高压断路器动作特性监测及特征曲线分析

何有良，宋佳骏，戴明建，何东阳，王世旭

（1.大唐观音岩水电开发有限公司，云南 昆明 650011；2.大唐水电科学技术研究院有限公司，四川 成都 610074）

0 引言

电力系统是现代社会中不可或缺的基础设施之一，而高压断路器作为电力系统的重要组成部分，具有保护电力设备和人员安全的重要作用。高压断路器的正常运行对于电力系统的可靠性和稳定性至关重要。因此，对高压断路器的动作特性进行监测和分析，以了解其性能状态和故障情况，对于预防电力系统事故和提高系统运行效率具有重要意义。随着电力系统的不断发展和扩大规模，对高压断路器的要求也越来越高。传统的静态检测方法已经无法满足对高压断路器性能的全面评估和监测需求。因此，需要开发和应用更加先进的动态监测技术来实时跟踪高压断路器的动作特性[1-3]。

本文针对某电厂断路器实际运行参数及结构，研究高压断路器的动作特性监测方法及特征曲线分析。首先通过分析高压断路器的基本结构及状态参量，包括操作机构运动过程、传感器安装位置、在线监测基本要求等。其次，提出了一种非接触式直线动作特性监测方法，同时对位移行程信号、线圈电流信号、储能电机电流信号等进行监测。最后分析高压断路器的各项参数特性，为在线状态评估和智能诊断提供参考。

1 高压断路器基本结构

断路器是一种用于电网控制与保护的开关设备，应用于开断各种大电流，包括：负荷电流、额定电流与故障电流。某水电站550 kV断路器的铭牌参数如表1所示。

表1 某水电站断路器参数

该断路器内部结构如图1所示，图1中断路器处于分闸位置，当断路器合闸时，活塞杆向上运动，通过外拐臂转为水平运动、然后通过导向杆、绝缘拉杆、内拐臂驱动拉杆、电阻动触头，带动动主触头和电阻动触头，实现主断口和电阻断口进行合闸运动[4，5]。

图1 断路器结构图

2 断路器动作特性在线监测方法

2.1 位移行程信号取样

采用非接触式磁电传感方式取样行程信号，将磁栅尺或读头与断路器机构运动部件牢固连接，并跟随机构运动，感应出与行程线性相关的正交编码脉冲信号，实现行程信号取样。由断路器结构图可知，在分合闸运动时断路器拐臂为水平运动，因此，本文设计直线运动的位移监测传感器，其设计结构如图2所示。

图2 位移监测传感器

图3 电流传感器

图4 辅助开关空触点信号采集

图5 在线监测系统

图6 S-t曲线

2.2 线圈电流信号取样

采用穿心式霍尔电流传感器取样线圈电流和储能电机电流信号。在靠近二次信号端子排的区域安装转接端子排；从二次引出储能、合闸、分闸控制线到增加的转接端子排；穿过电流传感器后回到原端子排；穿心式霍尔电流传感器，不影响二次回路可靠运行，信号采用双芯双绞屏蔽线传输，抗干扰能力强。

2.3 辅助开关空触点信号

采用光电隔离模块感知辅助开关空触点信号；用专用连接线将辅助开关空接点的空端子排引出至在线检测单元；采用光电隔离感知回路，抗干扰能力强。

2.4 在线监测系统组成

断路器机械特性在线监测系统由断路器机械特性在线监测单元、通信网络、数据库服务器工作站三个部分组成。监测单元采集断路器触头位移行程信号、分合闸线圈电流信号、储能电机电流信号、分合闸辅助开关空触点动作信号，并将采集数据保存在单元本地。监测数据可以通过4G/5G无线网络直接传输到数据中心，也可以通过手持式终端收集采集单元数据，再传输至数据中心[6-8]。

3 断路器特征曲线分析方法

基于上述对断路器动作特性数据的采集，在每一次断路器分合闸时通过对动作特征数据监测绘制位移行程-时间曲线、分合闸线圈电流-时间曲线、储能电机电流-时间曲线，本文将对断路器监测特征曲线进行分析，旨在为断路器的故障诊断和状态评估提供借鉴[9]。

3.1 位移行程-时间（S-t）曲线

断路器的行程-时间曲线是表征其动特性的基本数据，在寿命周期内，为保证其可靠运行，开关的动特性应保持不变，即S-t曲线的形状和各个状态特征参数应该基本保持稳定，变化在容许的范围内。通过断路器S-t曲线的历史数据对比分析可以反映主触头运动状态。

根据断路器投运前或者离线测量的数据，将S-t曲线分为空程段S1、开距段S2、超程段S3和缓冲段S4。这四个阶段分别反映了动触头在不同的运动状态和受力情况。空程段是指动触头在没有受到推动力之前的运动，开距段是指动触头在受到推动力后开始加速运动，超程段是指动触头在达到最大速度后开始减速运动，缓冲段是指动触头在接近静止位置时受到缓冲弹簧的作用而减速运动。根据S-t曲线的变化特点，可以确定这四个阶段所对应的时间值T0、T1、T2、T3,并产生标准波形的相关度C0、C1、C2、C3。根据S-t曲线，计算出动触头的最大速度和对应时间，以及刚分速度和刚合速度。最大速度和对应时间是反映机构的动作特性的重要参数，它们可以反映机构的加速能力和稳定性。刚分速度和刚合速度是指动触头在分合闸位置时的速度，它们可以反映机构的可靠性和安全性。启动速度和缓冲速度，以反映缓冲弹簧的预紧力及阻尼力。

3.2 分合闸线圈电流-时间曲线

根据分合闸控制回路的线圈电流波形和辅助接点动作波形的分段分析可以反映操动机构的电气和机械特征，通过特征值判断推理，可以诊断操动机构的状态[10]。

以合闸为例，如图7所示，线圈电流有三个电流值、四个时间值和对应的四个波形相关度。定义分别为：

图7 线圈电流-时间曲线

I1：铁心启动电流I1，定义为T0和T1之间的最大电流，表示铁心开始运动时的电流峰值。反映铁心启动时所受的阻力大小，与机构卡滞或线圈绕组不良等故障有关。I1较大，表明铁心启动时所受的阻力较大，可能是由于机构卡滞或者线圈绕组不良等原因造成的。

I2：铁心停止电流I2，定义为T1和T2之间的最小电流，表示铁心与脱扣板接触时的电流谷值。反映铁心运动过程中所受的阻力大小，与机构润滑或空程距离等因素有关。I2较大，表明铁心运动过程中所受的阻力较大，可能是由于机构摩擦力过大或者空程距离过小等原因造成的。

I3：线圈工作电流I3，定义为T2和T3之间的最大电流，表示铁心与脱扣板接触后的电流峰值。反映线圈的直流电阻大小和机构脱扣时所受的最大阻力大小，与线圈老化或半轴扣入深度等因素有关。I3较大，表明线圈的直流电阻较大或者机构脱扣时所受的最大阻力较大，可能是由于线圈老化或者半轴扣入深度过深等原因造成的。

线圈电流波形划分为T0、T1、T2、T3四个阶段，并引入相关度参数C0、C1、C2、C3来量化每个阶段与标准波形的差异。T0阶段是从线圈通电到铁心启动的时间间隔，其相关度参数C0反映了线圈的绕组状态和交流特性。T0阶段的时间长度还与铁心启动阻力有关，因此可以用来检测线圈是否存在短路、断路或接触不良等故障。T1阶段是从铁心启动到触碰脱扣板的时间间隔，其相关度参数C1反映了铁心空程运动的阻力和距离是否正常。T1阶段的时间长度与铁心空程运动的阻力和距离成正比，因此可以用来检测铁心是否存在卡滞、变形或磨损等故障。T2阶段是从铁心触碰脱扣板到半轴脱扣的时间间隔，其相关度参数C2反映了机构脱扣过程中的半轴扣入深度和阻力是否正常。T2阶段的时间长度与半轴扣入深度和阻力成正比，因此可以用来检测机构是否存在松动、变形或磨损等故障。T3阶段是从半轴脱扣到辅助接点断开的时间间隔，其相关度参数C3反映了机构惯性运动过程中的阻力和辅助接点动作情况是否正常。T3阶段的时间长度与辅助接点动作时间有关，因此可以用来检测辅助接点是否存在延迟、黏连或烧蚀等故障。。

3.3 储能电机电流-时间曲线

储能电机特征参数主要以储能电机工作电流波形分段分析为主提取。

如图8所示，各个参数定义分别为：

图8 储能电机电流-时间曲线

启动段的电流峰值Ip和相关度C0是反映线圈内部过渡过程的指标。Ip与电机转子和线圈夹角有关，具有较大的随机性。C0是反映启动时间T0的波形与标准波形的相似程度的指标。Ip和C0可以用来判断线圈是否存在短路、断路或接触不良等故障，影响电机的启动性能。

空转段的电流峰值Ia和相关度C1是反映电机本身特性和阻力大小的指标。Ia与线圈电阻成反比，与转子阻力大小成正比。C1是反映空转时间T1的波形与标准波形的相似程度的指标。Ia和C1可以用来判断电机是否空转平滑，转子是否有卡涩、变形或磨损等故障，影响电机的运行效率。

出力段的电流峰值Im和相关度C2是反映电机在拉伸合闸弹簧时的最大阻力大小和合闸弹簧性能的指标。Im与合闸弹簧弹性系数成正比。C2是反映出力时间T2的波形与标准波形的相似程度的指标。Im和C2可以用来判断电机是否出力不足，合闸弹簧是否有断裂、松动或失去弹性性能的故障，影响合闸动作的可靠性。

4 结论

针对某水电厂SF6断路器实际运行情况，分析高压断路器动作原理，研究其结构和工作状态，提出一种直线式行程监测方法，同时对断路器分合闸多种状态参量进行监测，及时检测潜在的故障或异常。通过分析监测数据和特征曲线，包括位移行程、分合闸电流、储能电机电流曲线，判断断路器的工作情况、故障类型以及其对电力系统的保护能力。本文通过对高压断路器动作特性的监测和特征曲线的分析，我们可以全面了解其性能和状态，文中所述特征量可以用于性能评估、设计优化和故障诊断等方面的研究，为断路器全面状态评估提供参考。