頭的電磨損主要取決于開(kāi)斷電流和燃弧時(shí)間。

斷路器開(kāi)斷的電流有正常電流，也有短路電流，從幾十安到幾十千安，電流的變化范圍很寬，而且在短路情況下大多還都含有直流分量。當(dāng)短路電流非常大的時(shí)候，用于測(cè)量的電流互感器CT(Current Transformer)會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，這是因?yàn)槎搪冯娏髦械姆侵芷诜至渴沟肅T鐵芯很快達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致 CT的激磁阻抗大大降低，激磁電流增大，最終使二次電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。

在電流互感器(CT)嚴(yán)重飽和時(shí)，二次電流有如下特點(diǎn)：

（1）由于磁通不能突變，在發(fā)生故障以后，磁通總是隨著時(shí)間而逐漸增大，因此從故障開(kāi)始要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 CT才會(huì)飽和，大約在初期的1/4周期內(nèi)，二次電流是正常的；

（2）當(dāng)激磁電流飽和時(shí)，二次電流出現(xiàn)畸變狀況；

（3）隨著激磁電流中直流分量的衰減，二次電流會(huì)逐漸增大；

（4）盡管二次電流在一個(gè)周期的大部分時(shí)間內(nèi)都嚴(yán)重畸變，但是在一次電流過(guò)零時(shí)，CT可以正常傳變一次電流，即在一次電流過(guò)零點(diǎn)附近，CT會(huì)出現(xiàn)一個(gè)線性傳變區(qū)。

4 動(dòng)觸頭行程和速度信號(hào)分析

高壓斷路器的機(jī)械特性參數(shù)包括：分(合)閘時(shí)間、觸頭開(kāi)距、觸頭行程、超行程、分(合)閘不同期性、剛分(合)速度、分(合)閘最大速度、分(合)閘平均速度等。這些特性參數(shù)對(duì)斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行有重大的影響，如分閘速度降低將會(huì)使電弧的燃燒時(shí)間變長(zhǎng)，而導(dǎo)致觸頭的電磨損增大，減少了斷路器的電壽命；分閘速度變高又會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承受的機(jī)械應(yīng)力和沖擊變大，而造成個(gè)別機(jī)械部件的損壞或者降低它們的使用壽命。

5 儲(chǔ)能電機(jī)電流信號(hào)分析

斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)中最核心的部件就是儲(chǔ)能彈簧，如果直接對(duì)其監(jiān)測(cè)則需要將受力的部件截?cái)啵b入應(yīng)力傳感器或扭矩傳感器，但是這將明顯改變開(kāi)關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，不易被廠家、用戶接受。因此，應(yīng)用電流傳感器，測(cè)量?jī)?chǔ)能電動(dòng)機(jī)的工作電流波形及工作時(shí)間，可以間接地監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能彈簧的狀態(tài)。

6 溫度信號(hào)分析

高壓斷路器長(zhǎng)期通過(guò)負(fù)荷電流，有時(shí)還要通過(guò)很大的短路電流，由于導(dǎo)體存在一定的電阻，當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱損耗，使導(dǎo)體溫度升高。在高壓開(kāi)關(guān)柜的隔離觸頭以及各種通過(guò)負(fù)荷電流的高壓電氣設(shè)備的接線端子處的接觸連接等部位，由于外界環(huán)境和設(shè)計(jì)、制造、維修等不當(dāng)?shù)脑?，這些部位的電阻會(huì)明顯增大，溫度升高比較明顯，由于溫度升高而引起電連接處的氧化進(jìn)一步加劇，使得接觸電阻進(jìn)一步增大，如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，最終將會(huì)造成絕緣件損壞和絕緣擊穿等嚴(yán)重的事故。為了保證斷路器可靠的工作，必須保證斷路器導(dǎo)體本身和導(dǎo)電連接處的溫度都不超過(guò)規(guī)定值。

7 結(jié)束語(yǔ)

總之，對(duì)高壓斷路器實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)，要及時(shí)了解斷路器的工作狀態(tài)、缺陷的部位，減少過(guò)早或不必要的停電試驗(yàn)和檢修，減少維護(hù)工作量，降低維修費(fèi)用，提高檢修的針對(duì)性，可顯著提高其運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］鐘家喜,朱月香,吳忠,等.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢修策略淺議[J].高電壓技術(shù),2004,30(12):61-62.

［2］郭江,劉亞錦,鄒積巖.面向優(yōu)化檢修的真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷[J.]高壓電器,2007,43(6):454-456.