淺析高壓斷路器狀態在線檢測技術

石利鋒 吳桐 趙洪懿

摘 要：為了保證高壓斷路器能正常運行，降低高壓斷路器故障帶來的停電損失，文章對高壓斷路器狀態在線檢測技術進行了研究。首先，分析了高壓斷路器檢測的內容包括行程特性監測、分合閘線圈電流監測、振動信號監測。然后，結合實際簡單闡述了高壓斷路器狀態在線檢測技術的發展。最后，分析了紅外線檢測技術、霍爾電流傳感器檢測技術、溫度傳感器檢測技術、壓電式加速度傳感器、高速CCD成像技術的原理、優點及缺點。

關鍵詞：高壓斷路器;狀態;在線檢測技術

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A

高壓斷路器是保護電力系統的重要裝置，對電力系統安全有著重要的意義。然而從實際來看，高壓斷路器也容易出現故障。我國每年因高壓斷路器故障帶來的電量損失超過百萬千瓦，帶來的經濟損失更是難以計數。所以，應當積極應用在線檢測技術，對高壓斷路器的運行狀態進行檢測，及時了解、掌握高壓斷路器的運行狀態，確保高壓斷路器能發揮出應有的作用。

1 高壓斷路器監測內容

1.1 行程特性監測

隨著計算機、電子技術的發展，越來越多新技術、新設備被應用到了行程特性在線監測中。如今，應用新技術已經可以記錄開關動作時的動觸頭行程。之后，再結合其他參數就可以提取機械工作參數。但是需要注意的是這種機械動作參數都有一定的取值范圍，一旦其參數值超出范圍，就會影響到高壓斷路器的正常運行。所以，要對其行程特性進行監測，確認高壓斷路器狀態[1]。

1.2 分合閘線圈電流監測

斷路器在分、合閘過程中，線圈電流會隨時間變化而變化，而其電流變化呈現出來的波形能夠反映出很多信息。如鎖門、閥門及連鎖觸頭的運行情況，是否存在鐵心運動機構片滯、釋能機械負載變化的情況、線圈狀態。并且還可以了解斷路二次控制回路的運行情況，從而為后續的檢修工作提供依據。另外，高壓斷路器還配有操動機構，然而這種操動機構容易出現彎曲變形、銹澀等問題，導致斷路器異常，而通過分合閘線圈電流的檢測，可以結合電流傳感器反應的信息分析斷路器機械故障的發展趨勢。

1.3 振動信號在線監測

如今，對斷路器振動的檢測多集中在振動信號分析、處理上。而國外很早就已經開展了有關這方面內容的研究，也提出了一些合理的振動信息處理方法，并被應用到了實踐中。如挪威電力研究院的研究人員提出了運用加窗傅里葉變換的方法進行振動信號時頻標識，之后再結合DTW法就可以計算振動信號的動態時間距離。而我國起步較晚，研究出的可用于實踐的產品還不多。如西安交通大學經過研究提出了歐式距離法、ACI方法[2]。

2 高壓斷路器狀態在線檢測技術發展

美國、日本等國在20世紀90年代才開始研究斷路器的在線檢測技術。其中，美國學者最早對開斷電流、斷路器壽命關系進行了闡述，并提出了滅弧觸頭墊壽命的概念以及全工況跳合閘回路完整性監視。我國有關斷路器在線檢測技術的研究起步較晚，但也取得了一定的研究成果。比如在1995年，清華大學研究出了高壓斷路器參數測量分析系統。與此同時，有關高壓斷路器運行狀態的在線檢測研究也取得了一定的研究成果。現如今，有關電壽命、絕緣狀態、二次回路、溫度等參數的實時在線檢測裝置研究已經全面開展，且均有相對比較成熟的產品問世。如美國愛迪生電力公司、西門子公司研制的具有綜合功能的狀態監測裝置，可對開關設備重要參數進行長期連續在線監測，分析變化趨勢，及時發現故障前兆，實現控制保護智能化。英國Hathway公司與愛迪生電力公司共同研制開發的BCM型開關狀態監測系統，可以采集分、合閘線圈電流、三相故障電流、液壓泵，儲能結構等信息。在這方面，我國也取得了一定的研究成果。如中能電力科技開發有限公司開發的TF50型斷路器狀態監測儀，能夠對斷路器的電壽命、絕緣狀態、控制回路、儲能機構等參數或部件進行全面的在線檢測與分析[3]。

3 高壓斷路器狀態在線檢測技術分析

3.1 紅外診斷技術

該技術是在20世紀60年代得以推廣和廣泛應用的。具體來說，還可將該技術分為主動式、被動式。其中被動式檢測方法不需要對檢測目標進行加熱，而主動式檢測方法則需要。另外，被動式檢測主要是在檢測目標、環境熱交換過程中進行檢測。主動式檢測主要是在紅外傳感器將不同溫度對應的紅外輻射轉換為電信號時進行物體溫度檢測。

具體可檢測出以下故障：第一，電阻損耗發熱。當出現短路、過載等故障時，電阻會在電流作用下產生大量的熱。這時運用紅外檢測技術就可以對待測對象的發熱情況進行檢測，進而判定斷路器的故障、熱劣化。第二，介質損耗發熱。在交變電場作用下，斷路器絕緣介質極化方向會改變，所消耗的電能會引發大量的熱。通過應用紅外檢測技術可以確認絕緣介質極化方向是否發生了改變，進而確定斷路器是否發生了故障。第三，斷路器外部接頭接觸不良。若高壓斷路器設計不合理，或是材料不良，亦或是安裝工藝不合理等，都有可能導致接頭表面材料氧化，進而導致其阻抗值變大，最終引起發熱。該技術的優點是靈敏度高、速度快、應用范圍廣、抗干擾等，但是該技術還具有檢測裝置內部熱缺陷的缺點。

3.2 霍爾電流傳感器

該傳感器的工作原理是借助半導體材料的磁敏特性，通過測量其磁感應強度，就可以推算電流值。這樣就可充分了解線圈電流，進而確定高壓斷路器是否存在故障。該技術的優點是結構簡單，頻率響應寬，完全可以將其用到非接觸測量技術中。尤其是磁通可互補，鐵心也可做的很小，確保其在交流電、直流電中都可以用。但是該方法具有適用范圍存在限制、對溫度變化敏感等缺點。所以，都只將其應用在分、合閘線圈電流檢測中。

3.3 溫度傳感器應用

溫度傳感器的應用原理是將溫度轉變為電壓。目前，常用的溫度傳感器有固體溫度傳感器、半導體溫度傳感器、光纖溫度傳感器。與紅外檢測技術相比，溫度傳感器可以檢測高壓斷路器內部故障。因為高壓斷路器內部發生故障后，故障點熱量會與周邊物體、絕緣材料發生熱量傳遞，以致于該區域的溫度不斷升高，尤其是與之相連的導體溫度也會顯著升高。此時，應用溫度傳感器就可以準確檢測出高壓斷路器內部是否出現了故障。之后，再結合油色譜進行電氣設備外部顯現的溫度分布熱像圖，就可以確定故障點。固體溫度傳感的優點是結構簡單，可測量溫度變化快的物體，缺點是靈敏低、響應慢。半導體溫度傳感器則具有靈敏度高、響應速度快、成本低等優點，但它也具有線性溫度差，需作修正、補充的缺點。

3.4 壓電式加速度傳感器

該傳感器主要是用于機械振動信號檢測。檢測原理是在壓電材料受到外力作用下會出現形變，引發內部極化現象，表面則出現電荷。借助永久磁鐵將該傳感器固定在連桿上，就可以得到高分辨率的振動信號。該方法的優點是成本低、結構簡單，缺點是容易受到外界干擾，需提前在輸出與電荷、電壓變換電路之間設置屏蔽。

3.5 高速CCD成像技術

霍爾電流傳感器、溫度傳感器、壓電式加速度傳感器等進行在線檢測的技術都屬于接觸式檢測，越來越無法適應高精度、高集成高壓斷路器的檢測需求。而紅外檢測技術雖是非接觸檢測技術，但優勢不足，適用范圍狹窄，無法進行推廣。也正因為如此，非接觸式檢測技術逐漸成為國內外諸多專家學者研究的重點。

基于高速CCD成像技術的高壓斷路器在線檢測技術，可以實現行程速度的無接觸測試。其主要檢測原理是利用高速、高分辨率工業攝像機（CCD傳感器）測量替代光電編碼直線和角度傳感器，獲取斷路器在開閉過程中操動機構運動情況，通過圖像分析，計算出動觸頭行程、分合閘時間、分合閘平均速度、彈跳時間及幅度等參數，提高斷路器操動機構動作參數測試精度。同時，采用監測操作線圈電流、電壓波形，作為有效判斷拒動、誤動等故障的判據之一;運用機械振動和聲波傳感技術，基于聯合時頻分析和并融合系列圖像分析識別算法，診斷斷路器運行時的工作狀態。

該技術具有適應性強、精度高、測試方便等優點，尤其是借助高速成像傳感器，將匹配的目標條紋紙貼在聯動桿表面就可進行檢測。這樣就可以省去安裝傳感的環節，簡化整個檢測流程，提高檢測效率。另外，應用該檢測技術還可以進一步拓寬檢測范圍。如在機械特性檢測方面，可對分合閘時間、行程、速度、線圈電流、低電壓動作等進行檢測。相比于以往的檢測技術來說，這種檢測技術能一次性完成多項內容檢測，保證檢測質量。但是該方法還具有圖像信號的高速傳輸受限、位移精確定位存在問題等不足之處，仍有待完善。

綜上所述，在電力行業不斷發展的背景下，高壓斷路器在線檢測技術也得到了諸多專家、學者的重視，且取得了良好的研究成果。只有這樣，才能高效、精準地開展高壓斷路器運行狀態檢測、分析工作，確保高壓斷路器始終處于良好運行狀態。

參考文獻

[1] 蔣曉雁.幾種常用的高壓斷路器在線檢測技術的分析比較[J].甘肅科技，2009，25（24）：49-50.

[2] 韓軍，雷爭鳴.高壓斷路器在線檢測技術的探究[J].中國科技投資，2012（24）：107.

[3] 韓軍，雷爭鳴.高壓斷路器在線檢測技術的探究[J].中國科技投資，2012（27）：62.