高壓斷路器動作特性監測及特征曲線分析

何有良，宋佳駿，戴明建，何東陽，王世旭

（1.大唐觀音巖水電開發有限公司，云南 昆明 650011；2.大唐水電科學技術研究院有限公司，四川 成都 610074）

0 引言

電力系統是現代社會中不可或缺的基礎設施之一，而高壓斷路器作為電力系統的重要組成部分，具有保護電力設備和人員安全的重要作用。高壓斷路器的正常運行對于電力系統的可靠性和穩定性至關重要。因此，對高壓斷路器的動作特性進行監測和分析，以了解其性能狀態和故障情況，對于預防電力系統事故和提高系統運行效率具有重要意義。隨著電力系統的不斷發展和擴大規模，對高壓斷路器的要求也越來越高。傳統的靜態檢測方法已經無法滿足對高壓斷路器性能的全面評估和監測需求。因此，需要開發和應用更加先進的動態監測技術來實時跟蹤高壓斷路器的動作特性[1-3]。

本文針對某電廠斷路器實際運行參數及結構，研究高壓斷路器的動作特性監測方法及特征曲線分析。首先通過分析高壓斷路器的基本結構及狀態參量，包括操作機構運動過程、傳感器安裝位置、在線監測基本要求等。其次，提出了一種非接觸式直線動作特性監測方法，同時對位移行程信號、線圈電流信號、儲能電機電流信號等進行監測。最后分析高壓斷路器的各項參數特性，為在線狀態評估和智能診斷提供參考。

1 高壓斷路器基本結構

斷路器是一種用于電網控制與保護的開關設備，應用于開斷各種大電流，包括：負荷電流、額定電流與故障電流。某水電站550 kV斷路器的銘牌參數如表1所示。

表1 某水電站斷路器參數

該斷路器內部結構如圖1所示，圖1中斷路器處于分閘位置，當斷路器合閘時，活塞桿向上運動，通過外拐臂轉為水平運動、然后通過導向桿、絕緣拉桿、內拐臂驅動拉桿、電阻動觸頭，帶動動主觸頭和電阻動觸頭，實現主斷口和電阻斷口進行合閘運動[4，5]。

圖1 斷路器結構圖

2 斷路器動作特性在線監測方法

2.1 位移行程信號取樣

采用非接觸式磁電傳感方式取樣行程信號，將磁柵尺或讀頭與斷路器機構運動部件牢固連接，并跟隨機構運動，感應出與行程線性相關的正交編碼脈沖信號，實現行程信號取樣。由斷路器結構圖可知，在分合閘運動時斷路器拐臂為水平運動，因此，本文設計直線運動的位移監測傳感器，其設計結構如圖2所示。

圖2 位移監測傳感器

圖3 電流傳感器

圖4 輔助開關空觸點信號采集

圖5 在線監測系統

圖6 S-t曲線

2.2 線圈電流信號取樣

采用穿心式霍爾電流傳感器取樣線圈電流和儲能電機電流信號。在靠近二次信號端子排的區域安裝轉接端子排；從二次引出儲能、合閘、分閘控制線到增加的轉接端子排；穿過電流傳感器后回到原端子排；穿心式霍爾電流傳感器，不影響二次回路可靠運行，信號采用雙芯雙絞屏蔽線傳輸，抗干擾能力強。

2.3 輔助開關空觸點信號

采用光電隔離模塊感知輔助開關空觸點信號；用專用連接線將輔助開關空接點的空端子排引出至在線檢測單元；采用光電隔離感知回路，抗干擾能力強。

2.4 在線監測系統組成

斷路器機械特性在線監測系統由斷路器機械特性在線監測單元、通信網絡、數據庫服務器工作站三個部分組成。監測單元采集斷路器觸頭位移行程信號、分合閘線圈電流信號、儲能電機電流信號、分合閘輔助開關空觸點動作信號，并將采集數據保存在單元本地。監測數據可以通過4G/5G無線網絡直接傳輸到數據中心，也可以通過手持式終端收集采集單元數據，再傳輸至數據中心[6-8]。

3 斷路器特征曲線分析方法

基于上述對斷路器動作特性數據的采集，在每一次斷路器分合閘時通過對動作特征數據監測繪制位移行程-時間曲線、分合閘線圈電流-時間曲線、儲能電機電流-時間曲線，本文將對斷路器監測特征曲線進行分析，旨在為斷路器的故障診斷和狀態評估提供借鑒[9]。

3.1 位移行程-時間（S-t）曲線

斷路器的行程-時間曲線是表征其動特性的基本數據，在壽命周期內，為保證其可靠運行，開關的動特性應保持不變，即S-t曲線的形狀和各個狀態特征參數應該基本保持穩定，變化在容許的范圍內。通過斷路器S-t曲線的歷史數據對比分析可以反映主觸頭運動狀態。

根據斷路器投運前或者離線測量的數據，將S-t曲線分為空程段S1、開距段S2、超程段S3和緩沖段S4。這四個階段分別反映了動觸頭在不同的運動狀態和受力情況。空程段是指動觸頭在沒有受到推動力之前的運動，開距段是指動觸頭在受到推動力后開始加速運動，超程段是指動觸頭在達到最大速度后開始減速運動，緩沖段是指動觸頭在接近靜止位置時受到緩沖彈簧的作用而減速運動。根據S-t曲線的變化特點，可以確定這四個階段所對應的時間值T0、T1、T2、T3,并產生標準波形的相關度C0、C1、C2、C3。根據S-t曲線，計算出動觸頭的最大速度和對應時間，以及剛分速度和剛合速度。最大速度和對應時間是反映機構的動作特性的重要參數，它們可以反映機構的加速能力和穩定性。剛分速度和剛合速度是指動觸頭在分合閘位置時的速度，它們可以反映機構的可靠性和安全性。啟動速度和緩沖速度，以反映緩沖彈簧的預緊力及阻尼力。

3.2 分合閘線圈電流-時間曲線

根據分合閘控制回路的線圈電流波形和輔助接點動作波形的分段分析可以反映操動機構的電氣和機械特征，通過特征值判斷推理，可以診斷操動機構的狀態[10]。

以合閘為例，如圖7所示，線圈電流有三個電流值、四個時間值和對應的四個波形相關度。定義分別為：

圖7 線圈電流-時間曲線

I1：鐵心啟動電流I1，定義為T0和T1之間的最大電流，表示鐵心開始運動時的電流峰值。反映鐵心啟動時所受的阻力大小，與機構卡滯或線圈繞組不良等故障有關。I1較大，表明鐵心啟動時所受的阻力較大，可能是由于機構卡滯或者線圈繞組不良等原因造成的。

I2：鐵心停止電流I2，定義為T1和T2之間的最小電流，表示鐵心與脫扣板接觸時的電流谷值。反映鐵心運動過程中所受的阻力大小，與機構潤滑或空程距離等因素有關。I2較大，表明鐵心運動過程中所受的阻力較大，可能是由于機構摩擦力過大或者空程距離過小等原因造成的。

I3：線圈工作電流I3，定義為T2和T3之間的最大電流，表示鐵心與脫扣板接觸后的電流峰值。反映線圈的直流電阻大小和機構脫扣時所受的最大阻力大小，與線圈老化或半軸扣入深度等因素有關。I3較大，表明線圈的直流電阻較大或者機構脫扣時所受的最大阻力較大，可能是由于線圈老化或者半軸扣入深度過深等原因造成的。

線圈電流波形劃分為T0、T1、T2、T3四個階段，并引入相關度參數C0、C1、C2、C3來量化每個階段與標準波形的差異。T0階段是從線圈通電到鐵心啟動的時間間隔，其相關度參數C0反映了線圈的繞組狀態和交流特性。T0階段的時間長度還與鐵心啟動阻力有關，因此可以用來檢測線圈是否存在短路、斷路或接觸不良等故障。T1階段是從鐵心啟動到觸碰脫扣板的時間間隔，其相關度參數C1反映了鐵心空程運動的阻力和距離是否正常。T1階段的時間長度與鐵心空程運動的阻力和距離成正比，因此可以用來檢測鐵心是否存在卡滯、變形或磨損等故障。T2階段是從鐵心觸碰脫扣板到半軸脫扣的時間間隔，其相關度參數C2反映了機構脫扣過程中的半軸扣入深度和阻力是否正常。T2階段的時間長度與半軸扣入深度和阻力成正比，因此可以用來檢測機構是否存在松動、變形或磨損等故障。T3階段是從半軸脫扣到輔助接點斷開的時間間隔，其相關度參數C3反映了機構慣性運動過程中的阻力和輔助接點動作情況是否正常。T3階段的時間長度與輔助接點動作時間有關，因此可以用來檢測輔助接點是否存在延遲、黏連或燒蝕等故障。。

3.3 儲能電機電流-時間曲線

儲能電機特征參數主要以儲能電機工作電流波形分段分析為主提取。

如圖8所示，各個參數定義分別為：

圖8 儲能電機電流-時間曲線

啟動段的電流峰值Ip和相關度C0是反映線圈內部過渡過程的指標。Ip與電機轉子和線圈夾角有關，具有較大的隨機性。C0是反映啟動時間T0的波形與標準波形的相似程度的指標。Ip和C0可以用來判斷線圈是否存在短路、斷路或接觸不良等故障，影響電機的啟動性能。

空轉段的電流峰值Ia和相關度C1是反映電機本身特性和阻力大小的指標。Ia與線圈電阻成反比，與轉子阻力大小成正比。C1是反映空轉時間T1的波形與標準波形的相似程度的指標。Ia和C1可以用來判斷電機是否空轉平滑，轉子是否有卡澀、變形或磨損等故障，影響電機的運行效率。

出力段的電流峰值Im和相關度C2是反映電機在拉伸合閘彈簧時的最大阻力大小和合閘彈簧性能的指標。Im與合閘彈簧彈性系數成正比。C2是反映出力時間T2的波形與標準波形的相似程度的指標。Im和C2可以用來判斷電機是否出力不足，合閘彈簧是否有斷裂、松動或失去彈性性能的故障，影響合閘動作的可靠性。

4 結論

針對某水電廠SF6斷路器實際運行情況，分析高壓斷路器動作原理，研究其結構和工作狀態，提出一種直線式行程監測方法，同時對斷路器分合閘多種狀態參量進行監測，及時檢測潛在的故障或異常。通過分析監測數據和特征曲線，包括位移行程、分合閘電流、儲能電機電流曲線，判斷斷路器的工作情況、故障類型以及其對電力系統的保護能力。本文通過對高壓斷路器動作特性的監測和特征曲線的分析，我們可以全面了解其性能和狀態，文中所述特征量可以用于性能評估、設計優化和故障診斷等方面的研究，為斷路器全面狀態評估提供參考。