高壓斷路器在線監測技術綜述

孫子昌，陳昊，張建忠，徐鵬，孫小磊

(1·國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京210002；2·東南大學電氣工程學院，江蘇 南京210000)

0 引言

高壓斷路器是電力系統最重要的保護和控制設備，廣泛用于各電壓等級電網，除了日常操作切斷負荷電流，亦要在故障發生時切斷數倍于額定電流的故障電流，其可靠性直接關系到電網的安全穩定[1－3]。長期以來，只能通過停電檢修發現和處理斷路器缺陷。由于停電檢修必須在設備停電狀態下進行，脫離了高壓斷路器的帶電條件，難以準確反映斷路器運行狀態下缺陷，且停電檢修的盲目性大，費用較高。此外，頻繁的操作及過度的拆卸也容易降低斷路器的運行可靠性[4]。

在線監測技術可以對斷路器運行狀態進行實時監測，能夠更加科學地提升斷路器的自我感知能力，實現狀態檢修，是傳統定期停電檢修技術的重大補充和革新[5]。20世紀80年代以來，隨著電子技術的進步和傳感器技術、光纖技術、計算機技術、信息處理技術等的發展，電力設備在線監測技術日益完善。近十年來，斷路器在線監測的現場應用證明，這一技術手段可以相對真實地反映設備運行情況，為斷路器從計劃檢修到狀態檢修的轉變創造了條件[6－8]。

本文綜述高壓斷路器在線監測方法，基于江蘇電網某500 kV變電站智能運檢建設情況，結合工程實踐分析目前斷路器在線監測技術現場應用存在的問題，最后對未來斷路器的在線監測方法與實施提出建議及改進措施。

1 斷路器在線監測方法

1.1 SF6斷路器特性監測

目前，SF6斷路器在高電壓等級電網中應用較為普遍，SF6氣體作為斷路器的滅弧介質和絕緣介質，其絕緣強度主要取決于SF6氣體密度和SF6氣體微水含量[9－10]。

1.1.1 SF6氣體的密度監測

室外安裝的SF6斷路器，環境溫度變化會引起其內部SF6氣體壓力的變化，因此不宜單純采用監測氣體壓力的方法來監測氣體密度。經典的SF6氣體密度監測多采用機械式密度繼電器，如圖1所示。由于預充氣室中也存在SF6氣體，溫度對于氣體壓力影響一致，因此不需要考慮環境溫度影響，即監測裝置具備溫度補償功能[11]。當斷路器氣室氣體泄漏時，金屬波紋管由于內外壓差不同被壓縮，通過傳動機構帶動微動開關觸點接通，使外接的相關繼電器勵磁，發出信號并根據整定值決定是否閉鎖斷路器的分合閘回路[9，11－12]。

圖1 機械式密度繼電器

近年來出現的數字式SF6氣體密度監測儀通過壓力和溫度傳感器對氣體壓力和溫度進行直接測量。由于SF6斷路器的壓力告警和閉鎖限值均是對應運行環境20℃時的數值，所以需要進行壓力換算，彌補溫度對壓力的影響。

1.1.2 SF6氣體微水監測

SF6氣體微水監測方法主要包含重量法、電解法、露點法、電容法等，其中電解法和露點法為國際電工委員會(IEC)推薦的日常測量方法[13－14]。這些都是斷路器定期檢修試驗的常用方法，無法實現在線監測功能。

目前SF6氣體微水在線監測開始逐漸流行，某些變電站斷路器采用全新材料的高分子聚合物薄膜傳感器技術對微水含量進行監測。該傳感器的微水測量利用阻容法原理，且不需要消耗氣室內SF6氣體，即當SF6氣體中的含水量發生變化時，高分子聚合物薄膜阻值和容值也發生相應的變化。利用含水量與阻容值之間的變化關系直接測量SF6氣體中含水分量，通過傳感器阻容值輸出計算實時在線監測SF6氣體微水含量。

1.2 分合閘線圈電流監測

電磁鐵是高壓斷路器機械操動機構的重要元件之一，線圈中通過的電流在電磁鐵內產生磁通，鐵芯受電磁力作用吸合從而完成斷路器的合閘、分閘過程。高壓斷路器機構中的分合閘脫扣電磁鐵，在長期操作和實際運行過程中可能發生變形、銹蝕、臟污等，都可能導致電磁鐵吸合不成功從而引起斷路器拒動，此類故障每年約占全國斷路器拒動、誤動總事故率的26·1%[15]。

由于線圈電流控制電磁鐵的吸合動作，所以可通過分合閘線圈電流特性來反映鐵芯動作情況。目前一般采用裝設電流傳感器監測電磁鐵線圈的電流波形，通過記錄、分析每次分合閘操作過程中的電流波形，對斷路器的控制回路及機械操動機構狀況等有大致了解，然后對斷路器機械故障的發展趨勢和發生概率進行診斷推算，為高壓斷路器檢修工作的實施提供輔助決策依據[16－18]。

1.3 斷路器行程特性監測

高壓斷路器分、合閘時的行程－時間特性是表征高壓斷路器機械特性的重要參數，是計算高壓斷路器分、合閘速度的依據[16]。高壓斷路器的開斷性能很大程度上取決于斷路器分、合閘速度，特別是斷路器合閘前與分閘后的動觸頭速度。斷路器行程特性監測就是通過對動觸頭的行程－時間關系進行測量，從而計算得到動觸頭速度。

目前斷路器行程特性監測多采用光電式位移傳感器，常用旋轉式光電編碼器，如圖2所示，裝置上有一固定光源，即圖中的發光元件。當斷路器進行分合閘時，碼盤被斷路器觸頭帶動旋轉，光源透過光柵射到接收元件，通過電路裝置產生輸出A、B兩路相位差90°的正交脈沖串信號。因為編碼器使用兩組光柵，所以通過電路輸出信號，可以判斷觸頭是正向運動還是反向運動。另外裝置計數器對A、B相兩路信號進行計數，即可計算出斷路器動觸頭的分、合閘速度。

圖2 旋轉光電編碼器的結構原理

1.4 機械振動信號監測

高壓斷路器依靠其機械部件的正確動作實現其功能，國內外高壓斷路器設備的運行實踐表明:機械故障在斷路器各類故障中占比最高，因此加強斷路器機械故障監測，對降低斷路器故障發生率具有重要意義[19－21]。

高壓斷路器分合閘操作過程中，機構部件的運動和撞擊都會引起振動響應。這種振動響應具有隨機性，但對于同一臺斷路器的多次操作，振動信號重復性較好。當斷路器出現機械故障時其振動信號會發生較大改變，因此可通過監測振動信號以識別斷路器缺陷。機械振動監測系統如圖3所示。

圖3 機械振動檢測系統

通過在斷路器上裝設的傳感器采取振動信號，經過放大器以及A/D板處理，將振動信息傳至處理單元模塊進行處理分析。斷路器的振動信號包含有豐富的特征信息，通過提取信號的時域、頻域信號的頻帶和幅值進行分析，得出結論。提取信號特征的方法可以分為時域法、頻域法和數據序列分析法，往往多種方法的綜合應用可以在應用層面取得更好的效果。

1.5 斷路器箱柜溫濕度監測

斷路器的端子箱與匯控柜溫度過高容易引發火災或爬電等事故，濕度過大則會導致箱內二次元器件銹蝕、短路，嚴重時引發斷路器誤動、拒動，對設備的安全運行構成威脅，因此箱柜內的溫濕度狀況極為重要。為避免斷路器箱柜內環境過熱或過濕，需要加裝溫濕度控制裝置，對箱柜內部及其周圍環境進行實時監測和控制。

目前一般在戶外箱柜內部裝設溫濕度傳感器及輸出接點，箱柜內部儀器以及后臺輔助系統可顯示柜內的實時溫濕度數值，監測斷路器端子箱及匯控柜等箱柜內部的溫濕度情況。監測裝置可以設置溫濕度的動作門限值，通過比對溫濕度傳感器上傳的溫濕度值，選擇性控制加熱器、風機或背包空調的輸出，使箱柜內的溫濕度值始終保持在允許范圍之內。

1.6 立體化目視監測

立體化目視監測是斷路器在線監測的重要部分。戶外敞開式高壓斷路器距離地面較遠，人工運維巡視難以發現斷路器細微的缺陷，如斷路器瓷瓶釉面輕微破損現象。

目前立體化目視監測主要是通過變電站內已安裝的高清攝像頭以及巡檢機器人等技術手段進行立體化可見光點位巡檢，利用后臺程序對巡檢照片與影像進行識別判斷，分析是否存在結構缺陷。若攝像頭以及機器人兼具紅外測溫功能，也可對斷路器進行溫度監測，及時發現設備溫升異常。

2 在線監測存在問題

2.1 監測裝置安裝困難大

非停電作業時，斷路器處于帶電運行狀態，在線監測裝置的安裝不得不面對與帶電設備近距離作業或者是改變其回路結構的問題，難以滿足與帶電設備的安全距離，因此往往需要在斷路器停電檢修時進行安裝，而斷路器的停復電由電力調度部門決定，且不能隨意更改，這就給在線監測裝置的安裝帶來了很大的限制。

另外，在線監測傳感器的安裝需考慮是否會對現有斷路器機構造成破壞，以及給斷路器正常運行帶來的風險。例如斷路器分合閘線圈電流測試，須加裝電流互感器，在安裝時需解開分合閘線圈回路并串入電流互感器。由于現有箱柜空間一般無法裝設電流互感器，需要在斷路器的操作回路與儲能回路中間另外增加箱柜進行安裝，如圖4所示，相當于新增了一個導致斷路器誤動的風險點。

圖4 在線監測裝置安裝

2.2 機械故障診斷識別率低

由于現場實際情況相較于理論分析更為復雜，設備帶電操作與不帶電操作特性存在差別，且斷路器機械結構復雜，不同型號的斷路器內部結構也存在較大差異。另外在線監測傳感器安裝位置不盡相同，斷路器在分合閘動作過程中各部件振動信號交叉疊加結果也不相同，導致不同傳感器感知的振動信號存在差異，提取的振動特征值無法統一，對斷路器的機械故障診斷產生極大影響。

2.3 圖像識別準確率低

在變電站采用在線智能化巡視設備代替人工巡檢作業，結合相應的圖像處理算法完成巡檢任務，包括變電站設備的典型外觀缺陷，如鳥巢、外殼破損、表盤讀數異常、硅膠筒破損、部件表面油污、掛空懸浮物等，已經得到推廣應用。但是，變電站電磁環境復雜，設備種類多樣，且存在多種干擾，現有的視頻圖像處理算法準確率低，漏報、誤報現象嚴重，視頻監控仍舊需要人工干預，導致工作效率降低。

2.4 數據分析能力不足

隨著在線監測裝置與傳感器的安裝數量增多，斷路器監測方式與方法得以完善，現場收集的監測數據比較可觀，后臺如何對大量的數據進行分析成為在線監測不得不面對的難題。一是如何從大量的監測數據中進行有效數據的篩選和提取，二是對于有效數據如何尋找一種優越算法，精準捕捉數據特征量，從而提高發現設備故障的概率。

3 應用及建議

江蘇電網某500 kV變電站建于20世紀90年代初，斷路器運行歷時長，型號多樣。該站在2013—2016年斷路器在線監測科研工作基礎上，積累了斷路器機械故障、瓷套缺陷、相關回路缺陷的診斷經驗和大量在線監測數據。2019年起，結合變電站智能運檢建設，進行了斷路器在線監測技術進一步推廣應用。結合推廣應用階段發現的問題，提出以下建議。

3.1 安裝實施

由于在線監測所需傳感器數量較多，斷路器在線監測可以協同變電站內其他設備的在線監測設備考慮，利用三維建模及定位技術對變電站整體進行建模，從而有助于傳感器的布局以及設備的快速查找，各傳感器應盡可能物盡其用，避免重復安裝以及材料浪費。另外結合目前人工智能新技術，最大程度保證安裝在線監測裝置的智能性與實用性。

安裝之前應做好變電站內危險點分析與三措編制，建設改造過程要強化安全意識，嚴守安全規定，嚴控安全風險。特別是對于斷路器涉及二次回路的改造工作，應遵循電力二次系統安全防護、智能電網安全防護等要求，提高系統使用安全防護水平，確保信息安全的能控、可控、在控。

3.2 監測系統算法升級

針對視頻圖像識別準確率低的問題，在線監測系統應開發巡檢系統數據分析功能，可僅將室外機器人及高清視頻巡檢用作圖像采集，利用巡檢系統后臺處理高清視頻、室外機器人、室內機器人采集的圖片和在線監測的數據，并將所有數據統一分析處理，開展相間對比、同類對比及趨勢分析。

針對機械故障診斷識別率低的問題，分合閘線圈電流是反映斷路器主控制回路基本故障及彈簧機構故障的主要數據來源。對于不同的斷路器型號來說，其分合閘線圈電流的基本波形和特征參數也有所不同。通過收集不同型號斷路器的主要特征參數，依據斷路器特征參數建立斷路器分合閘標準模型。另外應將一定量的設備在安裝同樣性能可靠的傳感器的基礎上，將工廠試驗與帶電操作時測得的數據進行比較，能更有效體現在線監測的作用，并建立專家診斷系統來指導科學檢修并確保電網的可靠長期運行，從而提高斷路器故障診斷算法及智能診斷專家系統的適用性和準確性。

3.3 數據處理能力提升

傳感器的數據采樣在保持精度的情況下可適當降低采樣率，不需要完全追求海量的采樣數據。對于不同類型的在線監測內容，根據傳感器及設備特征設計相對應的數據篩選算法，通過算法對無效數據進行剔除，僅保留有效數據部分。

相比于傳統數據存儲和處理方法，新興的云計算技術成本低，且具備可靠性高、易擴展的優點，可以將云存儲和云計算技術有效利用到斷路器在線監測后臺數據應用過程中，提升數據處理的快速性和準確性。

3.4 展望

對于目前斷路器在線監測的報警結果應按缺陷類型進行劃分，并將斷路器在線監測功能引入變電站整體監測系統范圍。通過斷路器在線監測結果實時反映設備現場運行狀態，實現斷路器從計劃檢修到狀態檢修的轉變，減少人力物力財力的支出。

另外，斷路器在線監測也應緊密圍繞電力物聯網建設，深化應用人工智能技術，打造智能運檢變電站，充分利用現有系統資源，拓展功能應用，構建變電站智能運檢體系，實現對設備狀態全面實時掌控、設備異常主動分析預判、設備故障快速準確處置及現場作業行為安全管控。

4 結論

處于運行狀態的高壓斷路器，現場安裝在線監測裝置的技術難度較大。在線監測系統數據利用率不高，后臺識別算法不夠完善，整體故障診斷識別率低。針對此問題，對在線監測裝置的安裝實施以及系統算法升級提出了建議。通過斷路器在線監測對設備運行狀態進行綜合診斷，促進斷路器從計劃檢修到狀態檢修的轉變，對未來斷路器檢修策略調整及優化具有重要意義。