断路器故障分类及检测技术研究

断路器为电力系统中的重要组成设备，必须具备良好的断流能力与完整的灭弧结构。断路器的功用通常体现在两方面：一方面是根据电网运行的需要，快速准确的进行电路或者电力设备的断开或是连接，使其快速退出或进入运行工作；另一方面，当在运行过程中出现故障时，断路器就能与继电保护系统迅速将故障部分断开，使系统中的其他正常部分可以继续工作，从而达到减少事故影响与危害的目的。本文主要对断路器的故障类型和检测技术进行了综合性的分析[1]。

1 断路器的分类

按照控制与保护对象的不同进行断路器类型划分时，通常可将其分为发电机断路器、控制断路器、输电与配电断路器等。然而，在实际中更多的时根据灭弧介质与方法的不同来划分断路器的类型，通常可分为三种常见类型[2,3]。

油断路器：这类断路器是最早期的类型，其灭弧介质为绝缘油，并且通常按照断路器使用灭弧介质量的多少将其划分为多油断路器与少油断路器。油断路器在我国以往较为常见使用，但因存在较高的安全隐患，现今较常使用的通常为无油或少油断路器。

压缩空气断路器：20世纪30年代最早由德国AEG公司生产，原理为通过压缩后压力增大的空气吹灭电弧，其最显著的优势在于压缩迅速、灭弧能力强。具体的工作流程通常为：首先在存储罐里加入高压空气，当触头断开产生电弧时，储存罐内的高压空气吹出，其散热冷却的作用能使弧柱热电离并且减弱至消失。

SF6断路器：20世纪50年代美国西屋公司最早推出SF6，直至70年代后开始被广泛应用，其灭弧介质通常为SF6等惰性气体。SF6气体具备绝缘特性，且作为灭弧介质性能优良。SF6断路器的优点在于开断能力强且能连续开断，安全因素高、寿命长，缺点在于结构复杂、成本较高，在我国的高压和超高压电网中被常见使用。

2 断路器常见的故障

根据电力科学院统计数据显示，断路器在生产实践过程中，发生的故障通常主要分为拒动（拒分、拒合）、绝缘、开断与关合、载流、误动、外力及 其他[4]。

拒动（拒分、拒合）故障原因：通常由两方面原因引起：操动机构。具体包括传动部位发生变形、液压机构中阀杆等零件受损以及分（合）闸线圈铁芯之间的配合不到位等一系列情况，其引起的机械卡涩是最为常见的故障，之所以会发生这类情况通常是由于产品质量不合格，或在安装、调试、检修等环节对断路器造成了损坏；电气控制和辅助回路。例如分合闸线圈的损坏、受潮、二次接线失效、保险丝熔断等一系列因素。通常机械故障的发生同样也容易引起电气故障，因此不是仅有电器线路中产生的故障才会使断路器因电气原因发生拒动故障。

绝缘故障原因：通常将绝缘故障分为外绝缘、内绝缘以及开关柜绝缘故障。外绝缘故障通常是因为瓷套的外绝缘泄露比距不符合规定标准。内绝缘故障是指发生在断路器内部，主要是因为制造装配或检修时遗留的废弃物造成的，另外当触头和屏蔽罩装配的位置不合适时，就容易造成两者因频繁的较大摩擦导致表面金属类物质剥落，从而造成放电作用，这也是发生内绝缘故障的一个重要原因。就开关柜绝缘故障而言，其大都因为开关柜老化、潮湿、爬电距离太短等因素造成的。

开断与关合故障原因：这类故障的发生并不常见，通常是因为开断时喷出的油爆裂或提升杆脱落等原因造成。

载流故障原因：开关柜接头接触不紧合是造成载流故障的最主要原因。发生载流故障通常会导致触头或线路升温，必须及时进行相关的故障处理，时间一长将会发展成绝缘故障。

误动故障原因：主要为两个方面：一方面可能是由于继电保护信号错误或二次回路接线和操动机构失灵等引起误动故障的发生；另一方面可能是因为二次回路接线端子排受潮，因此导致其绝缘性能降低，进一步造成合闸和分闸回路端子间发生放电短路，从而引起误动故障的发生。

外力及其他原因：这一故障类型主要包括断路器本身的操动机构损坏、检修不彻底以及其他故障原因。

3 基于振动信号的断路器在线检测

3.1 断路器在线检测流程

图1 电气设备检测诊断框图

如图1所示，通常可将检测诊断流程分为三个部分[5]：状态检测与信号采集。电气设备在运行的过程中一直处在不断变化中，因此对设备的状态检测需及时，从而确保设备处于稳定正常的运行。同时对设备进行信号进采集获取待测信号后，将其传输到后续单元接收处理；信号的处理。后续单元在接收到待测信号后无法直接识别与处理，而是对其进行滤波、去噪等操作，提升信噪比或将信号分解，为后续诊断工作提供准备；状态识别。将处理后的信号与现有标准进行对比，当性能指标超出标准范围则认为是故障状态，然后依据故障类别与严重程度进行相应的处理。

3.2 断路器振动信号特征分析

断路器操动机构故障占总故障比例一半以上，且呈逐年上升趋势，我国为71%左右。对断路器在运行过程中的检测通常分为机械特性、开断能力、绝缘性与操作回路完整性四个方面。断路器触头是受操动机构动作且经连杆部件推动的，在操动机构的动作过程中，不同形态的振动发生在不同部位上。就振动波形而言，其通常经结构部件传递，且在传递的过程中会不断的造成衰减，因此在断路器上采集到的信息波形往往都为非线性的衰减后的冲击波。

断路器的机械特性通常通过振动信号来进行反映，振动信号的不同对应不同机械部位故障，通常包括分合闸铁芯卡滞松动、轴销脱断、脱扣失灵以及部件变形损坏等。当故障发生时，部件上的振动信号发生变化，通过对不同部件振动信息的采集后，进行进一步的对比分析就能判断故障的位置及类型，从而实现多部位在线检测。另外，仅需确保振动源头与传递路径不变，就能获得较为平稳的振动信号。对规格相同的断路器来说，其产生的振动信号具备较大的相似性，因此使由振动信号的不同进行故障类型与位置的判断成为可能。

3.3 断路器振动信号检测点的选择

振动信号在断路器结构中的传播较为复杂，不仅需要考虑其传播的途径、过程等，另一方面还要考虑振动波的类型以及衰减情况。因此，在测量过程中检测位置不同相应的结果也不同，这说明对断路器检测点的选择十分重要。例如，通常情况下断路器的桶内触头传动连杆的工作振动仅会体现在灭弧桶上，而在支架上则不易检测到振动信号。

一般检测点选择方式分两种：一是将传感器安装在其动触头连接杆上，且为了保证振动波形的保真效果，要求尽量贴近动触头，从而获得较为准确的振动信号，时间及强度均能对振动情况真实反映。但是这需要将传感器在断路器内部进行安装，这一安装方式属于侵入式，十分容易影响到断路器部件的正常操作；二是将传感器安装在断路器基座，这一种安装方式属于非侵入式，并不会造成断路器的内部结构的损坏，因此更为方便且能真实的反映断路器的振动情况，目前将振动信号传感器安装在断路器基座上的方式更为常见。