中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司 熊宇洋

目前的高壓斷路器按滅弧介質(zhì)可分為少油、空氣、真空、SF6等，其中SF6斷路器主要用于35kV以上電壓等級。斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，具有保護和控制的作用，斷路器的典型結(jié)構(gòu)如圖1，其中1為開斷元件、2為絕緣支柱、3為基座、4為操動機構(gòu)、5為絕緣套管、6為接地外殼。斷路器能在滿足電網(wǎng)實際需求的情況下，使得電氣設(shè)備或其他工作線路進入停止狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)闄z修狀態(tài)[1]。

圖1 斷路器典型結(jié)構(gòu)簡圖

如整個電力系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生故障問題，斷路器可通過繼電保護裝置來將整個電力系統(tǒng)的運行保護起來，特別是針對于電網(wǎng)運行中的故障部位，及時將故障部位與其他正常運行部位斷開，這樣在后續(xù)應(yīng)用的過程中剩下的其它部分仍能正常工作運行?，F(xiàn)在最常用的斷路器是SF6斷路器，因該類斷路器與其他斷路器比較起來性能更好。這種斷路器絕緣性及滅弧性能良好且具有很強的開斷性，斷口電壓相對較大，并具有更好的機械強度，實施維護更加簡單。因為這些特點，SF6斷路器在超高壓領(lǐng)域上完全代替了其他種類斷路器。

1 高壓斷路器故障分析

1.1 拒動故障分析

高壓斷路器的拒動故障有拒分和拒合兩種情況。其中相對來說較為嚴重的是拒分故障，這種故障的出現(xiàn)會導(dǎo)致整個電路系統(tǒng)引發(fā)越級跳閘，進而使得系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致事故的范圍變大。實踐表明，在運行過程中高壓斷路器的拒分狀況是最常出現(xiàn)的，會導(dǎo)致機械故障與電器故障兩種不同的類型出現(xiàn)。

機械因素。機械故障主要是因為操作機構(gòu)與傳動系統(tǒng)存在問題。一般較普遍的故障現(xiàn)象有部件出現(xiàn)變形、損壞或機構(gòu)卡澀等。其中機械卡澀的問題發(fā)生最頻繁：由于分(合)閘線圈鐵芯配合的精度不足、在運動時存在很大阻力線圈與傳動位置出現(xiàn)機械損壞，液壓機構(gòu)閥體內(nèi)閥桿等部件出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象、進而導(dǎo)致后續(xù)的機械安裝過程中存在較為嚴重的質(zhì)量問題。

電氣因素。因電氣控制和輔助回路出現(xiàn)問題導(dǎo)致的拒動故障大約是總故障的32%。常見的故障現(xiàn)象有分合閘線圈燒損、二次接線故障等。分合閘線圈燒損大部分情況是因長久的機械故障導(dǎo)致電氣方面出現(xiàn)問題，二次故障使得二次接線接觸不良從而發(fā)生電氣故障問題[2]。

1.2 誤動故障分析

二次回路原因。主要是因二次回路接線端子受潮，這在一定程度上減小了端子的絕緣性，二次回路中導(dǎo)致分閘和合閘回路線路端子出現(xiàn)放電現(xiàn)象，這種狀況會引發(fā)短路，斷路器產(chǎn)生誤動操作。另一方面，由于二次回路的元件質(zhì)量不合格，很多情況下二次回路的電纜易出現(xiàn)破損，也會使得斷路器發(fā)生誤動。如斷路器的操作電壓比標準要求還低，在受到外界因素影響的情況下很易導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)誤動現(xiàn)象，繼電保護裝置發(fā)生誤動作。

液壓機構(gòu)原因。斷路器在制作的過程中，由于廠家疏忽導(dǎo)致裝配質(zhì)量降低，液壓機構(gòu)出現(xiàn)一定的質(zhì)量問題，同時清潔度也不足、使得密封圈出現(xiàn)損壞情況，液壓油泄漏或是機械機構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問題，會使得斷路器整體出現(xiàn)嚴重的故障問題；彈簧操動機構(gòu)原因。在對斷路器進行檢修過程中，由于操動機構(gòu)沒有科學(xué)合理地對分(合)閘摯子尺寸進行調(diào)整，在很大程度上影響了彈簧預(yù)壓縮量，導(dǎo)致彈簧預(yù)壓縮量不合理，使得彈簧機構(gòu)無法繼續(xù)維持，引發(fā)斷路器自分或者自合。

1.3 絕緣故障分析

內(nèi)絕緣故障。斷路器的絕緣故障問題是因斷路器內(nèi)存在異物，而異物的出現(xiàn)是因斷路器在應(yīng)用過程中或安裝過程中出現(xiàn)了本體內(nèi)部的剝落物，異物就導(dǎo)致了斷路器本身的放電存在故障。不僅如此，如觸頭和屏蔽罩安裝的位置不合理會使得二者間出現(xiàn)摩擦，進而觸頭與屏蔽罩會發(fā)生磨損，導(dǎo)致金屬顆粒脫落，也會引發(fā)內(nèi)絕緣故障[3]。

外絕緣和瓷套閃絡(luò)故障。主要因瓷套外絕緣線路問題、外絕緣尺寸不滿足標準規(guī)范、瓷套制造質(zhì)量問題等。高壓開關(guān)柜很易發(fā)生絕緣故障，如柜內(nèi)放電、相間閃絡(luò)等。導(dǎo)致這種故障出現(xiàn)的主因是斷路器和開關(guān)柜不匹配，使得絕緣的尺寸不滿足相應(yīng)標準規(guī)范，與此同時也沒有采取合理有效的絕緣措施等。此外也可能是開關(guān)柜元件存在質(zhì)量問題，也會導(dǎo)致出現(xiàn)相間短路的故障。

1.4 開斷與關(guān)合故障分析

斷路器通常有少油斷路器和真空斷路器兩種，少油斷路器發(fā)生故障的位置一般噴嘴處，此位置很易發(fā)生短路現(xiàn)象，滅弧室很易出現(xiàn)損壞，會使斷路器的開斷發(fā)生故障問題。真空斷路器容易出現(xiàn)故障的位置是真空滅弧室，具體原因是內(nèi)部的真空度出現(xiàn)了問題，真空斷路器的關(guān)合能力會發(fā)生故障，這種情況使得開關(guān)就易發(fā)生斷開或是關(guān)合失敗，導(dǎo)致滅弧能力減小，從而引發(fā)問題。

1.5 載流故障分析

常見的載流故障是由于觸頭的接觸不良或者是溫度過高而導(dǎo)致引發(fā)的。目前大多數(shù)的接觸不良現(xiàn)象都是由于兩個觸頭在進行接觸過程中沒有對準，從而導(dǎo)致噴口處出現(xiàn)較為嚴重的開裂現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就會導(dǎo)致開斷關(guān)合出現(xiàn)問題；或者是隨著開裂現(xiàn)象的進一步加深使得觸頭溫度嚴重升高，進而出現(xiàn)絕緣問題和載流問題。兩個觸頭沒有對準的情況，是因為在實際的裝配過程中工作人員并沒有采取合適的措施對觸頭進行處理，使得動觸頭與靜觸頭對中存在很大偏差，進而引發(fā)故障。

1.6 外力及其他故障分析

外力與其他故障大部分情況下都只會導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)問題而不會引發(fā)事故，然而其在一定程度上反映了開關(guān)設(shè)備存在安全問題，并在一定程度上威脅著設(shè)備運行的穩(wěn)定性和安全性。

泄露故障。出現(xiàn)泄漏故障主要是因為密封圈出現(xiàn)老化或者損壞、閥系統(tǒng)密封度不好、壓力表接頭出現(xiàn)泄漏問題等。液壓機構(gòu)泄漏油問題是比較常見的一種問題，主要原因在于廠家的制造水平。

部件損壞。主要是因為傳動部件缺乏足夠的機械強度，同時密封件的質(zhì)量不符合標準規(guī)范。不僅如此，因為安裝以及檢修的質(zhì)量較低沒有辦法及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，從而會導(dǎo)致斷路器的缺陷變得更嚴重，進而引發(fā)故障。密封件損壞有下列兩個主要原因：密封件的質(zhì)量不符合要求，很容易出現(xiàn)老化的情況，而且使用的壽命比較短；在檢修或者是裝配的時候，密封件受損或者安裝位置不正確、加固時壓力過大導(dǎo)致密封件出現(xiàn)非常嚴重的變形，都會一定程度上影響部件的使用壽命。

2 高壓斷路器狀態(tài)實時監(jiān)測分析

SF6密度監(jiān)測。目前我國大部分的高壓斷路器都是使用的是SF6斷路器。而對于這種斷路器來說，SF6氣體密度以及氣體的性能與斷路器的使用狀況息息相關(guān)。如果在使用過程中SF6氣體的密度減小，那么就會導(dǎo)致該類型的斷路器整體絕緣性能和滅弧性能有所下降。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因就是該種斷路器中的SF6氣體出現(xiàn)了泄漏，這就使得氣體的密度逐步下降。針對這種狀況，工作人員需要進行壓力測試，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果來準確反應(yīng)氣體的實際密度，從而可明確斷路器有無故障。

觸頭壽命監(jiān)測。斷路器投入使用很長一段時間以后，通常情況下觸頭都會發(fā)生磨損現(xiàn)象。因此工作人員需要對觸頭的磨損狀況進行綜合判斷，然后根據(jù)斷路器的使用壽命判定是否會受氣以及滅弧介質(zhì)等多種問題的影響。一般來說，采取特殊的計算可以判斷高壓斷路器的磨損程度，實現(xiàn)實時檢測的效果。

滅弧室在線監(jiān)測。高壓斷路器的運行狀態(tài)會受到外界因素的影響，在外界因素的干擾下，會使得高壓斷路器的絕緣弧性能和絕緣效果都出現(xiàn)問題。如果發(fā)生這種問題，滅弧室很可能會發(fā)生泄漏或者是微水超標等問題。所以在電網(wǎng)運行時需要強化對于滅弧室的在線監(jiān)測，確保斷路器在正常的狀態(tài)下運行。

溫度信號檢測。高壓斷路器有的時候需要經(jīng)過很大的短路電流，而且長期需要通過負荷電流，因為導(dǎo)體中有電阻存在，在電流流過導(dǎo)體的情況下會發(fā)生熱損耗，這會在一定程度上提高導(dǎo)體的溫度。高壓開關(guān)柜的隔離觸頭和各種通過負荷電流的高壓電氣設(shè)備的接線端子處等，因為外界因素影響或者是設(shè)計和制造過程中存在問題等，會在很大程度上提高這些部位的電阻，所以也會顯著提高這些部位的溫度，因為溫度變大，會導(dǎo)致電連接處的氧化現(xiàn)象加劇，進而不斷提高接觸電阻，如果沒有采取有效措施對這些問題進行處理，最后會導(dǎo)致絕緣件出現(xiàn)損壞、絕緣擊穿等非常嚴重的問題。

為了確保斷路器工作的可靠性和穩(wěn)定性，需要保障斷路器導(dǎo)體本身以及導(dǎo)電連接處的溫度小于規(guī)定值。SF6斷路器觸頭及其他部位最高溫度和允許的溫升極限如表1所示。

表1 SF6斷路器觸頭及其他部位最高溫度和允許的溫升極限

3 高壓斷路器故障診斷措施分析

3.1 振動信號檢測法

高壓斷路器故障診斷過程中，高壓斷路器在分合閘的時候機械操作的構(gòu)件會出現(xiàn)振動信號，這個信號內(nèi)包含了大量的狀態(tài)信息，工作人員通過使用振動傳感器，對信號進行處理獲取信號內(nèi)部包含的信息，從而明確高壓斷路器分合閘在工作過程中的狀態(tài)。工作人員在使用震動信號檢測過程中，這種方法不會受到外界電氣量或者是電磁場的影響，傳感器是在斷路器的外部安裝的，因此也不會影響到斷路器。不僅如此，振動傳感器在工作的時候比較穩(wěn)定，而且其尺寸相對來說較小，具有很強的靈敏度。斷路器操作是非常典型的瞬時性動作，所以時間非常短，不同振動信號隨機產(chǎn)生，因此實際檢測時對于采樣頻率有著非常嚴格的標準，這也是使用振動信號檢測法時需要給予重視的地方。

3.2 分合閘線圈電流檢測法

分合閘線圈電流檢測法的應(yīng)用是使電流通過分合閘線圈，然后這個時候就會在電磁鐵的作用下產(chǎn)生磁通，從而影響斷路器出現(xiàn)分合閘的操作。而工作人員在實際的工作過程中，需要綜合分析電流變化狀況，根據(jù)電流隨時間的變化狀況來反應(yīng)二次回路的實際工作狀態(tài)，這樣可更加明顯的反應(yīng)斷路器機構(gòu)的運行情況。

3.3 動觸頭行程監(jiān)測方法

高壓斷路器的行程-時間特性是非常關(guān)鍵的機械參數(shù)，對于計算分合閘速度至關(guān)重要。一般情況下使用直線光電編碼器對行程進行測量。在高壓斷路器直線運動的部件上安裝直線光電編碼器，使用傳感器對分合閘動作時動觸頭的脈沖波形進行讀取，然后把獲取到的脈沖信號利用調(diào)理電路傳輸?shù)教幚硇酒?，借助芯片獲取脈沖信號并實施相關(guān)計算。使用分合閘動作時，由動觸頭的行程-時間特性可通過計算的方式得到其運動時間、平均速度等，而且可以知道動觸頭的運動方向還有反彈情況。

綜上，對高壓斷路器狀態(tài)進行實時監(jiān)測的過程中，需要按照高壓斷路器出現(xiàn)的故障現(xiàn)象采取科學(xué)合理的檢修方法和輔助措施，這樣才能有效的保障故障診斷工作順利實施?，F(xiàn)階段水力發(fā)電廠中計算機科學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，高壓斷路器故障診斷方法就是計算機技術(shù)應(yīng)用的充分體現(xiàn)，可迅速確定高壓斷路器中存在的故障類型和原因，在很大程度上強化了高壓斷路器的安全性和可靠性。