斷路器故障分類及檢測技術研究

斷路器為電力系統中的重要組成設備，必須具備良好的斷流能力與完整的滅弧結構。斷路器的功用通常體現在兩方面：一方面是根據電網運行的需要，快速準確的進行電路或者電力設備的斷開或是連接，使其快速退出或進入運行工作；另一方面，當在運行過程中出現故障時，斷路器就能與繼電保護系統迅速將故障部分斷開，使系統中的其他正常部分可以繼續工作，從而達到減少事故影響與危害的目的。本文主要對斷路器的故障類型和檢測技術進行了綜合性的分析[1]。

1 斷路器的分類

按照控制與保護對象的不同進行斷路器類型劃分時，通常可將其分為發電機斷路器、控制斷路器、輸電與配電斷路器等。然而，在實際中更多的時根據滅弧介質與方法的不同來劃分斷路器的類型，通常可分為三種常見類型[2,3]。

油斷路器：這類斷路器是最早期的類型，其滅弧介質為絕緣油，并且通常按照斷路器使用滅弧介質量的多少將其劃分為多油斷路器與少油斷路器。油斷路器在我國以往較為常見使用，但因存在較高的安全隱患，現今較常使用的通常為無油或少油斷路器。

壓縮空氣斷路器：20世紀30年代最早由德國AEG公司生產，原理為通過壓縮后壓力增大的空氣吹滅電弧，其最顯著的優勢在于壓縮迅速、滅弧能力強。具體的工作流程通常為：首先在存儲罐里加入高壓空氣，當觸頭斷開產生電弧時，儲存罐內的高壓空氣吹出，其散熱冷卻的作用能使弧柱熱電離并且減弱至消失。

SF6斷路器：20世紀50年代美國西屋公司最早推出SF6，直至70年代后開始被廣泛應用，其滅弧介質通常為SF6等惰性氣體。SF6氣體具備絕緣特性，且作為滅弧介質性能優良。SF6斷路器的優點在于開斷能力強且能連續開斷，安全因素高、壽命長，缺點在于結構復雜、成本較高，在我國的高壓和超高壓電網中被常見使用。

2 斷路器常見的故障

根據電力科學院統計數據顯示，斷路器在生產實踐過程中，發生的故障通常主要分為拒動（拒分、拒合）、絕緣、開斷與關合、載流、誤動、外力及 其他[4]。

拒動（拒分、拒合）故障原因：通常由兩方面原因引起：操動機構。具體包括傳動部位發生變形、液壓機構中閥桿等零件受損以及分（合）閘線圈鐵芯之間的配合不到位等一系列情況，其引起的機械卡澀是最為常見的故障，之所以會發生這類情況通常是由于產品質量不合格，或在安裝、調試、檢修等環節對斷路器造成了損壞；電氣控制和輔助回路。例如分合閘線圈的損壞、受潮、二次接線失效、保險絲熔斷等一系列因素。通常機械故障的發生同樣也容易引起電氣故障，因此不是僅有電器線路中產生的故障才會使斷路器因電氣原因發生拒動故障。

絕緣故障原因：通常將絕緣故障分為外絕緣、內絕緣以及開關柜絕緣故障。外絕緣故障通常是因為瓷套的外絕緣泄露比距不符合規定標準。內絕緣故障是指發生在斷路器內部，主要是因為制造裝配或檢修時遺留的廢棄物造成的，另外當觸頭和屏蔽罩裝配的位置不合適時，就容易造成兩者因頻繁的較大摩擦導致表面金屬類物質剝落，從而造成放電作用，這也是發生內絕緣故障的一個重要原因。就開關柜絕緣故障而言，其大都因為開關柜老化、潮濕、爬電距離太短等因素造成的。

開斷與關合故障原因：這類故障的發生并不常見，通常是因為開斷時噴出的油爆裂或提升桿脫落等原因造成。

載流故障原因：開關柜接頭接觸不緊合是造成載流故障的最主要原因。發生載流故障通常會導致觸頭或線路升溫，必須及時進行相關的故障處理，時間一長將會發展成絕緣故障。

誤動故障原因：主要為兩個方面：一方面可能是由于繼電保護信號錯誤或二次回路接線和操動機構失靈等引起誤動故障的發生；另一方面可能是因為二次回路接線端子排受潮，因此導致其絕緣性能降低，進一步造成合閘和分閘回路端子間發生放電短路，從而引起誤動故障的發生。

外力及其他原因：這一故障類型主要包括斷路器本身的操動機構損壞、檢修不徹底以及其他故障原因。

3 基于振動信號的斷路器在線檢測

3.1 斷路器在線檢測流程

圖1 電氣設備檢測診斷框圖

如圖1所示，通常可將檢測診斷流程分為三個部分[5]：狀態檢測與信號采集。電氣設備在運行的過程中一直處在不斷變化中，因此對設備的狀態檢測需及時，從而確保設備處于穩定正常的運行。同時對設備進行信號進采集獲取待測信號后，將其傳輸到后續單元接收處理；信號的處理。后續單元在接收到待測信號后無法直接識別與處理，而是對其進行濾波、去噪等操作，提升信噪比或將信號分解，為后續診斷工作提供準備；狀態識別。將處理后的信號與現有標準進行對比，當性能指標超出標準范圍則認為是故障狀態，然后依據故障類別與嚴重程度進行相應的處理。

3.2 斷路器振動信號特征分析

斷路器操動機構故障占總故障比例一半以上，且呈逐年上升趨勢，我國為71%左右。對斷路器在運行過程中的檢測通常分為機械特性、開斷能力、絕緣性與操作回路完整性四個方面。斷路器觸頭是受操動機構動作且經連桿部件推動的，在操動機構的動作過程中，不同形態的振動發生在不同部位上。就振動波形而言，其通常經結構部件傳遞，且在傳遞的過程中會不斷的造成衰減，因此在斷路器上采集到的信息波形往往都為非線性的衰減后的沖擊波。

斷路器的機械特性通常通過振動信號來進行反映，振動信號的不同對應不同機械部位故障，通常包括分合閘鐵芯卡滯松動、軸銷脫斷、脫扣失靈以及部件變形損壞等。當故障發生時，部件上的振動信號發生變化，通過對不同部件振動信息的采集后，進行進一步的對比分析就能判斷故障的位置及類型，從而實現多部位在線檢測。另外，僅需確保振動源頭與傳遞路徑不變，就能獲得較為平穩的振動信號。對規格相同的斷路器來說，其產生的振動信號具備較大的相似性，因此使由振動信號的不同進行故障類型與位置的判斷成為可能。

3.3 斷路器振動信號檢測點的選擇

振動信號在斷路器結構中的傳播較為復雜，不僅需要考慮其傳播的途徑、過程等，另一方面還要考慮振動波的類型以及衰減情況。因此，在測量過程中檢測位置不同相應的結果也不同，這說明對斷路器檢測點的選擇十分重要。例如，通常情況下斷路器的桶內觸頭傳動連桿的工作振動僅會體現在滅弧桶上，而在支架上則不易檢測到振動信號。

一般檢測點選擇方式分兩種：一是將傳感器安裝在其動觸頭連接桿上，且為了保證振動波形的保真效果，要求盡量貼近動觸頭，從而獲得較為準確的振動信號，時間及強度均能對振動情況真實反映。但是這需要將傳感器在斷路器內部進行安裝，這一安裝方式屬于侵入式，十分容易影響到斷路器部件的正常操作；二是將傳感器安裝在斷路器基座，這一種安裝方式屬于非侵入式，并不會造成斷路器的內部結構的損壞，因此更為方便且能真實的反映斷路器的振動情況，目前將振動信號傳感器安裝在斷路器基座上的方式更為常見。