ZN42-27.5型真空斷路器在線監測系統的研究

文松發，郎 兵，劉 蘋，趙 雋，郭立飛，曹波濤

0 引言

國內電氣化鐵道牽引變電所中27.5 kV牽引側廣泛采用真空斷路器來通、斷負荷電流和切斷短路電流。昆明鐵路局昆明供電段85%的牽引變電所及接觸網地處高原山區，運行環境惡劣，加之山區雷電頻繁，饋線瞬間短路普遍，從而導致變電所斷路器特別是饋線斷路器頻繁動作，斷路器出現故障的幾率大大增加。如果斷路器故障而未及時發現并排除，那么在運行中就有可能因斷路器拒動而不能及時跳閘切除短路故障，造成供電沿線電氣設備燒毀，或造成越級跳閘，使停電范圍擴大。導致真空斷路器機構故障的根本原因是：真空斷路器頻繁跳閘，加速了斷路器機構傳動部件的磨損，使斷路器幾何參數變化失衡而導致其電氣控制回路和機械傳動機構產生故障。

目前，牽引供電系統普遍采取對高壓電氣設備（如斷路器）進行離線方式的定期預防性試驗和檢修（或稱為計劃檢修）[1]，這對防止設備故障的發生，保證供電安全起到重要作用。但該檢修模式的弊端在于電氣設備的離線試驗和在線工作的不一致性、以及定期檢查和維修的盲目性、過度維修等，使設備運行中的故障率仍很高。所以，開展牽引變電所真空斷路器的在線監測工作，實時了解設備的在線工作性能，及時發現其異常和故障，合理安排檢修（狀態檢修），對于確保供電設備安全性、可靠性具有重要意義[2]。下文針對昆鐵電氣化牽引變電所廣泛使用的ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發的在線監測系統，從系統結構、功能、安全性、監測分析原理、試驗結果等予以全面介紹。

1 在線監測系統的結構及組成

針對ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發的在線監測系統包括真空斷路器在線監測裝置、監控計算機（含有監測分析軟件）以及監測裝置和監控計算機間的光纖通信網絡3個組成部分。通過該系統可同時監測牽引變電所的多臺真空斷路器，系統結構如圖1所示。

1.1 真空斷路器在線監測裝置

ZN42-27.5型真空斷路器為戶內單相交流高壓斷路器，其操作機構為彈簧儲能式，安裝于變電所開關室的網柵間隔內，根據其內部結構及運行要求設計開發的真空斷路器在線監測裝置，由傳感器和數據采集單元構成。采用電流傳感器和電壓傳感器，實現對斷路器分（合）閘操作過程中直流控制回路的電流、電壓的在線監測，以及儲能電機運行過程中的電樞電流、電壓的在線監測。采用拉線式位移傳感器和振動傳感器，實現對斷路器分（合）閘操作過程中動觸頭位移變化以及斷路器振動的在線監測。數據采集單元以數字信號處理器（DSP）為核心，采用12位A/D同步采樣技術，保證在斷路器進行分（合）閘操作時控制回路電流、控制回路電壓、動觸頭位移以及開關振動的采樣數據同步。采樣數據經裝置的CAN通信接口通過系統的光纖通信網絡實時上傳至監控計算機進行存儲、分析、計算。監測裝置構成原理如圖2所示。

圖1 真空斷路器在線監測系統結構圖

圖2 真空斷路器在線監測裝置構成原理圖

1.2 監測裝置的安裝及安全性分析

真空斷路器在線監測裝置安裝在ZN42-27.5型真空斷路器本體上，該安裝位置與斷路器的高壓部分完全隔離，與斷路器的操作機構相對獨立，不會對斷路器的正常運行及操作造成影響。

該裝置采用的拉線式位移傳感器是反應斷路器分（合）閘過程中動觸頭位移變化的關鍵元件，其安裝必須滿足2個要求：

（1）拉線式位移傳感器的移動拉繩需要連接在與動觸頭相連的部件上，以精確反映動觸頭的位移變化。

（2）拉線式位移傳感器的移動拉繩必須與動觸頭相連的帶電部件高電壓可靠絕緣。

所以，該裝置設計了符合上述要求的拉線式位移傳感器的安裝方式。位移傳感器固定安裝在斷路器車架底座上。采用環氧樹脂絕緣材料制作了Г形絕緣連接拉桿。其中，橫向拉桿一端通過螺栓固定在動導電桿的末端；縱向拉桿一端與位移傳感器的移動拉繩相連。該安裝方式保證了位移傳感器移動拉繩與動觸頭的聯動。對該安裝方式進行了工頻耐壓試驗，在斷路器導電體與地之間分別加工頻電壓25，50，70 kV，持續時間均為2 min，未發生導電體沿Г形絕緣連接拉桿對地的放電現象，說明該安裝方式具有可靠的絕緣性能。

該裝置采用的振動傳感器是反應斷路器在分（合）閘操作過程中開關振動情況的關鍵元件，是確定斷路器分（合）閘時間的重要依據。振動傳感器的安裝位置必須滿足2個要求：

（1）充分反映斷路器縱向上動、靜觸頭在分離或碰撞時刻的振動情況。

（2）與斷路器帶電部分要可靠絕緣。

所以，符合上述要求的安裝位置在斷路器車架底座上，靠近電流互感器瓷外殼旁。

可見，監測裝置及各種傳感器安裝在真空斷路器本體上，不僅可保證各種電氣狀態量（電流、電壓）以及機械狀態量（位移、振動）的精確變換采集，而且保證與斷路器的高壓帶電部分的可靠絕緣，不會對斷路器的正常操作及運行造成影響。

1.3 監測分析軟件

監測分析軟件是在線監測系統的核心，通過該軟件可對被監測的真空斷路器的健康狀況進行判定。當變電所某臺被監測的真空斷路器進行分（合）閘操作后，該斷路器的在線監測裝置將分（合）閘時直流控制回路的電流、電壓采樣數據，合閘時儲能電機的電樞電流、電壓采樣數據，動觸頭位移采樣數據以及斷路器振動采樣數據實時上傳至監控計算機，監測分析軟件將根據該采樣數據生成采樣錄波數據文件和波形文件，繪制電流、電壓、位移、振動的錄波曲線（圖3—圖5）。計算出該次分（合）閘操作的電氣特性參數和機械特性參數，從而對斷路器控制回路的異常和故障進行分析及預測，對斷路器的機械性能是否滿足要求進行分析；計算出儲能電機運行過程的電氣特性參數，從而對儲能電機、儲能彈簧的故障進行分析及預測。

圖3 合閘錄波曲線圖

圖4 分閘錄波曲線圖

1.4 監測系統的通信網絡

在線監測裝置與后臺監控計算機之間組建的通信網絡采用CAN總線通信形式。與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性，抗干擾能力強。考慮到監測系統所運行的牽引變電所裝有動態無功功率補償裝置（SVC）,所內電磁干擾較強，所以在該系統中，CAN總線的通信介質采用光纖，使監測系統通信環節的抗干擾能力進一步增強。

圖5 儲能電機錄波曲線圖

2 在線監測分析原理

監控計算機的監測分析軟件將依據各監測裝置上傳來的采樣數據，計算出斷路器分（合）閘操作的電氣特性參數和機械特性參數，并根據該參數的變化判斷斷路器可能出現的異常和故障。

2.1 分（合）閘電氣特性參數

斷路器每次分（合）閘操作時所表現出的電氣特性參數如下：

（1）電流特征值I1及對應時間T1，對應圖3、圖4中電流曲線的第1個峰值點。

（2）電流特征值I2及對應時間T2，對應圖3、圖4中電流曲線的第1個谷值點。

（3）電流特征值I3及對應時間T3，對應圖3、圖4中電流曲線的第2個峰值點。

（4）電流特征值I4及對應時間T4，對應圖3、圖4中電流曲線的最早零值點。

（5）電流上升率k，k = I1/ T1。

（6）電流峰谷差I12，I12= I1- I2。

（7）電壓特征值 U，對應圖3、圖 4中的電壓曲線。

2.2 分（合）閘機械特性參數

斷路器每次分（合）閘操作時所表現出的機械特性參數如下：

（1）分（合）閘時間tf（th）。綜合圖3、圖4中位移曲線和振動曲線，通過位移曲線所反應的位移變化，確定振動信號處理的區段，在該區段中對振動信號采用短時能量法[3]進行處理，從振動信號中準確地提取斷路器的分（合）閘時間。

（2）動觸頭行程S，對應圖3、圖4中位移曲線的首末之差。

（3）分（合）閘速度 V，由動觸頭行程與分（合）閘時間計算得出。

（4）合閘動觸頭彈跳次數n及彈跳時間Th，由圖3中位移曲線的波動情況確定。

（5）分閘動觸頭反彈幅度Hf，對應圖4中位移曲線的第1個反彈點。

2.3 儲能電機電氣特性參數

（1）電流特征值I1及對應時間T1，對應圖5中電流曲線的第1個峰值點。

（2）電流特征值I2及對應時間T2，對應圖5中電流曲線的第1個谷值點。

（3）電流特征值I3及對應時間T3，對應圖5中電流曲線的第2個峰值點。

（4）電流特征值I4及對應時間T4，對應圖5中電流曲線的最早零值點。

（5）電壓特征值U，對應圖5中的電壓曲線。

（6）儲能電機帶載運行做功W，依據圖5中電流i和電壓u，計算W = ∑uit。

3 試驗結果分析

為驗證監測系統的有效性，特對被監測的ZN42-27.5型真空斷路器的直流控制回路及機械傳動機構設置一些異常和故障，以檢驗在線監測系統對該異常和故障的反應能力，特別是通過試驗找出不同的故障與斷路器各種電氣特性參數和機械特性參數間的內在聯系規律。以下是其中的一些試驗結果與結論：

（1）斷路器直流控制回路異常試驗（控制回路卡滯）。在斷路器合閘線圈上增加彈簧，以增大線圈吸合的阻力，模擬卡滯問題。進行斷路器合閘操作，從監測分析軟件提取斷路器合閘過程的電氣特性參數和機械特性參數，比較測取參數與正常合閘參數發生變化的情況，試驗結果見表1。

通過對卡滯試驗結果與正常試驗結果的對比可得：合閘控制回路發生卡滯后，I1增大，T1增大，I2增大，T2增大，k減小，I12減小，th增大，V減小。所以，以上特性參數的變化可作為斷路器直流控制回路發生卡滯故障的判斷依據。

表1 直流控制回路異常試驗參數對比表

（2）斷路器機械傳動機構異常試驗（分閘摯子調低）。將斷路器的分閘摯子調低。進行斷路器分閘操作，從監測分析軟件提取斷路器分閘過程的電氣特性參數和機械特性參數，比較測取參數與正常分閘參數發生變化的情況，試驗結果見表2。

表2 機械傳動機構異常試驗參數對比表

通過對分閘摯子調低試驗結果與正常試驗結果的對比可得：分閘摯子調低后，tf減小，V增大，其他特性參數變化不大。所以，單純的分閘時間tf減小，V增大，可作為斷路器分閘摯子位置不合適，需要進行調整的判斷依據。

（3）儲能彈簧變軟試驗。將斷路器正常的儲能彈簧更換為拆舊回來的老化彈性不足的彈簧 A和B，分別進行斷路器合閘操作后，儲能電機運行，從監測分析軟件提取儲能電機的電氣特性參數，比較換彈簧前的參數與換彈簧后的參數發生變化的情況，試驗結果見表3。

表3 儲能彈簧變軟試驗參數對比表

通過對換彈簧前的試驗結果與換彈簧后的試驗結果對比，可得：I2減小，I3減小，W減小。儲能電機在每次運行時，監測電樞電流特征值I2和I3的變化趨勢，以及電機做功的變化趨勢，特別是重點關注其下降減小的趨勢，對于判斷斷路器的合閘儲能彈簧是否老化很有幫助。

4 結語

針對ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發的在線監測系統實現了真正意義的牽引供電系統電氣設備運行狀態的監測與管理，斷路器不論是在試驗位置還是在運行位置的每次分（合）閘操作后，其過程的各種電流、電壓、位移、振動等狀態量均以文件的形式被實時存儲、管理，依據這些狀態量計算出的電氣特性參數和機械特性參數對當前斷路器的健康狀況給與量化說明，使運行人員能準確地了解斷路器的運行狀況。檢修人員可根據電氣特性參數和機械特性參數以及這些參數的變化趨勢判斷斷路器的異常和故障，有針對性的合理的安排檢修，避免了大量的盲目檢修，這對保證牽引供電系統高壓設備的可靠運行具有重要的意義。

[1]鐵道部. 牽引變電所運行檢修規程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2000.

[2]鄢備. 鐵路牽引變電所在線檢測系統方案的探討[J]. 電氣化鐵道，2009，（5）：15-17.

[3]孟永鵬，賈申利，榮命哲. 真空斷路器機械特性的在線監測方法[J]. 高壓電器，2006,（1）：31-34.