浅谈高压断路器在线监测技术

唐锦涛 陈延辉 陈东风 周 凯 姚帅业

（平高集团有限公司，河南 平顶山 467000）

概述

高压断路器是能关合、承载、开断运行回路的正常电流，也能在规定时间内关合、承载及开断规定的过载电流（包括短路电流）的开关设备。它是电力系统中最重要的控制和保护设备，其工作特点是瞬时从导通状态变为绝缘状态或者瞬时从绝缘状态变为导通状态。按灭弧原理分，目前用的较多的是真空断路器和六氟化硫断路器。

随着国家农网改造及电网建设的发展，市场对高压断路器产品的需求越来越多，为满足我国发展坚持智能电网的需求，对高压断路器产品运行状态进行监测是保证设备可靠运行并有效检修的重要内容，是确保电力系统安全运行及对电力设备可靠运行的有效途径。当前高压开关产品在线监测技术已经在相关行业内得到研究，并且许多在线监测技术已经在电力系统内得到应用，备受电力系统管理人员的青睐。在未来电网发展当中，在线监测技术的应用必将成为主流，替代原有传统的监测技术。高压开关制造厂家，为在未来电力市场内得到绝对话语权，在现有的产品上添加在线监测技术及在新产品研发初期考虑采用在线监测技术，必将成为未来发展之趋势。

1 断路器状态的监测方法介绍

据笔者对断路器状态监测方面的了解，断路器状态的监测方法，由最初的停电监测、带电测试，发展到当前的在线监测。

1.1 停电监测

停电监测就是定期或者在发现异常时，对某段电力系统进行断电，并对该段的电力设备进行检查、测试，对监测的结果，采取必要的措施进行预防故障发生，或者对监测到的问题进行及时解决的方法。该方法需要断电，对电力系统影响较大，在现在及未来电力的发展中将被逐渐淘汰。

1.2 巡视检查

巡视检查由有经验的专业人员进行，具有简便、直观和一般性的特点，是参与状态检修的最基本手段。

1.3 预防性试验

高压断路器预防性试验是目前用作掌握设备状态的主要方法。开展状态检修必须加强预防性试验工作，但测试数据的可信度常受测试环境、仪器性能、测试方法和测试人员素质等因素影响。

1.4 带电测试

带电测试是被测设备不需要停电即可进行测试，根据需要或按预定周期进行，但带电测试工作的安全性有待进一步加强。

1.5 在线监测

在线监测能使设备实时处于工作参数的监控当中，及时发现设备状态量的实时变化趋势，易于捕捉到突变的信息量，及时发现设备存在问题，反映设备的实时状态，便于电力设备管理人员进行科学管理。在线监测比常规停电监测能更及时、更有效地发现设备早期存在的缺陷，比预防性试验更直观准确，且比带电监测更加安全，避免了停电监测因停电带来的损失等，因此在线监测是实行设备状态检修的重要基础，是电力系统所向往的监测手段。但目前高压开关产品在线监测技术存在研发难度大且投入大的因素，因此在线监测技术在电力系统的的应用存在成本高，推广难度大的问题。

2 在线监测技术

2.1 六氟化硫断路器的在线监测

2.1.1 SF6气体的监测

SF6气体的耐压强度取决于气体密度，即单位体积内SF6气体的分子数，而不是气室压力。因此为保证气体绝缘设备的安全可靠运行，应监测SF6气体密度。但在实际工程实践中要监测气体的密度是困难的，因为气体绝缘设备的体积是一定的，只要没有发生气体泄漏，就能保证SF6气体的密度不会发生变化。因此在高压断路器产品的设计中常采用压力表来监测SF6气体的压力，将监测结果与SF6气体的压力——温度曲线相对照或与其历史记录进行比较，从而判断SF6气体是否发生泄漏，断路器电气绝缘是否能够达到安全性能的要求。当监测到高压断路器气室内的压力将要达到闭锁压力时，监测系统可及时发出压力不足信号，或者直接对设备进行补气，避免电力系统突然断电事故发生。

2.1.2 水分在线监测

SF6高压断路器对水分值的要求很高，若断路器气室内的水分值过大，将大大的降低SF6绝缘强度，导致设备在运行中发生闪络现象，甚至有可能造成设备不能断开而产生爆炸的事故。水分在线监测主要是通过仪器与断路器气室直接相连，并实时监测断路器本体内的水分值，当水分值达到预定的安全极限值时，在线监测系统就会及时报警，提醒电力设备管理人员采取必要措施进行处理。

2.1.3 绝缘强度监测

绝缘强度是衡量电气设备安全性能、可靠性的重要指标。绝缘损坏是电气故障的首要原因。断路器长期使用，绝缘出现老化，性能会下降，绝缘子或瓷瓶表面污秽积累，会造成局部放电现象。检测局部放电是预防绝缘击穿最好的手段。局部放电监测通过射频传感器检测与分析局部放电发射出的射频信号，确定出局部放电的严重程度，得到绝缘蜕化信息，进而可采取必要措施进行处理。

2.1.4 机械特性监测

机械特性监测通过安装于操作机构操作杆或断路器本体花键轴上的位移传感器 (直线型、旋转型、复合型(直线+旋转))，利用脉冲计数或变电阻等方式，得到断路器操作过程中的行程——时间特性曲线，分析计算行程曲线，可以得到动触头行程、超行程、平均分(合)闸速度、刚分(合)速度、分(合)闸时间、分(合)闸速度等参数，以此判断断路器的机械性能、机械寿命等。

2.1.5 分合闸线圈电流波形的监测

分合闸线圈是断路器实现正常操作及故障保护时的重要元件，其电流波形可以识别出早期机械故障，通过仪器检测电流波形，并将监测波形与断路器特性值和典型波形进行比较、分析，从而判断是否有异常现象。

2.2 真空断路器

2.2.1 灭弧室触头磨损监测

断路器不论正常开断还是故障开断都会使触头表面熔损而变薄，操作越频繁开断电流越大，触头表面磨损就会越厉害。触头磨损监测由检测器和显示器两部分组成。检测器组装在真空开关触头弹簧旁，显示器可装在便于观察的柜门或控制室内。其借助真空断路器的分、合闸动作，触头弹簧的压缩或伸长的同时，通过微动开关各触点按规定超程尺寸实现相应开闭动作，从而对磨损度进行监测。

2.2.2 灭弧室电寿命监测

真空断路器灭弧室的电寿命取决于灭弧室的触头材料、结构及开断电流的大小。由于电弧对灭弧室内某些部件(触头、喷口)的烧蚀，一台断路器只能完成一定次数的开断操作，直接检查烧蚀程度在工程上是很困难的，应采用间接方法。最常用方法为在线监测、累计开断电流次数(特别开断故障电流次数)，依据厂家提供的累计开断电流次数与触头电弧磨损特性参数图表来判断灭弧室的烧蚀情况，从而判断灭弧室的电寿命，做到及时的更换设备，避免电力事故的发生。

2.2.3 真空度在线监测

真空断路器的灭弧原理是利用真空绝缘从而实现灭弧。真空寿命是真空断路器所特有的。真空度在线监测是在不改变断路器主体结构以及带电条件下，无论断路器处于合闸或分闸状态，都可随时监测其真空度的变化。真空度在线化的有力手段，从目前生产运行的情况看，温度在线监测有良好的应用前景。

（1）红外热像仪在高压电气设备的温度监测中，红外热像仪已被广泛的应用，对高压电气异常发热的诊断十分有效，对高压断路器而言，亦可通过检测导电回路电阻是否正常，从而来判断开关触头是否良好，如果触头接触不良，其接触电阻要增加，热损耗功率必然增加，红外热像仪灵敏度极高，能很方便的测出。

（2）以电工功能材料为温度敏感元件的监测器。采用的电工功能材料是一种高分子PTC（正的电阻温度系数）热敏材料，其电阻率随温度成非线性变化。

（3）通过监测温度敏感元件电阻的变化趋势，当温度升高到一定幅度时，监测系统会迅速报警，并会自动采取必要措施进行保护。

结语

高压断路器作为电力系统中最重要的控制和保护设备，其性能与可靠性直接关系到电力系统的运行安全。在线监测技术监测的内容丰富，并能迅速的对信息进行处理，对提高断路器故障的识别、分析、诊断和处理有着极大的辅助作用。在当前经济社会快速发展的大背景下，经济建设大幅迈进，电力设备需求大幅增加，对其连续、安全、可靠、有效运行要求越来越高。为加强设备高效科学管理，保证设备状态检修的需要，应用在线监测技术已成为一种必然的发展趋势。在线监测技术能够实现设备在运行状况下的实时监测，有着其他检测方法不可比拟的优势。高压开关设备制造厂商为在未来获取更大的电力设备市场，保证其产品在未来运行当中更加安全、可靠、有效，对现有的产品进行改进采用在线监测技术，并考虑在产品研发过程中使用在线监测技术，必将成为一种发展趋势。

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