斷路器監測及故障診斷分析

謝軍

摘 要：低壓斷路器是電力系統中最重要的控制和保護設備，其可靠運行對電力系統的安全、穩定至關重要。本文首先選取了個低壓斷路器狀態監測特征參數，然后根據這六個參數對斷路器故障進行診斷分析。

關鍵詞：斷路器；監測；分析；

文章編號：1674-3520（2015）-08-00-01

低壓斷路器是低壓輸配電網絡中最重要的基礎元件之一，大量應用于建筑物低壓供配電系統中。低壓斷路器的故障不但會造成停電事故，甚至會危及供電線路和用電設備的安全，從而造成更為嚴重的經濟損失。同時，由于低壓配電設備在建筑領域大量使用，也使得因為電氣設備異常溫升而導致的電氣火災數量和造成的損失不斷增加，對人民的生命財產安全和國家工農業發展都產生了負面影響。據統計，“八五”期間，我國的電氣火災總數為48375起，占火災總數的24.1%，據各類火災原因的首位，這其中就有由于低壓斷路器接線端子接觸不良而導致的異常溫升引起的火災。因此，狀態監測與故障診斷技術是實現電力設備狀態檢修的基礎性技術，低壓斷路器狀態監測和故障診斷為實現由計劃檢修到狀態檢修的轉變創造了條件。

一、低壓斷路器狀態監測特征參量的選取

低壓斷路器的狀態監測內容是建立在對故障的統計和分析之上的操動機構包括2個部分，一是機械傳動部分，二是包括控制機械部分，包括合、分操作的控制回路和輔助回路，如接線端子、接觸器、輔助開關、分合閘線圈、微動開關、電機、氣體繼電器、安全閥等二次元件，控制機械部分簡稱二次部分。目前低壓斷路器機械故障的監測和診斷在低壓斷路器的狀態監測中占很重要的地位，斷路器的開斷電流的大小對于判斷斷路器的電壽命是必不可少的條件。因此，對處于工作電壓的元部件進行監測對判斷斷路器的運行狀況也是非常重要的。綜上所述，通過對斷路器故障的統計，在分析研究的基礎上，本文歸納出SF6斷路器的在線監測內容及特征：分、合閘線圈電流分析，斷路器振動信號分析，開斷電流信號分析，斷路器的動作特性分析和斷路器的溫度監測。

二、低壓斷路器狀態監測特征參量的特性分析

（一）分、合閘線圈電流分析。電磁鐵是低壓斷路器操動機構中的重要元件之一，低壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級控制元件。合、分閘線圈的作用是把來自電源的電能轉化為磁能，并通過鐵心的動作，再轉化為機械功輸出。大多數斷路器均以直流作為控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著可作為機械故障診斷用的重要信息，反映了電磁鐵本身以及所控制的鎖門或閥門以及連鎖觸頭在操作過程中的動作情況。通過實時記錄每一次開關操作過程線圈電流的波形，分析上列有關參數是診斷斷路器機械操動系統的重要信息。根據得到的操動機構的啟動時間、鐵心運動時間、線圈通電時間等，并根據斷路器自身參數范圍，比較判斷操動機構是否己有鐵心空行程、彈簧卡滯等故障，從而預告故障前兆。

（二）斷路器振動信號分析。低壓斷路器是一種瞬動式的機械，在動作時，具有高強度沖擊、高速度運動的特點。其動作的驅動力可達數萬N以上，在幾毫秒的時間內，動觸頭系統能從靜止狀態加速到每秒幾米，加速度達到100倍于重力加速度的數量級；而在制動、緩沖過程中，撞擊更為強烈。這樣強烈的沖擊振動提供了更為敏感的診斷信息，易于實現監測。機械振動總是由沖擊受力、運動形態的改變引起的。在斷路器結構上，動作一般由操動機構的驅動器經過連桿機構傳動，推動動觸頭系統。在一次的操作過程中，有一系列運動構件的啟動、制動、撞擊出現，這些運動形態的改變都在其結構構架上引起一個個沖擊振動。振動波經過結構部件傳遞、衰減，在傳感器測量部位測到的是一系列衰減的沖擊加速度波形。這些沖擊振動都可以與結構件的運動狀態變化找到對應得關系，為狀態監測和故障診斷提供了可能。

（三）開斷電流信號分析。低壓斷路器在正常情況下，可以開斷、關合及承載運行線路的正常電流，在這種情況下，斷路器是起控制作用的設備。在電力系統發生故障時，短路電流比正常負荷電流大的多，這時的電路最難開斷。一般來說，對開斷電流信號的采集主要用于低壓斷路器電壽命的計算。斷路器觸頭的磨損與斷路器的開斷電流有著直接的關系。在嚴重短路的瞬間，短路電流中會出現一定幅值的非周期分量，使CT鐵心很快達到飽和，激磁阻抗大大降低，激磁電流增大，使二次波形出現嚴重畸變。由于磁通不能突變，因此發生故障后，磁通總是隨著時間延遲而增大。從故障開始到CT飽和會經歷一段時間，大約在初期的114周期內，電流是正常的。隨著激磁電流中直流分量的衰減，二次電流逐漸增大。當激磁電流飽和時，二次電流即出現缺損狀況。

（四）斷路器的動作特性分析。斷路器的運動特性包括斷路器的時間特性、速度特性及行程特性。而時間和速度均可通過斷路器的行程一時間曲線得到。無論配用何種機構的低壓開關，在合閘和分閘時都需要一定的時間。低壓開關的固有合閘和分閘時間與開關的速度密切相關，直接影響開關的斷和關合性能。如果開關需要的分閘時間過長，合閘速度自然降低，滅弧性能受到影響而導致開關分斷失敗；如果開關的合閘時間過長，分閘速度自然降低，電動力增大而導致開關關合失敗；如果三相同期性時間差過大，會使線路和變壓器非全相投切而產生危害絕緣的操作過電壓。通過斷路器的行程一時間曲線得到的時間參數、速度參數及行程參數對于診斷斷路器的機械故障有著重要的意義。

（五）斷路器的溫度監測。低壓開關是長期載流的電氣設備，由于導體存在一定的電阻，當電流通過導體時就會產生熱損耗，而交變電磁場作用于導體周圍的鐵磁物體和絕緣介質會產生鐵磁損耗和介質損耗，這些都是熱源。SF6斷路器的觸頭被封閉在密封的容器內，滅弧室不允許被打開，因此將測溫裝置安裝在滅弧室內直接測量其溫度從而計算溫升是不能實現的。由于紅外線的穿透能力較弱，紅外輻射基本不能穿透絕緣材料和斷路器的滅弧室外殼，所以也無法直接用紅外熱成像裝置監測斷路器高電壓部分熱缺陷。由于與斷路器觸頭部分的發熱時間長而且比較穩定。故障點的熱量可以通過熱對流與故障點周圍的導體或絕緣材料發生熱量傳遞，引起這些部位的熱量升高，特別是與之有電器連接的導體也是熱的良導體，而會有顯著的溫升和形成周圍表面溫度場的變化。因此，判斷斷路器低壓帶電部分的熱故障可以通過被測斷路器外部的熱場分布及其金屬件的溫度來綜合、總體判斷。

三、結語

總之，對低壓斷路器實施狀態檢修，可以有效的減少過早或不必要的停電試驗和檢修，減少維護工作量，降低維修費用，提高檢修的針對性，可顯著提高其運行的可靠性和經濟性。

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