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1、高压断路器的故障检测技术综述摘要：高压断路器的机械故障是造成高压断路器故障的一个主要原因，对高压断 路器实施机械特性的在线监测，以最大限度提高其运行可靠性是十分必要的。文 中具体分析总结了断路器合分闸线圈电流、行程-时间特性和振动信号的监测这 三种主要在线监测内容的基本原理，简要介绍了相关的检测技术，并着重介绍了 其中于温度检测大有可为的声表面波（SAW）测温技术。关键词：高压断路器；机械特性；检测技术；SAW测温技术0.引言高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备，是电力系统中关合和开断 负荷电流、额定电流与故障电流的最关键、也是唯一的开断元件。断路器是一个 融合了机械结构和电气控制元件的
2、组合体，它可能一年半载都不动作一次，但一 有命令，则必须在很短的时间内完成相应动作。机械磨损、润滑失效、腐蚀老化 等原因都可能导致断路器性能劣化，动作时间变慢或无法完全分闸将可能导致断 路器保护失效或备用保护动作，甚至将造成大面积停电。由于断路器在电力系统 中的重要作用，必须对高压断路器实施在线监测和科学化管理以提高断路器运行 的可靠性。断路器的状态监测内容主要包括：操动机构机械特性监测、操动机构的储压 系统监测、绝缘状态监测、灭弧室和灭弧触头电磨损监测等。由于高压断路器的 监测项目是建立在对历年事故的统计和分析基础上的，而根据统计，断路器发生 的大型故障中机械故障所占比重高达 70%，因此，
3、操动机构机械故障的监测和诊 断在高压断路器的在线监测中占据很重要的地位1。本文具体分析了操动机构机械特性的监测：合分闸线圈电流、动触头行程- 时间和振动信号特性。简要介绍了相关检测技术如电流波形、主触头状态、SF6 气体微水含量、温度和局部放电特性的检测技术，着重介绍了温度检测中仍有广 阔发展和应用前景的声表面波（SAW）测温技术。1. 断路器合分闸线圈电流监测电磁铁是高压断路器操动机构中的重要元件之一，当操作线圈中流过电流时 在电磁铁内产生磁通，铁芯受电磁力作用吸合，接通操作回路，使高压断路器合 闸或者分闸。分合闸线圈电流波形中包含着丰富的信息，通过监测分合闹线圈电 流波形可以监测线圈的电气
4、完整性和连续性，这反映了二次操作回路的状态；分 合闹线圈电流波形还可以间接反映机构的运动状态，如：铁芯是否卡涩、铁芯行程、线圈是否有阻间短路等。通过对分合闸线圈电流的分析，可以判断出高压断 路器操动机构的运行状态，还可以作为高压断路器是否偷跳、拒跳的判断依据，并且以此来分析高压断路器的故障原因5。图 1-1 合分闸电磁铁等效直流电路图如图 1-1 所示为电磁铁的等效电路图，电感的大小取决于线圈和铁芯铁轭的 尺寸，并与铁芯的运动路程 S 有密切关系，其值将随运动路程 S 的增加而增加。 典型的分闸时线圈电流波形如图 1-2 所示，整个运动过程可看作有四个阶段。图 1-2 分闸时线圈电流波形图(1
5、) tt阶段:t为高压断路器分闸命令的下达时刻，线圈在此时刻开始通电,0 1 0t 为铁芯幵始运动的时刻，在此时刻线圈内磁通上升到足以驱动铁芯运动。电流1 在该时间段内迅速上升，但铁芯并未开始运动。(2) tt阶段：t时刻铁芯在电磁力的作用下克服了阻力幵始做加速运动。1 2 1电流开始迅速下降，直至铁芯停止运动，此时对应时刻为 t ，此刻代表铁芯已经2 触动操动机构的负载。这一运动阶段可以反映出铁芯的运动状态，反映出铁芯运 动时有无卡涩、脱扣等故障情况。(3) t t 阶段:在这一阶段中，线圈电流开始迅速上升，随后电流达到近似24稳定。(4) t t 阶段：这是电流的切断阶段，电流值迅速下降至
6、零。在此阶段中，45 辅助幵关分断，辅助开关触头间产生电弧并被拉长，电弧电压将快速升高，迫使 线圈电流迅速减小，直到最后媳灭。合闸过程中，铁芯的运动基本与分闸时相同。通过对分合闸线圈电流四个阶 段的分析，依据测得的分合闸线圈电流波形，同时结合高压断路器本身的参数， 从而对操动机构的运行状态进行判断。这样，能够及时了解高压断路器的运行状 况，对可能的故障进行及时预防，从而达到故障预测的目的。2. 动触头行程-时间特性检测断路器的行程-时间特性是指断路器在合分闸操动过程中，动触头的行程S 随时间 t 运动的特性2。 断路器行程的监测可选用光栅行程传感器、电阻行程传 感器等。当装在作直线运动的机构上
7、时，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可选用旋转式传感器。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操作过程中的行程-时间特性曲线， 图2-1 为实测的某断路器合闸时的波形。图 2-1 某断路器合闸的行程-时间波形图利用动触头的行程-时间波形，可算出动触头合分闸操作的运动时间、动触 头行程、超行程以及合分闸的同期性。由行程曲线通过软件处理，可以得到动触 头运动的平均速度和最大速度、时间-速度曲线等参数，并且通过对两相信号的 计数，能得到转轴转动的角位移的正负，从而可以测得断路器触头运动的反弹情 况。3. 断路器振动信号的监测振动信号的在线监测是
8、从断路器外部间接获取信号的一种手段，是一种非入 侵式的监测方法。振动信号包含丰富的机械运动信息，但是由于有用信号本身是 很微弱的，所以需要较复杂的信号处理技术来提取有用的特征量，包括傅里叶变 换，功率谱分析、小波分析等。获取断路器机械振动信号的方法是在断路器多个部位安装振动传感器，从而 得到相应位置的振动信号。需要指出的是振动传感器安装的位置不同，得到的振 动信号可以差别很大，如果需要对断路器的某个特定部分进行机械运动的状态监 测，则可以将振动传感器安装在接近该结构的位置，这样得到的振动信号才能更 准确的反映该部位真实的运动状态。断路器机械振动信号的在线监测有如下几个 特点4：(1) 可安装在
9、高压断路器接地端，从而避免了在线监测时高低压绝缘的问题。(2) 振动传感器安装在断路器的外部，不会对断路器的正常工作造成太大的影响。(3) 振动信号包含了监测设备丰富的机械运动特性，信号分析手段的不断发 展可以让我们对振动信号的利用更加有效。(4) 由于振动信号是一种机械信号，所以他受到的电磁干扰较小。(5) 振动传感器体积小，质量轻，便于安装，工作可靠性高，因此振动信号 的在线监测比较容易实现，很适合用于电气设备在线监测的场合。4. 相关检测技术4.1 电流检测技术 在断路器状态检测中需要采集的除常规意义的直流和交流信号外，重要的是 还需要检测电磁线圈在通电过程中快速变化的电流波形，如合分闸
10、线圈的电流波 形。要实现这种波形的采集，需要采用霍尔电流传感器。霍尔电流传感器采用具 有霍尔效应的霍尔器件，一般由一次电路、聚磁环、霍尔器件、二次回路和放大 电路等组成。它有两种工作方式：直放式和磁平衡式。直放式电流传感器能将被测电流转换成跟随输出的电压信号，由输出电压得 到输入电流。磁平衡式电流传感器能将被测电流转换成按比例跟随输出的电流信号。它与 直放式传感器相比，多了一个二次回路，在工作时，一次回路通过电流产生的磁 场，经聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，经由放大电路驱动相应的功率管，从而 产生流经二次回路的补偿电流，该电流产生的磁场恰补偿了一次电流产生的磁场 从而达到平衡。由于采用了磁平衡
11、原理，所以该种工作方式的电流传感器具有更 好的测量精度。4.2 主触头状态检测技术 主触头状态检测技术又分为合分闸状态检测和动触头位移检测。 合分闸状态检测一般采用计算机技术进行检测，该方法原理简单，测量的准 确度高。但由于仪器使用的现场一般都在电场和磁场干扰非常强的变电站内，所 以有较高的抗干扰设计要求。一般而言，变电站现场有两个主要的干扰源：一是 仪器周围的电磁场辐射干扰，对于这种干扰，通常采用金属机箱对主机进行屏蔽 二是母线感应过来的感应电压干扰，对于这种干扰，通常采用光耦隔离法进行屏 蔽。动触头位移检测一般都依靠位移传感器进行检测。由于位移过程中的瞬时速 度很高，所以对位移传感器的要求
12、也比较高，现在常用的位移传感器主要有电位 器式、光栅尺式和激光式等几种。4.3 SF 气体微水含量检测技术6SF 气体中的微量水分对高压断路器的影响较大。一旦大气中的水分浸入或6与 SF 气体直接接触的固体介质表面受潮，则电气强度会显著下降。超高压、特6高压断路器有很多都安装在室外，当气温骤降时，SF气体中过量的水分可能会6凝结在固体介质表面而发生闪络，严重时造成断路器发生爆炸事故。而当气体中 含有水分时，由于水分的存在而使SF分解物不能正常复合，而电弧分解物和SF66 经过水解可产生腐蚀性很强的化学物质，危及维护人员的生命安全，对断路器的 绝缘材料或金属材料造成腐蚀，使绝缘劣化，甚至发生设备
13、爆炸。对SF气体传统的测量方法是应用便携式的微水测量仪，但它无法进行在线6实时测量。我国曾推广常用的离线预防式检测方法主要有以下三种：(1) 质量法:高酸镁吸收一定量气体中的水分后，由其增重来计算该气体重的含水量。此方法是绝对法，用于校验、校准其他水分测量仪器的精确度。(2) 电解法:把涂了磷酸的一对电极放置在一个电解池内，在两电极间施加一 个恒定的直流电压。将被试气体导入电解池，气体中的水分即被吸收并电解还原， 释放出氧气和氢气。根据电解水分所需电量与水分量之间的关系求出气体中的含 水量。(3) 露点法:被测气体通过一个密封池中的金属镜面，用人工控制或借助光电 池监控镜面湿度，以保持稳定的水
14、分凝结量。当测试仪器的温度略低于被试品气 体中水蒸气饱和湿度时，水蒸气结露，通过热电偶测得的镜面温度即为露点。由 露点和气体水分含量的换算公式或对照表，即可得到气体中的水分含量。若要实现SF气体微水含量的在线监测，可以采用高分子薄膜电容式湿度传6感器。高分子薄膜电容式的感湿元件，主要由聚酰亚胺、聚苯乙烯或醋酸纤维等 高分子聚合物的感湿材料组成。将这种感湿材料用作电容介质，能随周围环境的 相对湿度的大小成比例地吸附和释放水分子，水分子被吸附后，由于材料的介电 常数会大大提高，所以电容量相应变化。这种方法的优点是能够长期使用且稳定 性好，灵敏度高，响应快，也具有较好的可换性。4.4 温度检测技术电
15、力系统中运用的设备，其电连接点和断路器的主触头等，由于设备制造、 触点氧化、电弧冲击等原因，将造成接触电阻增大，当通过较大电量时往往会发 热，如果不及时发现，则容易导致设备损坏或爆炸。为此，必须实现对其在线温 度测量。常用的测温方式主要有以下四种：(1) 采用传感器进行测温，通常分为接触式和非接触式两种。接触式方式比 较直观、精度也高，但若接触不良则会增加误差，且感温元件与被测介质的直接 接触可能会影响热平衡状态。非接触式方式热惯性小，也便于测量变化的温度。(2) 采用热敏电阻或热电偶测温的技术比较成熟，性能也稳定可靠，但其无 法实现无源测量，已被电网的复杂场条件影响，抗干扰力弱。(3) 采用
16、光纤测温。由于光钎属于有线方式，尽管它是高度绝缘的，但在长 期高压的条件下工作其表面会有灰尘累计，因此产生的爬电隐患会影响既有设备 的绝缘性能。(4) 采用红外线成像测温。由于断路器内部结构较复杂，元件间会互相遮挡， 从而导致准确度较低，而红外热像仪本身成本较高，也不利于普遍推广使用。近年来又发展了一种新的温度检测技术，即声表面波(SAW )测温技术。该技 术主要使用声表面波温度传感器，它是利用压电晶体受热后影响材料和声表面波 速度这种特性来设计的一种传感器，能够很好地用于温度测量。图 4-1 是一个 SAW无线无源温度检测系统的示意图6图4-1 SAW无线无源温度检测系统示意图工作时，质询系统的发射/接收器周期性地发送高频查询脉冲，该脉
