高压断路器在线监测系统研究

1、高压断路器在线监测系统研究李平诗 徐 澄（中国长江长江电力有限股份公司检修厂） 摘 要 提出了高压断路器在线监测系统的一般框架，以SF6断路器为例，说明了该监测系统的具体模式：通过现场监测断路器及其操作机构各个部件的有关电气、机械和化学参量，利用逻辑判断或阀值范围判断及有关波形分析方法诊断其故障部位，指导现场维护和检修工作，提高了设备的安全运行水平。关键词 断路器 在线监测 系统中图分类号 TM70 前言目前对运行中的高压断路器一般是按规程要求定期进行预防性试验1，通过对测得的数据进行分析，对设备的状况作出判断，进行针对性的检修，它与检修试验者的经验及试验手段密切相关。随着计算机和微电子技术的

2、发展，采用人工智能的专家系统的方法可以综合许多专家的知识和现场工程师的经验，提高判断分析的准确性，避免设备的意外故障发生。即在事先得到控制。国内进行此项研究的大专院校、科研院所已有不少，虽各有侧重点，但真正达到生产单位目的并投入实际应用的不多。有的过于庞大，如从设备状态监测到专家诊断到寿命评估，由于其中涉及的领域非常广泛，有的尚在基础研究阶段，因而往往难以实现；有的过于简单，尚不能判断设备的健康状况。本文提出的断路器在线监测系统是基于现场的技术经济评价，易于实现，并便于扩展。1 系统构架系统构架框图如图1所示：图1 系统构架框图1.1数据库数据库包括断路器的历史状况：设计的出厂参数、出厂试验数

3、据及有关试验波形图，历次大小修的试验数据、检修情况。设备基本管理包括设备的基本台帐、变更换型等情况，以及历史数据曲线查询、试验检修报告生成等。它既反映了电力设备预防性试验规程中的内容，并对规程中规定的数值范围进行界定，综合领域专家（包括制造厂工程师、科研机构、研究人员、现场运行检修工程师等等）的经验，以规程的形式描述出来，又将离线和在线的数据进行收集，被数据分析和状态诊断程序相互调用。数据分析和状态诊断的结果又进入数据库，随着知识的积累、设备类型的变化，知识库可以随时扩充，定期维护、修改，并能进行自学习。所以数据库同时又知识库，在使用过程中进行完善。1.2数据分析通过对数据库数据的提取，结合规

4、程、制造厂和现场检修运行的规则和经验，利用逻辑诊断、模糊评判、相关分析或统计方法对设备健康情况分类，当有紧急情况时发出报警信号，引起运行值班人员注意，以确定是否需要停电作检查和维修。1.3状态诊断 系统通过对开关典型的时间-位移曲线、速度-位移曲线、辅助接点动作曲线、分合闸线圈电流曲线、电机电流曲线和刚分合时间、刚分合速度、最大速度、同期、超程等参数进行重点分析，从而诊断开关运行的机械状态。通过监测操作机构压缩油的压力、SF6气体的温度、湿度、密度、气压和气体微水量，来分析有无泄漏或受潮等缺陷。其中，SF6气体的有关参量与断路器的绝缘性能密切相关。将分析结果及时反映给数据库，用户可以及时得到监

5、视状态或警示。1.4采用分布式远程监测诊断系统3分布式远程监测诊断系统面向多台设备或整个变电站、发电厂，采用多台计算机的分级管理形式，功能强大的的主计算机（服务器）负责整个系统的管理、控制和诊断，各辅助计算机分别承担不同类型断路器的数据采集及初步处理、诊断。即现场在线监测单元（LC）将采集到的数据经过模-数转换传送到数据收集模块，与数据库（计算机主站）相连，主计算机与辅助计算机通过网络进行联络，系统用户可通过该网络进行查询和日常维护管理。2 综合诊断系统4以SF6断路器性能诊断为例，诊断时系统从数据库搜索该断路器的试验数据及现场监测的有关信息，与知识库中的规则及知识横向分析和比较，若不能得到确

6、切的诊断结论，则自动调出台帐及历史数据等进一步纵向分析比较。如变化过大，则指示是否有必要停电检修或采取其他预防措施。2.1现场监测的实施现场监测框图如图2所示：图2 SF6断路器在线监测原理框图M油泵电机，TQ分闸电磁铁线圈，HQ合闸电磁铁线圈，JD辅助开关，UHF高频天线，DLQ断路器，CT电流互感器 其监测单元主要包括压缩电机（储能电机）、分合闸线圈、辅助接点、甚高频发射和接受、断路器的工作电流或开断电流、速度行程等机械特性、温度湿度等化学参量。2.2分布式网络结构分布式网络结构如图3所示。LC单元和离线测量的数据通过网关进入诊断系统服务器，诊断信息和相关的测量数据与工作站及企业内部局域网

7、（MIS）实行互联。用户在各终端或工作站可以进行查询，也可以将故障报警信息发到相关人员的移动电话上，以便及时进行处理。 图3 分布式网络结构图2.3诊断分析首先是对该断路器的操动结构有关参数进行检测，主要参数有：油泵电机的电流、电压及电机工作时间间隔，如工作电流过大则可能是电机故障、操作机构或液压油路有机械故障，如电机启动频繁则可能是电路故障或油路失压，可结合油压、气压检测进行综合分析；断路器辅助开关的位置监测，当断路器分闸操作后合闸回路辅助开关应接通，当断路器合闸操作后分闸回路辅助开关应接通，否则会导致断路器误动或拒动。对于此类故障(开关量)，该系统采用一般的逻辑判断或阀值范围规则依据出厂数

8、据及产品的技术条件或初次测量数据进行判断。其次是监测断路器的分、合闸电流的大小及波形等，见图4：图4 分、合闸电磁铁及其电路图和电流波形图（a）电磁铁结构；（b）电路原理图；（c）分、合闸线圈电流-时间波形1分、合闸线圈；2电磁铁铁芯；S铁芯行程；K1控制开关；K2断路器辅助开关；R线圈电阻；L线圈电感断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一控制单元，图4（a）是其结构图。分、合闸线圈通常用220v直流电源供电，其电路图如图4（b）所示。分、合闸线圈的典型的电流波形如图4（c）所示，即从t1时刻给出动作信号，t1t2阶段电流由于电感作用而电流上升；t2t3阶段铁心在电磁力作用下克服重力、弹簧力等阻

9、力开始运动，是电磁铁铁芯运动行程时间；t4时刻电磁铁作功完成，t5时刻断路器辅助开关断开。引起线圈电流变化的因素很多，如电压、铁芯空行程、磨擦阻力、卡滞以及操作机构的机械动作状况。线圈电流的变化反映了铁芯运动状态以及其它机械状态的变化。 从分析线圈电流波形出发，可以计算出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间，从而得到铁芯运动和所控制的启动锁闩以及辅助开关转换的工作状态。利用历年曲线相关性可以分析出操动机构多种状态渐变信息，从而预测事故的前兆。 因此其波形中含有可作为诊断操作机构机械故障用的丰富信息。其典型的故障电流波形如图5所示：图 5 分、合闸回路故障电流波形图（a）电磁铁铁芯卡涩；（b）传

10、动机构缺陷；（c）辅助开关未断开当t1t3时间内操作电流波形有明显的抖动时，即显示电磁铁铁芯有卡涩现象，可能是铁芯经过多次动作后有歪曲变形，从而运动不畅，严重时会导致电磁铁线圈烧毁或断路器拒动，造成停电事故；当t3t4时间内操作电流波形有明显的抖动时，表明电磁铁的下级传动机构或脱扣器有机构缺陷；如到t5时刻后仍有I2的电流，则意味着断路器辅助开关没有转换过来或转换不到位，容易导致分、合闸线圈烧毁或断路器的误动。对于该类故障，由于模糊识别的计算工作量极大，本系统采用相关性分析方法进行图象识别，并与标准波形（初次测量波形或出厂试验波形）进行比较，从而判断故障部位。再其次是测量断路器的机械动作特性，

11、包括开关行程、动作速度、分合闸时间和分合闸同期性。机械方式利用旋转式角位移光栅行程传感器，将圆形光栅安装在断路器的转轴上，发光元件发出的光经过圆形光栅为接收元件所接收，经数据处理后可得到断路器操作过程中的行程和速度随时间的变化关系，由此可计算出有关断路器的机械动作特性的参数，以此与知识库的标准进行比较，作出相应决策。电气方式可以从断路器侧CT（电流互感器）的二次侧测量其动作时的电流变化曲线，经滤波、放大、变换处理后可以得到断路器动作时的起弧、灭弧时间、行程等参数。UHF（高频）测量主要是针对GIS中的局部放电而设置的，下限频率在300MHz以上，上限频率在1000MHz或以上，因而能把电晕放电

12、引起的干扰排除，它根据相邻耦合器达到的信号之间的时间差对故障准确定位，只要测得相邻耦合器之间的距离，就可通过计算求出故障的位置。然后是液压系统和气系统，主要监测参数有液压油的压力或流量、SF6气体的温度、湿度、密度、气压（检漏）和气体微水量。这些参量已有成熟的传感器，只需处理与系统的接口。其中，SF6气体的有关参量与断路器的绝缘性能密切相关，而且当SF6气体中含水达到一定限度时，会使电解气发生反应，产生腐蚀性极强的酸性气体，加速设备腐蚀。3 结语 a 高压断路器在线监测系统是基于高压断路器在线和离线数据的分析而进行故障诊断，旨在提高其安全运行水平。b 研究了断路器及其操作机构的相关参量的检测判断方法，现场运行表明：该系统能够有效发现设备的隐性早