ZN42-27.5型真空断路器在线监测系统的研究

文松发，郎 兵，刘 苹，赵 隽，郭立飞，曹波涛

0 引言

国内电气化铁道牵引变电所中27.5 kV牵引侧广泛采用真空断路器来通、断负荷电流和切断短路电流。昆明铁路局昆明供电段85%的牵引变电所及接触网地处高原山区，运行环境恶劣，加之山区雷电频繁，馈线瞬间短路普遍，从而导致变电所断路器特别是馈线断路器频繁动作，断路器出现故障的几率大大增加。如果断路器故障而未及时发现并排除，那么在运行中就有可能因断路器拒动而不能及时跳闸切除短路故障，造成供电沿线电气设备烧毁，或造成越级跳闸，使停电范围扩大。导致真空断路器机构故障的根本原因是：真空断路器频繁跳闸，加速了断路器机构传动部件的磨损，使断路器几何参数变化失衡而导致其电气控制回路和机械传动机构产生故障。

目前，牵引供电系统普遍采取对高压电气设备（如断路器）进行离线方式的定期预防性试验和检修（或称为计划检修）[1]，这对防止设备故障的发生，保证供电安全起到重要作用。但该检修模式的弊端在于电气设备的离线试验和在线工作的不一致性、以及定期检查和维修的盲目性、过度维修等，使设备运行中的故障率仍很高。所以，开展牵引变电所真空断路器的在线监测工作，实时了解设备的在线工作性能，及时发现其异常和故障，合理安排检修（状态检修），对于确保供电设备安全性、可靠性具有重要意义[2]。下文针对昆铁电气化牵引变电所广泛使用的ZN42-27.5型真空断路器所研究开发的在线监测系统，从系统结构、功能、安全性、监测分析原理、试验结果等予以全面介绍。

1 在线监测系统的结构及组成

针对ZN42-27.5型真空断路器所研究开发的在线监测系统包括真空断路器在线监测装置、监控计算机（含有监测分析软件）以及监测装置和监控计算机间的光纤通信网络3个组成部分。通过该系统可同时监测牵引变电所的多台真空断路器，系统结构如图1所示。

1.1 真空断路器在线监测装置

ZN42-27.5型真空断路器为户内单相交流高压断路器，其操作机构为弹簧储能式，安装于变电所开关室的网栅间隔内，根据其内部结构及运行要求设计开发的真空断路器在线监测装置，由传感器和数据采集单元构成。采用电流传感器和电压传感器，实现对断路器分（合）闸操作过程中直流控制回路的电流、电压的在线监测，以及储能电机运行过程中的电枢电流、电压的在线监测。采用拉线式位移传感器和振动传感器，实现对断路器分（合）闸操作过程中动触头位移变化以及断路器振动的在线监测。数据采集单元以数字信号处理器（DSP）为核心，采用12位A/D同步采样技术，保证在断路器进行分（合）闸操作时控制回路电流、控制回路电压、动触头位移以及开关振动的采样数据同步。采样数据经装置的CAN通信接口通过系统的光纤通信网络实时上传至监控计算机进行存储、分析、计算。监测装置构成原理如图2所示。

图1 真空断路器在线监测系统结构图

图2 真空断路器在线监测装置构成原理图

1.2 监测装置的安装及安全性分析

真空断路器在线监测装置安装在ZN42-27.5型真空断路器本体上，该安装位置与断路器的高压部分完全隔离，与断路器的操作机构相对独立，不会对断路器的正常运行及操作造成影响。

该装置采用的拉线式位移传感器是反应断路器分（合）闸过程中动触头位移变化的关键元件，其安装必须满足2个要求：

（1）拉线式位移传感器的移动拉绳需要连接在与动触头相连的部件上，以精确反映动触头的位移变化。

（2）拉线式位移传感器的移动拉绳必须与动触头相连的带电部件高电压可靠绝缘。

所以，该装置设计了符合上述要求的拉线式位移传感器的安装方式。位移传感器固定安装在断路器车架底座上。采用环氧树脂绝缘材料制作了Г形绝缘连接拉杆。其中，横向拉杆一端通过螺栓固定在动导电杆的末端；纵向拉杆一端与位移传感器的移动拉绳相连。该安装方式保证了位移传感器移动拉绳与动触头的联动。对该安装方式进行了工频耐压试验，在断路器导电体与地之间分别加工频电压25，50，70 kV，持续时间均为2 min，未发生导电体沿Г形绝缘连接拉杆对地的放电现象，说明该安装方式具有可靠的绝缘性能。

该装置采用的振动传感器是反应断路器在分（合）闸操作过程中开关振动情况的关键元件，是确定断路器分（合）闸时间的重要依据。振动传感器的安装位置必须满足2个要求：

（1）充分反映断路器纵向上动、静触头在分离或碰撞时刻的振动情况。

（2）与断路器带电部分要可靠绝缘。

所以，符合上述要求的安装位置在断路器车架底座上，靠近电流互感器瓷外壳旁。

可见，监测装置及各种传感器安装在真空断路器本体上，不仅可保证各种电气状态量（电流、电压）以及机械状态量（位移、振动）的精确变换采集，而且保证与断路器的高压带电部分的可靠绝缘，不会对断路器的正常操作及运行造成影响。

1.3 监测分析软件

监测分析软件是在线监测系统的核心，通过该软件可对被监测的真空断路器的健康状况进行判定。当变电所某台被监测的真空断路器进行分（合）闸操作后，该断路器的在线监测装置将分（合）闸时直流控制回路的电流、电压采样数据，合闸时储能电机的电枢电流、电压采样数据，动触头位移采样数据以及断路器振动采样数据实时上传至监控计算机，监测分析软件将根据该采样数据生成采样录波数据文件和波形文件，绘制电流、电压、位移、振动的录波曲线（图3—图5）。计算出该次分（合）闸操作的电气特性参数和机械特性参数，从而对断路器控制回路的异常和故障进行分析及预测，对断路器的机械性能是否满足要求进行分析；计算出储能电机运行过程的电气特性参数，从而对储能电机、储能弹簧的故障进行分析及预测。

图3 合闸录波曲线图

图4 分闸录波曲线图

1.4 监测系统的通信网络

在线监测装置与后台监控计算机之间组建的通信网络采用CAN总线通信形式。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性，抗干扰能力强。考虑到监测系统所运行的牵引变电所装有动态无功功率补偿装置（SVC）,所内电磁干扰较强，所以在该系统中，CAN总线的通信介质采用光纤，使监测系统通信环节的抗干扰能力进一步增强。

图5 储能电机录波曲线图

2 在线监测分析原理

监控计算机的监测分析软件将依据各监测装置上传来的采样数据，计算出断路器分（合）闸操作的电气特性参数和机械特性参数，并根据该参数的变化判断断路器可能出现的异常和故障。

2.1 分（合）闸电气特性参数

断路器每次分（合）闸操作时所表现出的电气特性参数如下：

（1）电流特征值I1及对应时间T1，对应图3、图4中电流曲线的第1个峰值点。

（2）电流特征值I2及对应时间T2，对应图3、图4中电流曲线的第1个谷值点。

（3）电流特征值I3及对应时间T3，对应图3、图4中电流曲线的第2个峰值点。

（4）电流特征值I4及对应时间T4，对应图3、图4中电流曲线的最早零值点。

（5）电流上升率k，k = I1/ T1。

（6）电流峰谷差I12，I12= I1- I2。

（7）电压特征值 U，对应图3、图 4中的电压曲线。

2.2 分（合）闸机械特性参数

断路器每次分（合）闸操作时所表现出的机械特性参数如下：

（1）分（合）闸时间tf（th）。综合图3、图4中位移曲线和振动曲线，通过位移曲线所反应的位移变化，确定振动信号处理的区段，在该区段中对振动信号采用短时能量法[3]进行处理，从振动信号中准确地提取断路器的分（合）闸时间。

（2）动触头行程S，对应图3、图4中位移曲线的首末之差。

（3）分（合）闸速度 V，由动触头行程与分（合）闸时间计算得出。

（4）合闸动触头弹跳次数n及弹跳时间Th，由图3中位移曲线的波动情况确定。

（5）分闸动触头反弹幅度Hf，对应图4中位移曲线的第1个反弹点。

2.3 储能电机电气特性参数

（1）电流特征值I1及对应时间T1，对应图5中电流曲线的第1个峰值点。

（2）电流特征值I2及对应时间T2，对应图5中电流曲线的第1个谷值点。

（3）电流特征值I3及对应时间T3，对应图5中电流曲线的第2个峰值点。

（4）电流特征值I4及对应时间T4，对应图5中电流曲线的最早零值点。

（5）电压特征值U，对应图5中的电压曲线。

（6）储能电机带载运行做功W，依据图5中电流i和电压u，计算W = ∑uit。

3 试验结果分析

为验证监测系统的有效性，特对被监测的ZN42-27.5型真空断路器的直流控制回路及机械传动机构设置一些异常和故障，以检验在线监测系统对该异常和故障的反应能力，特别是通过试验找出不同的故障与断路器各种电气特性参数和机械特性参数间的内在联系规律。以下是其中的一些试验结果与结论：

（1）断路器直流控制回路异常试验（控制回路卡滞）。在断路器合闸线圈上增加弹簧，以增大线圈吸合的阻力，模拟卡滞问题。进行断路器合闸操作，从监测分析软件提取断路器合闸过程的电气特性参数和机械特性参数，比较测取参数与正常合闸参数发生变化的情况，试验结果见表1。

通过对卡滞试验结果与正常试验结果的对比可得：合闸控制回路发生卡滞后，I1增大，T1增大，I2增大，T2增大，k减小，I12减小，th增大，V减小。所以，以上特性参数的变化可作为断路器直流控制回路发生卡滞故障的判断依据。

表1 直流控制回路异常试验参数对比表

（2）断路器机械传动机构异常试验（分闸挚子调低）。将断路器的分闸挚子调低。进行断路器分闸操作，从监测分析软件提取断路器分闸过程的电气特性参数和机械特性参数，比较测取参数与正常分闸参数发生变化的情况，试验结果见表2。

表2 机械传动机构异常试验参数对比表

通过对分闸挚子调低试验结果与正常试验结果的对比可得：分闸挚子调低后，tf减小，V增大，其他特性参数变化不大。所以，单纯的分闸时间tf减小，V增大，可作为断路器分闸挚子位置不合适，需要进行调整的判断依据。

（3）储能弹簧变软试验。将断路器正常的储能弹簧更换为拆旧回来的老化弹性不足的弹簧 A和B，分别进行断路器合闸操作后，储能电机运行，从监测分析软件提取储能电机的电气特性参数，比较换弹簧前的参数与换弹簧后的参数发生变化的情况，试验结果见表3。

表3 储能弹簧变软试验参数对比表

通过对换弹簧前的试验结果与换弹簧后的试验结果对比，可得：I2减小，I3减小，W减小。储能电机在每次运行时，监测电枢电流特征值I2和I3的变化趋势，以及电机做功的变化趋势，特别是重点关注其下降减小的趋势，对于判断断路器的合闸储能弹簧是否老化很有帮助。

4 结语

针对ZN42-27.5型真空断路器所研究开发的在线监测系统实现了真正意义的牵引供电系统电气设备运行状态的监测与管理，断路器不论是在试验位置还是在运行位置的每次分（合）闸操作后，其过程的各种电流、电压、位移、振动等状态量均以文件的形式被实时存储、管理，依据这些状态量计算出的电气特性参数和机械特性参数对当前断路器的健康状况给与量化说明，使运行人员能准确地了解断路器的运行状况。检修人员可根据电气特性参数和机械特性参数以及这些参数的变化趋势判断断路器的异常和故障，有针对性的合理的安排检修，避免了大量的盲目检修，这对保证牵引供电系统高压设备的可靠运行具有重要的意义。

[1]铁道部. 牵引变电所运行检修规程[M]. 北京：中国铁道出版社，2000.

[2]鄢备. 铁路牵引变电所在线检测系统方案的探讨[J]. 电气化铁道，2009，（5）：15-17.

[3]孟永鹏，贾申利，荣命哲. 真空断路器机械特性的在线监测方法[J]. 高压电器，2006,（1）：31-34.