[浅析断路器状态监测技术] 断路器图片大全

　　一、引言　　断路器状态监测系统的设计是采用模块化的设计思想，系统主要由合分闸线圈电流监测模块、振动监测模块、电寿命分析模块等功能模块构成，应用各类传感器分别对合分闸线圈电流、振动信号、开断电流进行监测，本文将概述各监测量的监测原理。
　　二、 合（分）闸线圈电流监测原理
　　高压断路器一般都是以电磁铁为操作的第一级控制元件，直流为控制电源。直流电磁铁线圈的电流波形中包含了很多信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头等在操作过程中的工作情况，如铁心运动机构有无卡滞，脱扣、释能机械负载变动的情况，线圈的状态（如电阻是否正常），与铁心顶杆连接的锁闩和阀门的状态。因此，合分闸线圈的电流也是断路器状态监测的一个重要内容。通过霍尔传感器可以很方便地获得合分闸线圈的电流。
　　2.1.典型电流波形分析
　　典型电流波形可分为五个阶段：
　　阶段Ⅰ,线圈在T0时刻通电，到T1时刻铁心开始运动。T0为断路器分合命令下达时刻, 是断路器分合动作计时起点T1为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动, 即铁心开始运动的时刻. 这一阶段的特点是电流呈指数上升铁心静止. 这个阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关。
　　阶段Ⅱ,铁心运动,电流下降。T2为控制电流的谷点，代表铁心已经触动操作机械的负载因而显著减速或停止运动。
　　阶段Ⅲ, 铁心停止运动, 电流又呈指数上升。
　　阶段Ⅳ, 这一阶段是阶段Ⅲ的延续,电流达到近似的稳态。
　　阶段Ⅴ，电流开断阶段, 辅助开关K断开,在辅助开关触头间产生电弧并被拉长,电弧电压快速升高,迫使电流迅速减小,直到熄灭。
　　2.2电流波形特征参数的获取
　　通过监测合分闸线圈的电流波形可获取断路器的状态信息, 这种方法又被称为跳合闸线圈电流轮廓法即 TCP 。
　　TCP 的关键在于提取合分闸线圈电流波形轮廓的特征。由前面的分析可以发现波形中的时间特征参数对应着铁心的运动事件 ,所以通过提取电流波形中的时间特征参数可以获取断路器的状态特征。
　　观察典型波形发现时间特征参数对应电流波形的极值点，极值点处于导函数符号改变的临界点，因此信号在采样点处的导数值可以近似用相邻两采样点的斜率代替，进一步简化为相邻两采样点的增量代替。由此求出电流的极值点，即时间特征参数。根据这些时间特征值再对照典型电流波形图就可以知道断路器的运行状态。
　　三、 振动信号监测原理
　　3.1振动信号的特点
　　断路器是一种瞬时式电器，在正常运行时处于静止状态，只有在控制操作和保护动作时才快速动作，产生强烈的振动现象。断路器在操作的过程中具有以下特点：
　　（1）断路器的操作是非周期性的一次动作，过程持续时间很短，只有数十毫秒。
　　（2）振动信号是瞬时非平稳信号，处理分析比较困难。
　　（3）振动是由于系统构件的受力冲击或运动形态的变化引起的。在断路器的一次操作过程中，有一系列运动构件的启动、制动和撞击，形成一个个的冲击。由于振动波传递过程中的衰减，在测量位置测到的是一系列衰减震荡波，每一个冲击振动都大致对应着某一个构件的运动变化和冲击。
　　断路器的任一个操作中的事件出现的频率是变化的但事件的出现顺序是不变的；此外，对于同一台断路器的重复操作过程中，振动信号大致是稳定的并且对于同一位置测得的相同情况下的操作, 断路器的振动波形具有良好的重复性,每种断路器操作对应的振动信号又具有独特性。利用断路器这方面的特性，以外部振动信号为特征信号，可以进行断路器机械状态监测也为进行断路器故障诊断提供了可能。
　　3.2振动信号的采集
　　振动信号可由压电式传感器采集获得。一般传感器应安装在关键部件（故障率高、重要性高）的振动源附近。大量的实验表明，在下面位置安装传感器效果不错：（1）灭弧室；（2）操动机构；（3）两者之间的位置。
　　振动信号监测是一种非侵入式测量方法，不影响断路器的运行，安装简单，具有不受电磁场的影响和对外部交通、变压器运行振动的干扰，良好的信噪比等优点。
　　3.3 振动信号特征量的获取
　　断路器的故障多为机械故障，因此几乎所有实时状态监测诊断的研究中都把机械操作特性作为断路器实时状态监测和故障诊断的重要研究对象。机械操作产生的振动波形和合分闸线圈电流波形一样含有丰富的断路器信息。在实际分析过程中，通过对采集到的振动信息的分析，找出其特征量，争取以最少的特征参数来表示这一过程，从而区分正常与异常的不同。但是大量的对振动信号时域特征量的分析表明其分散度较大，重复性也较差同时还发现一些时域明显不同的振动波都是正常波，而完全一致的振动经采样重现和处理也可能在局部出现较大的差异。因此，仅采用时域指标作为断路器操作振动信号的特征量是不科学的。本文采用离散包络统计从振动信号中提出包络信息。
　　四、电寿命监测原理
　　断路器的开断是一个复杂的过程。无论是开断正常工作电流还是开断故障电流，触头分离后，动静触头间会出现电弧，只有电弧熄灭，电路的开断任务才能完成。但是电弧的高温作用会使触头表面烧损、变形、金属材料流失，造成触头的电磨损。触头的磨损与电弧电流、电弧作用时间、电路参数、断路器结构以及触头材料、制作方法和材料最终的物理性质等许多复杂的因素有关系。触头磨损和触头寿命直接有关，当触头材料损失到一定程度以后，触头工作性能便不能保证，此时触头的寿命告终结。断路器电寿命监测模块主要用于对变电站所有断路器进行触头电寿命状态监测。对每次开断造成的电磨损进行计算，根据拟定的算法、判据，对断路器的电耐受能力进行判断，为断路器触头检修周期的确定提供科学的依据。
　　高压断路器电寿命在中国最早是由电力系统用户提出来的。在20世纪60年代，电网中的油断路器每开断3次短路故障就要进行解体大修，这实际上浪费了大量的人力、物力和财力。这种现象一直延续到70年代末，我国的断路器短路开断性试验设备已初具规模，电网也开始能记录短路故障电流，因此当时的电力部一方面要求开发断路故障记录仪，另一方面要求制造厂提出不需检修条件下，断路器的故障电流开断次数和不同开断电流下的相互折算方法或提供故障开断电流下的允许开断次数曲线。
　　以往对电磨损的监测是记录累计开断电流或累计电弧能量为依据的。事实上，同一台断路器在同样的外部条件下先后两次开断同样大小的电流值，其烧损程度也不可能相同，而且，开断电流相差很大时，断路器触头的烧损机理不同，烧损相差更大。因此，用累计开断电流来判断触头烧损量是不够的；另外电磨损虽然取决于电弧能量，但还与触头分断速度等有关，且电磨损与电弧能量没有比例关系。因此要对断路器触头电磨损、电寿命监测作进一步研究，对断路器触头进行电寿命监测要解决电寿命的概念和工程实测方法问题。触头的电磨损主要取决于电弧能量及开断电流与燃弧时间。大量的实验结果表明，从断路器累计电磨损的角度考虑，虽然燃弧时间的长短对单次开断是随机的，但对多次开断，其平均燃弧时间则是趋近的。即随机因素对燃弧时间分散性的影响从累计的角度来考虑可以忽略不计，也就是说，断路器的电磨损可以仅用开断电流作参照量。
　　五、 结束语
　　断路器状态监测系统通过研究断路器及其操作机构的相关参量的检测判断方法，能够有效发现设备的早期隐性故障，为设备检修提供了方便，有效地提高高压断路器的安全运行水平。