變電站智能斷路器機械特性在線監(jiān)測技術(shù)的研究

田惠川

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司發(fā)電分公司， 山西 太原 030024）

引言

智能斷路器作為一種非常重要的高壓開關(guān)設(shè)備，在變電站的設(shè)備中，不僅負責(zé)電路的正常接通和斷開，更對電路和電器起著安全保護的作用，其良好的功能狀態(tài)是變電站以及電路系統(tǒng)正常、安全運行的關(guān)鍵所在。因此，為保障變電站和電力系統(tǒng)的正常運行，防止過載、高壓危害等情況的發(fā)生，變電站對斷路器的質(zhì)量以及運行中的實時狀況提出了很高的要求，從以往的定期預(yù)防性檢修，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驅(qū)崟r地自動監(jiān)測斷路器的運行狀況。由此而來，對智能斷路器機械特性進行實時監(jiān)測的在線監(jiān)測技術(shù)顯得尤為重要，同時該技術(shù)的應(yīng)用對提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性也至關(guān)重要。

1 斷路器基本知識

1.1 斷路器的結(jié)構(gòu)

高壓斷路器是變電站中主要的控制設(shè)備，主要是控制正常電路的通斷，及與繼電器配合，快速切斷電路中的故障電流，對電路起到有效的保護作用，其基本結(jié)構(gòu)由開斷元件、基座、絕緣支柱、傳動機構(gòu)以及操作機構(gòu)等幾部分組成[1]，如圖1所示。

開斷元件是斷路器的執(zhí)行部分，電路的通斷電由它來直接完成。其結(jié)構(gòu)主要包括觸頭、滅弧室和導(dǎo)電部分等。操動機構(gòu)是斷路器通斷電的控制部分，能夠控制斷路器通斷元件接通和斷開的速度與其相應(yīng)的動作時間。操作機構(gòu)接到指令動作，由傳動機構(gòu)將動作傳遞到通斷元件，通斷元件執(zhí)行相應(yīng)的動作。絕緣支撐元件安裝在基座與開斷元件之間，保證帶電部分與地絕緣。

圖1 斷路器基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 斷路器的操作機構(gòu)

操動機構(gòu)作為智能斷路器相當核心的部分，主要體現(xiàn)在其智能的、精確的控制作用上，其能夠及時地發(fā)出要求的功能指令，控制電路的開斷。一般常見操動機構(gòu)有彈簧、液壓和電磁等。斷路器電氣控制部分的故障主要發(fā)生在操動機構(gòu)，因此，斷路器操作機構(gòu)性能的正常與否是斷路器關(guān)注的重點部分。其功能動作指令主要包括合閘、保持合閘、分閘和自由脫口。

1.3 斷路器的機械特征參數(shù)

斷路器的機械特性參數(shù)主要包括行程、時間和速度三種變量，斷路器的開斷性能直接受這三種變量的影響。對于斷路器而言，閉合時間太長，通斷速度較低，燃弧時間的加長，都會使得觸頭的電壽命越來越短。反過來說，若是通斷速度較高，也會造成元器件之間的沖擊太大，導(dǎo)致元器件過早地損壞。因此，斷路器機械特征參數(shù)與斷路器工作狀況有著非常密切的聯(lián)系[2]。下頁圖2、3為根據(jù)斷路器動作實際狀況獲取到的信息，繪制出的斷路器分合閘過程與相應(yīng)的機械特性參數(shù)等變量相互對應(yīng)的曲線示意圖。

對于斷路器整個通斷過程來說，開斷動作難以完整捕捉，造成機械特性參數(shù)的信息獲取過程困難。為了增加信息獲取的準確性和可靠性，對流程進行理想化和簡化整理，可將整個通斷閘過程簡化為幾個連續(xù)不同的動作過程，速度和位移可作為時間的連續(xù)函數(shù)，這樣通過獲取到關(guān)鍵位置的時間點，進而求出該時間點的速度和位移。如下頁圖4、5所示為斷路器合閘時序圖；分閘過程時序如下頁圖6、7所示。

圖2 合閘曲線示意圖

圖3 分閘曲線示意圖

圖4 斷路器合閘操作

圖5 合閘過程時序圖

2 智能斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的總體研究

2.1 斷路器在線監(jiān)測的內(nèi)容

通過斷路器故障實際運行過程中涉及到的一些關(guān)鍵的特征指標要求，我們結(jié)合多年來的經(jīng)驗和統(tǒng)計分析，對斷路器運行過程中的以下參數(shù)指標進行監(jiān)測，如表1所示。

2.2 斷路器各參數(shù)監(jiān)測原理

2.2.1 分合閘線圈電流監(jiān)測

斷路器分合閘是由于電生磁原理使得鐵芯產(chǎn)生電磁力來完成吸閘和斷閘操作的。因此，電磁鐵上線圈電流的變化情況能夠反映斷路器操動機構(gòu)的運行狀態(tài)關(guān)鍵信息。斷路器鐵芯上線圈電流的變化情況反映圖形如圖8所示。

圖6 斷路器分閘操作

圖7 分閘過程時序圖

表1 斷路器在線監(jiān)測的內(nèi)容

圖8 斷路器線圈電流波形

t0—t1階段：該階段開始鐵芯處于靜止狀態(tài)，線圈電流開始由零逐漸增大，到t1時刻鐵芯開始動作。

t1—t2階段：該階段為鐵芯運動階段。t1開始動作，t2時結(jié)束動作，通過該階段的電流曲線圖可分析出脫扣、卡滯等異常現(xiàn)象。

t2—t3階段：該階段整個過程鐵芯保持吸合狀態(tài)不動作，通斷元件的觸頭動作，斷路器進入接通狀態(tài)。

t3—t4階段：該階段電流達到穩(wěn)定狀態(tài)。

t4—t5階段：該階段電流迅速降為零，電磁鐵芯失去吸合力，觸頭完成斷開動作，斷路器處于斷開狀態(tài)。觸頭斷開期間，會伴隨有電弧產(chǎn)生。

通過判斷斷路器開閉過程中線圈電流與規(guī)定值的差距情況，進而判別操動機構(gòu)運行狀況。分合閘線圈電流監(jiān)測主要選用穿芯式霍爾電流傳感器。該傳感器的接線圖如下頁圖9所示。

圖9 霍爾電流傳感器的接線圖

2.2.2 觸頭行程時間特性監(jiān)測

通過對觸頭行程時間特性進行監(jiān)測，能夠很好地把握觸頭的整個運行過程的詳細情況。對觸頭行程時間特性進行監(jiān)測主要是通過監(jiān)測主軸的角位移，主軸的角位移與觸頭行程時間特性有著直接的關(guān)系，在主軸上安裝角位移傳感器，進而獲取角位移-時間曲線圖來反映觸頭行程時間特性曲線。

2.2.3 儲能電機電流監(jiān)測

對儲能電機電流的監(jiān)測仍然選用霍爾電流傳感器，該傳感器與分合閘線圈電流監(jiān)測階段選用的傳感器原理相同，此處不再贅述。

2.2.4 三相主回路電流監(jiān)測

斷路器的三相主回路電流測取主要是通過電流傳感器轉(zhuǎn)換后進行測取，將其無法監(jiān)測的大電流輸入電流傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的小電流。選用的電流傳感器一般為于波模塊CHG-500E，輸出電流的額定值為100mA。

3 智能斷路器在線檢測技術(shù)的先進性研究

在線監(jiān)測技術(shù)屬于自動化監(jiān)測技術(shù)的一個范疇，其先進性表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）傳感器技術(shù)：要求詳細地把握斷路器運行狀態(tài)的變化過程，需要通過對斷路器相應(yīng)位置安裝各種相應(yīng)類型的傳感器，通過傳感器對斷路器的各機械特性參數(shù)實時運行數(shù)據(jù)進行采集，如上述提到的用來測量電流的霍爾電流傳感器、用來測量角位移的角位移傳感器等。

2）軟硬件技術(shù)：將采集的數(shù)據(jù)通過硬件平臺上運行軟件系統(tǒng)，進行自動對比分析，并繪制出需要的曲線圖形，對斷路器的狀態(tài)進行評估描述，給出評判結(jié)論。

3）通信技術(shù)：把采集到的信號數(shù)據(jù)實時地進行傳遞，能保證數(shù)據(jù)的準確性和及時性，以便問題出現(xiàn)能夠及時作出分析反應(yīng)。

4）液晶顯示技術(shù)：通過安裝液晶顯示屏，能夠?qū)⒉杉降膶崟r數(shù)據(jù)以需要的方式顯示在液晶屏上，方便相關(guān)人員的查看、編輯、保存等，為工作的進行提供了更大的便利。

4 結(jié)語

斷路器在線監(jiān)測技術(shù)對斷路器運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對提高變電站的安全、可靠運行具有著十分重要的作用。隨著變電站逐漸向著更智能化、更自動化的方向發(fā)展，會對斷路器在線監(jiān)測技術(shù)提出更高的要求，使得適應(yīng)于斷路器的在線監(jiān)測技術(shù)趨于更通用化、更模塊化。