高壓斷路器動作特性監測新技術研究與應用

劉 洋，王昭斐，馬 遜，趙 勇，南 洋，夏博雅，王德敏

（國網北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺 100071）

電能作為重要的二次能源資源，在現代經濟和人們生活中起到關鍵性作用，隨著經濟和社會的不斷發展，對電能質量和可靠性方面的要求越來越高，高壓斷路器作為重要的電力系統一次設備，其安全可靠運行是電網穩定運行的前提條件。

目前，主要是通過對高壓斷路器進行定期的停電例行檢修維護來判斷斷路器的工作狀態，但是隨著用戶對供電可靠性要求的不斷增加，停電檢修難度加大，只通過目前例行的停電檢修維護遠遠滿足不了斷路器狀態判斷的要求。

因此，研究者們提出了高壓斷路器在線監測技術[1-6]，即在斷路器不停電的基礎上，對斷路器進行狀態操作以及電網改變運行方式的過程中，通過實時監視斷路器的分、合閘線圈在動作過程中的電流波形變化，判斷斷路器工作狀態，結合數據庫中的歷史數據來分析斷路器的運行狀態的技術。同時，對斷路器的運行狀態進行綜合評估，從而及時發現斷路器可能存在的隱患和問題，并采取主動積極的管控措施，將問題解決在萌芽階段，確保電網的安全可靠運行。

1 國內外有關斷路器監測技術的研究

目前，國內外對斷路器的動作特性在線監測技術方面都有研究[7-9]，雖然國內的研究起步較晚，但也取得了豐碩的成果。同時，許多科研單位及廠家也對斷路器動作特性在線監測裝置有所研究[10-12]，通過調研及現場實驗分析，這些裝置普遍存在著監測數據精度低、可靠性差、裝置故障率高及維護困難等問題。本文基于分合閘線圈電流信號，研究開發的高壓斷路器動作特性在線監測裝置，經過現場大量數據實驗驗證，該裝置具有原理先進、操作簡單、監測精度高級檢修維護方便等特點，已經廣泛應用于國網北京電力公司、國網冀北電力公司等多家網省公司，并取得了良好的經濟效益。

2 高壓斷路器在線監測裝置總體設計

斷路器動作特性監測裝置是利用霍爾電流傳感器采集分、合閘線圈工作過程中線圈電流隨時間變化波形曲線，來分析判斷斷路器機構動作狀態的一種新技術。裝置主要由信號采集模塊、數據處理模塊和數據分析模塊三大部分組成。其示意圖如圖1所示。

圖1 高壓斷路器在線監測裝置的組成

根據線圈電流波形曲線的變化，結合線圈鐵芯運動過程，大致分為5 個階段，每個階段分別對應鐵芯不同的運行規律，如圖2所示。

圖2 典型線圈電流曲線

t1時刻：線圈鐵芯克服自身阻力開始運動。分合閘線圈中的電流從零開始以指數形式增加，當電流增加到一定值時，電磁吸力大到足以克服復位彈簧彈力和鐵芯自身重力之和，鐵芯開始運動。

t2時刻：鐵芯碰觸到斷路器脫扣器。隨著鐵芯開始運動，速度逐漸增加，電流出現降低，直到鐵芯頂桿碰觸到脫扣器。但由于現有斷路器鐵芯行程普遍較短，在現場實測t2點時刻的電流波形往往不明顯。

t3時刻：鐵芯推動脫扣器，斷路器脫扣，斷路器主觸頭開始隨機構動作，實現分合閘。鐵芯頂桿碰觸到彎板，鐵芯的運動速度降低，電流再次增加。鐵芯運動到t3時刻，鐵芯達到了最大行程并保持在此位置。此時的電感為另一常數，電流按指數規律上升到穩態值，電流穩態值由電源電壓和線圈電阻決定。

t4時刻：斷路器設備主觸頭分/合閘動作完成。

t5時刻：斷路器輔助接點斷開，切斷分/合閘控制回路。當然，實際現場測試結果可能與理論波形有所區別，但是正常的線圈電流波形曲線大致一致。

經過分析，從定性角度考慮得出結論：鐵芯動，電流降；鐵芯靜，電流升。通過分合閘線圈電波形隨時間變化的波動趨勢，判斷分合閘線圈卡澀、三相脫扣時間一致性、機構運動不穩定、線圈匝間短路以及傳動或轉動部件嚴重卡澀等隱患。

3 斷路器動作特性監測裝置的應用

基于此斷路器動作特性在線監測裝置，2021年3 月對某變電站220 kV 組合電器設備進行斷路器動作特性的測試工作，積累相關數據，為之后數據的分析對比奠定基礎。

分析圖3～4的監測結果，可以得到：斷路器三相分合閘動作時間、分合閘動作同期較為一致，滿足廠家規定要求，斷路器機構動作正常，不存在鐵芯卡澀、線圈卡澀、脫扣器卡澀、線圈卡澀等問題，整體分析結果表明斷路器狀態基本正常。

圖3 某變電站220 kV斷路器分閘線圈電流波形（1）

圖4 某變電站220 kV斷路器分閘線圈電流波形（2）

通過對圖5 中斷路器合閘線圈電流波形進行分析，雖然從整體波形分析看，斷路器的合閘時間、合閘同期合格，但斷路器在完成合閘脫扣后，波形發生不規則的波動，說明斷路器機構存在卡澀問題，須加強觀察。

圖5 某變電站斷路器合閘線圈電流波形

4 結束語

針對傳統斷路器動作特性檢測手段單一，無法實現對斷路器機械特性實時監測的問題，本論文采用基于分合閘線圈電流波形分析斷路器運行狀態檢測技術，為解決采用傳統方式檢修存在的漏洞提供了一種很好的彌補手段。實現斷路器機械特性的在線實時監控；隨著數據量的不斷積累，建立各種型號的斷路器分合閘線圈電流波形“指紋數據庫”，利用先進的算法分析技術，實現實時在線分析、異常報警等功能，及時判斷斷路器運行狀態，為制定斷路器檢修策略提供數據支撐。通過現場驗證及應用，達到預想的效果。