高压断路器机械特性在线监测关键技术研究

2020-02-22鲁周勋

通信电源技术 2020年2期

鲁周勋

（中国南方电网有限责任公司，广东广州 510060）

1 高压断路器机械特性在线监测原理

高压断路器绝大部分事故源于机械方面的原因，根据调查和统计可知，全国高压开关设备运行断路器最严重的机械故障是误动和拒动[1-4]。一般有两方面的内容会导致这种机械故障，一方面是因为机械部件脱扣失灵，机械部件位移、损坏和变形，或者是分合闸铁心松动、轴销断裂、机构卡塞等，导致传动系统和操动机构的机械生效无果；另一方面则是因为接线错误、二次接线接触不良、分合闸线圈因转换开关不良或机构卡塞而烧损，以及合闸接触器、操作电源、微动开关失灵等故障，造成辅助回路的故障以及电气控制。

通过对产品成本的综合性考虑以及结合当今能够达到的技术水平，根据文中所描述的原因，监测断路器的机械特性可能还需要做到如下两点[5-6]。

（1）监测分合闸过程中动触头的位移，依次形成时间特性曲线，通过形成的时间特性曲线可计算出触头行程、分合闸速度等参数。

（2）在整个分合闸的过程中，监测并且记录下线圈的电流波形，以其变化来进行推测，从而得出断路器机械故障的趋势，并得到固有分合闸时间等参数。

2 机械特性在线监测关键技术

2.1 触头行程、速度监测

行程测量的基本要求有如下两点，在不影响原有机构的绝缘性以及机械性的基础上，又能将断路器的行程特性真实的反映出来；同时，还要方便安设，也就是监测传感系统要有足够强的适应性。目前，传感器主要包括3种，一种是导电塑料电位器，用的最多，另一种是光电式光栅编码器，最后一种是差动变压器式位移传感器。使用差动变压器式位移传感器进行在线监测，其测量精度会因为强大的电磁场而大大降低。为了在动触头的连动部件上将传感器正确安装，直接将其直线位移曲线准确测量出来，并同时能够提高位移信号在传输过程中的抗干扰能力。这类传感器线性度好，制作成本较低，相比普通传感器，它的测量精度也较高。但其体积较大，不方便安装，如在绝缘拉杆处安装位置有限。针对不同断路器实际情况，也可以选用导电塑料电位器替代，其主要参数如表1所示。

在此基础上，在实验中，通过监测得到了两种传感器的行程曲线，如图1所示。

图1 两种导电塑料位移传感器的测量曲线

200次数据的统计曲线如图2和图3所示。

图2 分闸初始点对应的角位移曲线和直线位移曲线的电压值

表1 精密导电塑料电位器的主要参数

图3 合闸初始点对应的角位移曲线和直线位移曲线的电压值

统计结果表明，波形的重复性十分好。基于这个实验结果，取一组有代表性的试验数据制成直线位移-角位移关系表格，供机械特性数据处理程序使用。这样可以将测量数据的处理过程大大的简化。

当回路中出现电流时，系统记录下该时刻，作为断路器动作起始时间。

监测和离线监测有所区分的原因如下，监测过程是在断路器运行过程完成的，它无法直接监测到动触头的换位信息，一方面是由于开断过程中伴随了燃弧现象的发生，另一方面是触头尚处于母线的高压状态。如图4和图5所示，由此可确定固有分合闸时间。

触头的变位信息仍然由大量离线下的试验来确定。对于两种不同的计算区间，除变位点之外的其他点的确定则根据离线试验所得到的直线位移-角位移的对应关系表格来确定，并在计算程序中以常量的形式出现。实际使用过程中，只需根据不同的测量要求修改这些常量即可。

一般断路器的生产厂家对刚分速度的定义没有明确的规定，出厂试验报告上一般也不出现刚分速度的测量值。但由于刚分速度在很大程度上反映了断路器机构的运行状态，所以在本系统中加入此测量项目。刚分速度计算区间的选取原则是在保证各次计算值稳定的前提下，所取区间越短越好。通过多次试验，最后确定采用触头分离点和它之前10个点（2 ms）之间的斜率来表示动触头的刚分速度[6]，如图6所示。

2.2 分合闸线圈电流监测

许多非常重要的信息都包含在分合闸线圈的波形中，可以用于诊断机械故障。本次通过霍尔磁平衡式电流传感器来监测，主要目的是为了不改变现有状态下的整流电路。但是这样整流桥前后的一些电流波形中所包含的信息量将会保持不变。这是因为只经过了整流电路所致。

图4 固有合闸时间

图5 固有分闸时间

图6 分合闸速度

由于霍尔传感器的响应时速度较快，跟踪速度快，失调电流小，线性度好，动态领域大，所以有利于保证整个测量系统的精准度和稳定性。此外，霍尔传感器的类型为线路板直接焊接型，体积相比其他小，因此在监测单元内部的信号条理板上可以安装，在输出信号传输过程中，外界电磁的干扰也可以避免。

在测量时，选用的电流传感器是JT5-B跟踪型霍尔电流传感器，其典型参数如表2所示。

表2 霍尔电流传感器的主要参数

对线圈电流做100次分合闸操作的电流波形如图7所示。

图7 合闸操作电流波形

分合闸线圈的基本电压平衡方程式为：

在电感性电路的方面，在电流的上升阶段（T0～T1），i必须按指数规律慢慢增大。这是因为在电路中的电流到线圈电流i的这一阶段中在线圈通电后不可出现跃变。在大体上其中的磁通会依照指数的规律增长，是由于磁路在线圈通电之前是处于不饱和的状态。在触动阶段时，电流表达式为：

在电磁的反作用力比电磁的吸力小时，衔铁便会开始逐渐运动。此刻运动反电动势就将在线圈中产生，运动反电动势将阻碍电流增长iv·dL/dx。因为衔铁最初的速度比较小，在总的反电动势中，运动反电动势还没有占据主要地位。所以在线圈中，此时的电流会慢慢增长。不过当衔铁的速度慢慢增长之后，运动反电动势也将会随着衔铁的速度不断地增长。当它增长至某个一定数值时，此时线圈中的电流便会逐渐减小。所以在这个阶段中，线圈电感是反电动势的主要来源，此时依旧可以用式（2）来表示线圈电流。此外，因为在该式中线圈电阻R为一个不变的定值，所以在T0～T1的阶段，依然可以反映出线圈本身阻抗和控制电源电压的变化。

在电磁铁吸合的过程中，可通过第二阶段T1～T2看出，当衔铁的速度慢慢增长时，主导地位将会被运动反电动势占据，其中电流很显然在开始减小。因此可得出一个结论，线圈的参数以及衔铁运动的速度，决定了电流减小的幅度和速率。当衔铁运动到触及负载而速度减小，运动反电动势则会慢慢下降，直至吸合位置后，运动反电势将再一次变为零。这时机械运动的过程结束，而在新的基础上，线圈的电流则会重新增长。因此，在T1～T2这段时间，可以看出在运动的过程中电磁铁芯会不会出现一些故障。以后经过电磁过渡过程T2～T3，线圈电流和磁通逐渐增长，直至达到它们的稳态值。当动作过程全部完成时，将打开主回路的辅助触点，电流又按指数规律下降至零。。

要分析分合闸线圈电流的采样数据，可以统计分合闸次数、分合闸时间（接到动作命令到主触头打开的时间）、分合闸状态、辅助触点状态和储能电机启动次数。这都属于开关量信息，可由智能单元直接采集计算。