浅析高压断路器状态在线检测技术

石利锋 吴桐 赵洪懿

摘 要：为了保证高压断路器能正常运行，降低高压断路器故障带来的停电损失，文章对高压断路器状态在线检测技术进行了研究。首先，分析了高压断路器检测的内容包括行程特性监测、分合闸线圈電流监测、振动信号监测。然后，结合实际简单阐述了高压断路器状态在线检测技术的发展。最后，分析了红外线检测技术、霍尔电流传感器检测技术、温度传感器检测技术、压电式加速度传感器、高速CCD成像技术的原理、优点及缺点。

关键词：高压断路器;状态;在线检测技术

中图分类号：TM56 文献标识码：A

高压断路器是保护电力系统的重要装置，对电力系统安全有着重要的意义。然而从实际来看，高压断路器也容易出现故障。我国每年因高压断路器故障带来的电量损失超过百万千瓦，带来的经济损失更是难以计数。所以，应当积极应用在线检测技术，对高压断路器的运行状态进行检测，及时了解、掌握高压断路器的运行状态，确保高压断路器能发挥出应有的作用。

1 高压断路器监测内容

1.1 行程特性监测

随着计算机、电子技术的发展，越来越多新技术、新设备被应用到了行程特性在线监测中。如今，应用新技术已经可以记录开关动作时的动触头行程。之后，再结合其他参数就可以提取机械工作参数。但是需要注意的是这种机械动作参数都有一定的取值范围，一旦其参数值超出范围，就会影响到高压断路器的正常运行。所以，要对其行程特性进行监测，确认高压断路器状态[1]。

1.2 分合闸线圈电流监测

断路器在分、合闸过程中，线圈电流会随时间变化而变化，而其电流变化呈现出来的波形能够反映出很多信息。如锁门、阀门及连锁触头的运行情况，是否存在铁心运动机构片滞、释能机械负载变化的情况、线圈状态。并且还可以了解断路二次控制回路的运行情况，从而为后续的检修工作提供依据。另外，高压断路器还配有操动机构，然而这种操动机构容易出现弯曲变形、锈涩等问题，导致断路器异常，而通过分合闸线圈电流的检测，可以结合电流传感器反应的信息分析断路器机械故障的发展趋势。

1.3 振动信号在线监测

如今，对断路器振动的检测多集中在振动信号分析、处理上。而国外很早就已经开展了有关这方面内容的研究，也提出了一些合理的振动信息处理方法，并被应用到了实践中。如挪威电力研究院的研究人员提出了运用加窗傅里叶变换的方法进行振动信号时频标识，之后再结合DTW法就可以计算振动信号的动态时间距离。而我国起步较晚，研究出的可用于实践的产品还不多。如西安交通大学经过研究提出了欧式距离法、ACI方法[2]。

2 高压断路器状态在线检测技术发展

美国、日本等国在20世纪90年代才开始研究断路器的在线检测技术。其中，美国学者最早对开断电流、断路器寿命关系进行了阐述，并提出了灭弧触头垫寿命的概念以及全工况跳合闸回路完整性监视。我国有关断路器在线检测技术的研究起步较晚，但也取得了一定的研究成果。比如在1995年，清华大学研究出了高压断路器参数测量分析系统。与此同时，有关高压断路器运行状态的在线检测研究也取得了一定的研究成果。现如今，有关电寿命、绝缘状态、二次回路、温度等参数的实时在线检测装置研究已经全面开展，且均有相对比较成熟的产品问世。如美国爱迪生电力公司、西门子公司研制的具有综合功能的状态监测装置，可对开关设备重要参数进行长期连续在线监测，分析变化趋势，及时发现故障前兆，实现控制保护智能化。英国Hathway公司与爱迪生电力公司共同研制开发的BCM型开关状态监测系统，可以采集分、合闸线圈电流、三相故障电流、液压泵，储能结构等信息。在这方面，我国也取得了一定的研究成果。如中能电力科技开发有限公司开发的TF50型断路器状态监测仪，能够对断路器的电寿命、绝缘状态、控制回路、储能机构等参数或部件进行全面的在线检测与分析[3]。

3 高压断路器状态在线检测技术分析

3.1 红外诊断技术

该技术是在20世纪60年代得以推广和广泛应用的。具体来说，还可将该技术分为主动式、被动式。其中被动式检测方法不需要对检测目标进行加热，而主动式检测方法则需要。另外，被动式检测主要是在检测目标、环境热交换过程中进行检测。主动式检测主要是在红外传感器将不同温度对应的红外辐射转换为电信号时进行物体温度检测。

具体可检测出以下故障：第一，电阻损耗发热。当出现短路、过载等故障时，电阻会在电流作用下产生大量的热。这时运用红外检测技术就可以对待测对象的发热情况进行检测，进而判定断路器的故障、热劣化。第二，介质损耗发热。在交变电场作用下，断路器绝缘介质极化方向会改变，所消耗的电能会引发大量的热。通过应用红外检测技术可以确认绝缘介质极化方向是否发生了改变，进而确定断路器是否发生了故障。第三，断路器外部接头接触不良。若高压断路器设计不合理，或是材料不良，亦或是安装工艺不合理等，都有可能导致接头表面材料氧化，进而导致其阻抗值变大，最终引起发热。该技术的优点是灵敏度高、速度快、应用范围广、抗干扰等，但是该技术还具有检测装置内部热缺陷的缺点。

3.2 霍尔电流传感器

该传感器的工作原理是借助半导体材料的磁敏特性，通过测量其磁感应强度，就可以推算电流值。这样就可充分了解线圈电流，进而确定高压断路器是否存在故障。该技术的优点是结构简单，频率响应宽，完全可以将其用到非接触测量技术中。尤其是磁通可互补，铁心也可做的很小，确保其在交流电、直流电中都可以用。但是该方法具有适用范围存在限制、对温度变化敏感等缺点。所以，都只将其应用在分、合闸线圈电流检测中。

3.3 温度传感器应用

温度传感器的应用原理是将温度转变为电压。目前，常用的温度传感器有固体温度传感器、半导体温度传感器、光纤温度传感器。与红外检测技术相比，温度传感器可以检测高压断路器内部故障。因为高压断路器内部发生故障后，故障点热量会与周边物体、绝缘材料发生热量传递，以致于该区域的温度不断升高，尤其是与之相连的导体温度也会显著升高。此时，应用温度传感器就可以准确检测出高压断路器内部是否出现了故障。之后，再结合油色谱进行电气设备外部显现的温度分布热像图，就可以确定故障点。固体温度传感的优点是结构简单，可测量温度变化快的物体，缺点是灵敏低、响应慢。半导体温度传感器则具有灵敏度高、响应速度快、成本低等优点，但它也具有线性温度差，需作修正、补充的缺点。

3.4 压电式加速度传感器

该传感器主要是用于机械振动信號检测。检测原理是在压电材料受到外力作用下会出现形变，引发内部极化现象，表面则出现电荷。借助永久磁铁将该传感器固定在连杆上，就可以得到高分辨率的振动信号。该方法的优点是成本低、结构简单，缺点是容易受到外界干扰，需提前在输出与电荷、电压变换电路之间设置屏蔽。

3.5 高速CCD成像技术

霍尔电流传感器、温度传感器、压电式加速度传感器等进行在线检测的技术都属于接触式检测，越来越无法适应高精度、高集成高压断路器的检测需求。而红外检测技术虽是非接触检测技术，但优势不足，适用范围狭窄，无法进行推广。也正因为如此，非接触式检测技术逐渐成为国内外诸多专家学者研究的重点。

基于高速CCD成像技术的高压断路器在线检测技术，可以实现行程速度的无接触测试。其主要检测原理是利用高速、高分辨率工业摄像机（CCD传感器）测量替代光电编码直线和角度传感器，获取断路器在开闭过程中操动机构运动情况，通过图像分析，计算出动触头行程、分合闸时间、分合闸平均速度、弹跳时间及幅度等参数，提高断路器操动机构动作参数测试精度。同时，采用监测操作线圈电流、电压波形，作为有效判断拒动、误动等故障的判据之一;运用机械振动和声波传感技术，基于联合时频分析和并融合系列图像分析识别算法，诊断断路器运行时的工作状态。

该技术具有适应性强、精度高、测试方便等优点，尤其是借助高速成像传感器，将匹配的目标条纹纸贴在联动杆表面就可进行检测。这样就可以省去安装传感的环节，简化整个检测流程，提高检测效率。另外，应用该检测技术还可以进一步拓宽检测范围。如在机械特性检测方面，可对分合闸时间、行程、速度、线圈电流、低电压动作等进行检测。相比于以往的检测技术来说，这种检测技术能一次性完成多项内容检测，保证检测质量。但是该方法还具有图像信号的高速传输受限、位移精确定位存在问题等不足之处，仍有待完善。

综上所述，在电力行业不断发展的背景下，高压断路器在线检测技术也得到了诸多专家、学者的重视，且取得了良好的研究成果。只有这样，才能高效、精准地开展高压断路器运行状态检测、分析工作，确保高压断路器始终处于良好运行状态。

参考文献

[1] 蒋晓雁.几种常用的高压断路器在线检测技术的分析比较[J].甘肃科技，2009，25（24）：49-50.

[2] 韩军，雷争鸣.高压断路器在线检测技术的探究[J].中国科技投资，2012（24）：107.

[3] 韩军，雷争鸣.高压断路器在线检测技术的探究[J].中国科技投资，2012（27）：62.