断路器监测及故障诊断分析

谢军

摘 要：低压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，其可靠运行对电力系统的安全、稳定至关重要。本文首先选取了个低压断路器状态监测特征参数，然后根据这六个参数对断路器故障进行诊断分析。

关键词：断路器；监测；分析；

文章编号：1674-3520（2015）-08-00-01

低压断路器是低压输配电网络中最重要的基础元件之一，大量应用于建筑物低压供配电系统中。低压断路器的故障不但会造成停电事故，甚至会危及供电线路和用电设备的安全，从而造成更为严重的经济损失。同时，由于低压配电设备在建筑领域大量使用，也使得因为电气设备异常温升而导致的电气火灾数量和造成的损失不断增加，对人民的生命财产安全和国家工农业发展都产生了负面影响。据统计，“八五”期间，我国的电气火灾总数为48375起，占火灾总数的24.1%，据各类火灾原因的首位，这其中就有由于低压断路器接线端子接触不良而导致的异常温升引起的火灾。因此，状态监测与故障诊断技术是实现电力设备状态检修的基础性技术，低压断路器状态监测和故障诊断为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。

一、低压断路器状态监测特征参量的选取

低压断路器的状态监测内容是建立在对故障的统计和分析之上的操动机构包括2个部分，一是机械传动部分，二是包括控制机械部分，包括合、分操作的控制回路和辅助回路，如接线端子、接触器、辅助开关、分合闸线圈、微动开关、电机、气体继电器、安全阀等二次元件，控制机械部分简称二次部分。目前低压断路器机械故障的监测和诊断在低压断路器的状态监测中占很重要的地位，断路器的开断电流的大小对于判断断路器的电寿命是必不可少的条件。因此，对处于工作电压的元部件进行监测对判断断路器的运行状况也是非常重要的。综上所述，通过对断路器故障的统计，在分析研究的基础上，本文归纳出SF6断路器的在线监测内容及特征：分、合闸线圈电流分析，断路器振动信号分析，开断电流信号分析，断路器的动作特性分析和断路器的温度监测。

二、低压断路器状态监测特征参量的特性分析

（一）分、合闸线圈电流分析。电磁铁是低压断路器操动机构中的重要元件之一，低压断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一级控制元件。合、分闸线圈的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过铁心的动作，再转化为机械功输出。大多数断路器均以直流作为控制电源，故直流电磁线圈的电流波形中包含着可作为机械故障诊断用的重要信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁门或阀门以及连锁触头在操作过程中的动作情况。通过实时记录每一次开关操作过程线圈电流的波形，分析上列有关参数是诊断断路器机械操动系统的重要信息。根据得到的操动机构的启动时间、铁心运动时间、线圈通电时间等，并根据断路器自身参数范围，比较判断操动机构是否己有铁心空行程、弹簧卡滞等故障，从而预告故障前兆。

（二）断路器振动信号分析。低压断路器是一种瞬动式的机械，在动作时，具有高强度冲击、高速度运动的特点。其动作的驱动力可达数万N以上，在几毫秒的时间内，动触头系统能从静止状态加速到每秒几米，加速度达到100倍于重力加速度的数量级；而在制动、缓冲过程中，撞击更为强烈。这样强烈的冲击振动提供了更为敏感的诊断信息，易于实现监测。机械振动总是由冲击受力、运动形态的改变引起的。在断路器结构上，动作一般由操动机构的驱动器经过连杆机构传动，推动动触头系统。在一次的操作过程中，有一系列运动构件的启动、制动、撞击出现，这些运动形态的改变都在其结构构架上引起一个个冲击振动。振动波经过结构部件传递、衰减，在传感器测量部位测到的是一系列衰减的冲击加速度波形。这些冲击振动都可以与结构件的运动状态变化找到对应得关系，为状态监测和故障诊断提供了可能。

（三）开断电流信号分析。低压断路器在正常情况下，可以开断、关合及承载运行线路的正常电流，在这种情况下，断路器是起控制作用的设备。在电力系统发生故障时，短路电流比正常负荷电流大的多，这时的电路最难开断。一般来说，对开断电流信号的采集主要用于低压断路器电寿命的计算。断路器触头的磨损与断路器的开断电流有着直接的关系。在严重短路的瞬间，短路电流中会出现一定幅值的非周期分量，使CT铁心很快达到饱和，激磁阻抗大大降低，激磁电流增大，使二次波形出现严重畸变。由于磁通不能突变，因此发生故障后，磁通总是随着时间延迟而增大。从故障开始到CT饱和会经历一段时间，大约在初期的114周期内，电流是正常的。随着激磁电流中直流分量的衰减，二次电流逐渐增大。当激磁电流饱和时，二次电流即出现缺损状况。

（四）断路器的动作特性分析。断路器的运动特性包括断路器的时间特性、速度特性及行程特性。而时间和速度均可通过断路器的行程一时间曲线得到。无论配用何种机构的低压开关，在合闸和分闸时都需要一定的时间。低压开关的固有合闸和分闸时间与开关的速度密切相关，直接影响开关的断和关合性能。如果开关需要的分闸时间过长，合闸速度自然降低，灭弧性能受到影响而导致开关分断失败；如果开关的合闸时间过长，分闸速度自然降低，电动力增大而导致开关关合失败；如果三相同期性时间差过大，会使线路和变压器非全相投切而产生危害绝缘的操作过电压。通过断路器的行程一时间曲线得到的时间参数、速度参数及行程参数对于诊断断路器的机械故障有着重要的意义。

（五）断路器的温度监测。低压开关是长期载流的电气设备，由于导体存在一定的电阻，当电流通过导体时就会产生热损耗，而交变电磁场作用于导体周围的铁磁物体和绝缘介质会产生铁磁损耗和介质损耗，这些都是热源。SF6断路器的触头被封闭在密封的容器内，灭弧室不允许被打开，因此将测温装置安装在灭弧室内直接测量其温度从而计算温升是不能实现的。由于红外线的穿透能力较弱，红外辐射基本不能穿透绝缘材料和断路器的灭弧室外壳，所以也无法直接用红外热成像装置监测断路器高电压部分热缺陷。由于与断路器触头部分的发热时间长而且比较稳定。故障点的热量可以通过热对流与故障点周围的导体或绝缘材料发生热量传递，引起这些部位的热量升高，特别是与之有电器连接的导体也是热的良导体，而会有显著的温升和形成周围表面温度场的变化。因此，判断断路器低压带电部分的热故障可以通过被测断路器外部的热场分布及其金属件的温度来综合、总体判断。

三、结语

总之，对低压断路器实施状态检修，可以有效的减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高其运行的可靠性和经济性。

参考文献：

[1]陈德桂.低压开关电器热分析方法的进展[J].低压电器，2008（17）：1-4

[2]程秀光，袁玉鹏.智能型低压断路器现场总线系统设计[J].江苏电.2005（4）：8一11

[3]王晶，余洁，束洪春.配电用断路器端子的温升实验研究[，].继电器，2002（3）：4