高压断路器状态实时监测与故障检修措施分析

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 熊宇洋

目前的高压断路器按灭弧介质可分为少油、空气、真空、SF6等，其中SF6断路器主要用于35kV以上电压等级。断路器在电力系统中应用广泛，具有保护和控制的作用，断路器的典型结构如图1，其中1为开断元件、2为绝缘支柱、3为基座、4为操动机构、5为绝缘套管、6为接地外壳。断路器能在满足电网实际需求的情况下，使得电气设备或其他工作线路进入停止状态，然后转变为检修状态[1]。

图1 断路器典型结构简图

如整个电力系统在运行过程中发生故障问题，断路器可通过继电保护装置来将整个电力系统的运行保护起来，特别是针对于电网运行中的故障部位，及时将故障部位与其他正常运行部位断开，这样在后续应用的过程中剩下的其它部分仍能正常工作运行。现在最常用的断路器是SF6断路器，因该类断路器与其他断路器比较起来性能更好。这种断路器绝缘性及灭弧性能良好且具有很强的开断性，断口电压相对较大，并具有更好的机械强度，实施维护更加简单。因为这些特点，SF6断路器在超高压领域上完全代替了其他种类断路器。

1 高压断路器故障分析

1.1 拒动故障分析

高压断路器的拒动故障有拒分和拒合两种情况。其中相对来说较为严重的是拒分故障，这种故障的出现会导致整个电路系统引发越级跳闸，进而使得系统出现问题，导致事故的范围变大。实践表明，在运行过程中高压断路器的拒分状况是最常出现的，会导致机械故障与电器故障两种不同的类型出现。

机械因素。机械故障主要是因为操作机构与传动系统存在问题。一般较普遍的故障现象有部件出现变形、损坏或机构卡涩等。其中机械卡涩的问题发生最频繁：由于分(合)闸线圈铁芯配合的精度不足、在运动时存在很大阻力线圈与传动位置出现机械损坏，液压机构阀体内阀杆等部件出现腐蚀现象、进而导致后续的机械安装过程中存在较为严重的质量问题。

电气因素。因电气控制和辅助回路出现问题导致的拒动故障大约是总故障的32%。常见的故障现象有分合闸线圈烧损、二次接线故障等。分合闸线圈烧损大部分情况是因长久的机械故障导致电气方面出现问题，二次故障使得二次接线接触不良从而发生电气故障问题[2]。

1.2 误动故障分析

二次回路原因。主要是因二次回路接线端子受潮，这在一定程度上减小了端子的绝缘性，二次回路中导致分闸和合闸回路线路端子出现放电现象，这种状况会引发短路，断路器产生误动操作。另一方面，由于二次回路的元件质量不合格，很多情况下二次回路的电缆易出现破损，也会使得断路器发生误动。如断路器的操作电压比标准要求还低，在受到外界因素影响的情况下很易导致断路器出现误动现象，继电保护装置发生误动作。

液压机构原因。断路器在制作的过程中，由于厂家疏忽导致装配质量降低，液压机构出现一定的质量问题，同时清洁度也不足、使得密封圈出现损坏情况，液压油泄漏或是机械机构出现质量问题，会使得断路器整体出现严重的故障问题；弹簧操动机构原因。在对断路器进行检修过程中，由于操动机构没有科学合理地对分(合)闸挚子尺寸进行调整，在很大程度上影响了弹簧预压缩量，导致弹簧预压缩量不合理，使得弹簧机构无法继续维持，引发断路器自分或者自合。

1.3 绝缘故障分析

内绝缘故障。断路器的绝缘故障问题是因断路器内存在异物，而异物的出现是因断路器在应用过程中或安装过程中出现了本体内部的剥落物，异物就导致了断路器本身的放电存在故障。不仅如此，如触头和屏蔽罩安装的位置不合理会使得二者间出现摩擦，进而触头与屏蔽罩会发生磨损，导致金属颗粒脱落，也会引发内绝缘故障[3]。

外绝缘和瓷套闪络故障。主要因瓷套外绝缘线路问题、外绝缘尺寸不满足标准规范、瓷套制造质量问题等。高压开关柜很易发生绝缘故障，如柜内放电、相间闪络等。导致这种故障出现的主因是断路器和开关柜不匹配，使得绝缘的尺寸不满足相应标准规范，与此同时也没有采取合理有效的绝缘措施等。此外也可能是开关柜元件存在质量问题，也会导致出现相间短路的故障。

1.4 开断与关合故障分析

断路器通常有少油断路器和真空断路器两种，少油断路器发生故障的位置一般喷嘴处，此位置很易发生短路现象，灭弧室很易出现损坏，会使断路器的开断发生故障问题。真空断路器容易出现故障的位置是真空灭弧室，具体原因是内部的真空度出现了问题，真空断路器的关合能力会发生故障，这种情况使得开关就易发生断开或是关合失败，导致灭弧能力减小，从而引发问题。

1.5 载流故障分析

常见的载流故障是由于触头的接触不良或者是温度过高而导致引发的。目前大多数的接触不良现象都是由于两个触头在进行接触过程中没有对准，从而导致喷口处出现较为严重的开裂现象，这种现象就会导致开断关合出现问题；或者是随着开裂现象的进一步加深使得触头温度严重升高，进而出现绝缘问题和载流问题。两个触头没有对准的情况，是因为在实际的装配过程中工作人员并没有采取合适的措施对触头进行处理，使得动触头与静触头对中存在很大偏差，进而引发故障。

1.6 外力及其他故障分析

外力与其他故障大部分情况下都只会导致断路器出现问题而不会引发事故，然而其在一定程度上反映了开关设备存在安全问题，并在一定程度上威胁着设备运行的稳定性和安全性。

泄露故障。出现泄漏故障主要是因为密封圈出现老化或者损坏、阀系统密封度不好、压力表接头出现泄漏问题等。液压机构泄漏油问题是比较常见的一种问题，主要原因在于厂家的制造水平。

部件损坏。主要是因为传动部件缺乏足够的机械强度，同时密封件的质量不符合标准规范。不仅如此，因为安装以及检修的质量较低没有办法及时发现存在的问题，从而会导致断路器的缺陷变得更严重，进而引发故障。密封件损坏有下列两个主要原因：密封件的质量不符合要求，很容易出现老化的情况，而且使用的寿命比较短；在检修或者是装配的时候，密封件受损或者安装位置不正确、加固时压力过大导致密封件出现非常严重的变形，都会一定程度上影响部件的使用寿命。

2 高压断路器状态实时监测分析

SF6密度监测。目前我国大部分的高压断路器都是使用的是SF6断路器。而对于这种断路器来说，SF6气体密度以及气体的性能与断路器的使用状况息息相关。如果在使用过程中SF6气体的密度减小，那么就会导致该类型的断路器整体绝缘性能和灭弧性能有所下降。导致这种现象的主要原因就是该种断路器中的SF6气体出现了泄漏，这就使得气体的密度逐步下降。针对这种状况，工作人员需要进行压力测试，并根据监测的结果来准确反应气体的实际密度，从而可明确断路器有无故障。

触头寿命监测。断路器投入使用很长一段时间以后，通常情况下触头都会发生磨损现象。因此工作人员需要对触头的磨损状况进行综合判断，然后根据断路器的使用寿命判定是否会受气以及灭弧介质等多种问题的影响。一般来说，采取特殊的计算可以判断高压断路器的磨损程度，实现实时检测的效果。

灭弧室在线监测。高压断路器的运行状态会受到外界因素的影响，在外界因素的干扰下，会使得高压断路器的绝缘弧性能和绝缘效果都出现问题。如果发生这种问题，灭弧室很可能会发生泄漏或者是微水超标等问题。所以在电网运行时需要强化对于灭弧室的在线监测，确保断路器在正常的状态下运行。

温度信号检测。高压断路器有的时候需要经过很大的短路电流，而且长期需要通过负荷电流，因为导体中有电阻存在，在电流流过导体的情况下会发生热损耗，这会在一定程度上提高导体的温度。高压开关柜的隔离触头和各种通过负荷电流的高压电气设备的接线端子处等，因为外界因素影响或者是设计和制造过程中存在问题等，会在很大程度上提高这些部位的电阻，所以也会显著提高这些部位的温度，因为温度变大，会导致电连接处的氧化现象加剧，进而不断提高接触电阻，如果没有采取有效措施对这些问题进行处理，最后会导致绝缘件出现损坏、绝缘击穿等非常严重的问题。

为了确保断路器工作的可靠性和稳定性，需要保障断路器导体本身以及导电连接处的温度小于规定值。SF6断路器触头及其他部位最高温度和允许的温升极限如表1所示。

表1 SF6断路器触头及其他部位最高温度和允许的温升极限

3 高压断路器故障诊断措施分析

3.1 振动信号检测法

高压断路器故障诊断过程中，高压断路器在分合闸的时候机械操作的构件会出现振动信号，这个信号内包含了大量的状态信息，工作人员通过使用振动传感器，对信号进行处理获取信号内部包含的信息，从而明确高压断路器分合闸在工作过程中的状态。工作人员在使用震动信号检测过程中，这种方法不会受到外界电气量或者是电磁场的影响，传感器是在断路器的外部安装的，因此也不会影响到断路器。不仅如此，振动传感器在工作的时候比较稳定，而且其尺寸相对来说较小，具有很强的灵敏度。断路器操作是非常典型的瞬时性动作，所以时间非常短，不同振动信号随机产生，因此实际检测时对于采样频率有着非常严格的标准，这也是使用振动信号检测法时需要给予重视的地方。

3.2 分合闸线圈电流检测法

分合闸线圈电流检测法的应用是使电流通过分合闸线圈，然后这个时候就会在电磁铁的作用下产生磁通，从而影响断路器出现分合闸的操作。而工作人员在实际的工作过程中，需要综合分析电流变化状况，根据电流随时间的变化状况来反应二次回路的实际工作状态，这样可更加明显的反应断路器机构的运行情况。

3.3 动触头行程监测方法

高压断路器的行程-时间特性是非常关键的机械参数，对于计算分合闸速度至关重要。一般情况下使用直线光电编码器对行程进行测量。在高压断路器直线运动的部件上安装直线光电编码器，使用传感器对分合闸动作时动触头的脉冲波形进行读取，然后把获取到的脉冲信号利用调理电路传输到处理芯片中，借助芯片获取脉冲信号并实施相关计算。使用分合闸动作时，由动触头的行程-时间特性可通过计算的方式得到其运动时间、平均速度等，而且可以知道动触头的运动方向还有反弹情况。

综上，对高压断路器状态进行实时监测的过程中，需要按照高压断路器出现的故障现象采取科学合理的检修方法和辅助措施，这样才能有效的保障故障诊断工作顺利实施。现阶段水力发电厂中计算机科学技术被广泛应用，高压断路器故障诊断方法就是计算机技术应用的充分体现，可迅速确定高压断路器中存在的故障类型和原因，在很大程度上强化了高压断路器的安全性和可靠性。