ZN42-27.5型真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

文松發(fā)，郎 兵，劉 蘋，趙 雋，郭立飛，曹波濤

0 引言

國內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所中27.5 kV牽引側(cè)廣泛采用真空斷路器來通、斷負(fù)荷電流和切斷短路電流。昆明鐵路局昆明供電段85%的牽引變電所及接觸網(wǎng)地處高原山區(qū)，運行環(huán)境惡劣，加之山區(qū)雷電頻繁，饋線瞬間短路普遍，從而導(dǎo)致變電所斷路器特別是饋線斷路器頻繁動作，斷路器出現(xiàn)故障的幾率大大增加。如果斷路器故障而未及時發(fā)現(xiàn)并排除，那么在運行中就有可能因斷路器拒動而不能及時跳閘切除短路故障，造成供電沿線電氣設(shè)備燒毀，或造成越級跳閘，使停電范圍擴大。導(dǎo)致真空斷路器機構(gòu)故障的根本原因是：真空斷路器頻繁跳閘，加速了斷路器機構(gòu)傳動部件的磨損，使斷路器幾何參數(shù)變化失衡而導(dǎo)致其電氣控制回路和機械傳動機構(gòu)產(chǎn)生故障。

目前，牽引供電系統(tǒng)普遍采取對高壓電氣設(shè)備（如斷路器）進行離線方式的定期預(yù)防性試驗和檢修（或稱為計劃檢修）[1]，這對防止設(shè)備故障的發(fā)生，保證供電安全起到重要作用。但該檢修模式的弊端在于電氣設(shè)備的離線試驗和在線工作的不一致性、以及定期檢查和維修的盲目性、過度維修等，使設(shè)備運行中的故障率仍很高。所以，開展?fàn)恳冸娝婵諗嗦菲鞯脑诰€監(jiān)測工作，實時了解設(shè)備的在線工作性能，及時發(fā)現(xiàn)其異常和故障，合理安排檢修（狀態(tài)檢修），對于確保供電設(shè)備安全性、可靠性具有重要意義[2]。下文針對昆鐵電氣化牽引變電所廣泛使用的ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、安全性、監(jiān)測分析原理、試驗結(jié)果等予以全面介紹。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成

針對ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)包括真空斷路器在線監(jiān)測裝置、監(jiān)控計算機（含有監(jiān)測分析軟件）以及監(jiān)測裝置和監(jiān)控計算機間的光纖通信網(wǎng)絡(luò)3個組成部分。通過該系統(tǒng)可同時監(jiān)測牽引變電所的多臺真空斷路器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 真空斷路器在線監(jiān)測裝置

ZN42-27.5型真空斷路器為戶內(nèi)單相交流高壓斷路器，其操作機構(gòu)為彈簧儲能式，安裝于變電所開關(guān)室的網(wǎng)柵間隔內(nèi)，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行要求設(shè)計開發(fā)的真空斷路器在線監(jiān)測裝置，由傳感器和數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成。采用電流傳感器和電壓傳感器，實現(xiàn)對斷路器分（合）閘操作過程中直流控制回路的電流、電壓的在線監(jiān)測，以及儲能電機運行過程中的電樞電流、電壓的在線監(jiān)測。采用拉線式位移傳感器和振動傳感器，實現(xiàn)對斷路器分（合）閘操作過程中動觸頭位移變化以及斷路器振動的在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集單元以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心，采用12位A/D同步采樣技術(shù)，保證在斷路器進行分（合）閘操作時控制回路電流、控制回路電壓、動觸頭位移以及開關(guān)振動的采樣數(shù)據(jù)同步。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)裝置的CAN通信接口通過系統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)實時上傳至監(jiān)控計算機進行存儲、分析、計算。監(jiān)測裝置構(gòu)成原理如圖2所示。

圖1 真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 真空斷路器在線監(jiān)測裝置構(gòu)成原理圖

1.2 監(jiān)測裝置的安裝及安全性分析

真空斷路器在線監(jiān)測裝置安裝在ZN42-27.5型真空斷路器本體上，該安裝位置與斷路器的高壓部分完全隔離，與斷路器的操作機構(gòu)相對獨立，不會對斷路器的正常運行及操作造成影響。

該裝置采用的拉線式位移傳感器是反應(yīng)斷路器分（合）閘過程中動觸頭位移變化的關(guān)鍵元件，其安裝必須滿足2個要求：

（1）拉線式位移傳感器的移動拉繩需要連接在與動觸頭相連的部件上，以精確反映動觸頭的位移變化。

（2）拉線式位移傳感器的移動拉繩必須與動觸頭相連的帶電部件高電壓可靠絕緣。

所以，該裝置設(shè)計了符合上述要求的拉線式位移傳感器的安裝方式。位移傳感器固定安裝在斷路器車架底座上。采用環(huán)氧樹脂絕緣材料制作了Г形絕緣連接拉桿。其中，橫向拉桿一端通過螺栓固定在動導(dǎo)電桿的末端；縱向拉桿一端與位移傳感器的移動拉繩相連。該安裝方式保證了位移傳感器移動拉繩與動觸頭的聯(lián)動。對該安裝方式進行了工頻耐壓試驗，在斷路器導(dǎo)電體與地之間分別加工頻電壓25，50，70 kV，持續(xù)時間均為2 min，未發(fā)生導(dǎo)電體沿Г形絕緣連接拉桿對地的放電現(xiàn)象，說明該安裝方式具有可靠的絕緣性能。

該裝置采用的振動傳感器是反應(yīng)斷路器在分（合）閘操作過程中開關(guān)振動情況的關(guān)鍵元件，是確定斷路器分（合）閘時間的重要依據(jù)。振動傳感器的安裝位置必須滿足2個要求：

（1）充分反映斷路器縱向上動、靜觸頭在分離或碰撞時刻的振動情況。

（2）與斷路器帶電部分要可靠絕緣。

所以，符合上述要求的安裝位置在斷路器車架底座上，靠近電流互感器瓷外殼旁。

可見，監(jiān)測裝置及各種傳感器安裝在真空斷路器本體上，不僅可保證各種電氣狀態(tài)量（電流、電壓）以及機械狀態(tài)量（位移、振動）的精確變換采集，而且保證與斷路器的高壓帶電部分的可靠絕緣，不會對斷路器的正常操作及運行造成影響。

1.3 監(jiān)測分析軟件

監(jiān)測分析軟件是在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心，通過該軟件可對被監(jiān)測的真空斷路器的健康狀況進行判定。當(dāng)變電所某臺被監(jiān)測的真空斷路器進行分（合）閘操作后，該斷路器的在線監(jiān)測裝置將分（合）閘時直流控制回路的電流、電壓采樣數(shù)據(jù)，合閘時儲能電機的電樞電流、電壓采樣數(shù)據(jù)，動觸頭位移采樣數(shù)據(jù)以及斷路器振動采樣數(shù)據(jù)實時上傳至監(jiān)控計算機，監(jiān)測分析軟件將根據(jù)該采樣數(shù)據(jù)生成采樣錄波數(shù)據(jù)文件和波形文件，繪制電流、電壓、位移、振動的錄波曲線（圖3—圖5）。計算出該次分（合）閘操作的電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)，從而對斷路器控制回路的異常和故障進行分析及預(yù)測，對斷路器的機械性能是否滿足要求進行分析；計算出儲能電機運行過程的電氣特性參數(shù)，從而對儲能電機、儲能彈簧的故障進行分析及預(yù)測。

圖3 合閘錄波曲線圖

圖4 分閘錄波曲線圖

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

在線監(jiān)測裝置與后臺監(jiān)控計算機之間組建的通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線通信形式。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性，抗干擾能力強?？紤]到監(jiān)測系統(tǒng)所運行的牽引變電所裝有動態(tài)無功功率補償裝置（SVC）,所內(nèi)電磁干擾較強，所以在該系統(tǒng)中，CAN總線的通信介質(zhì)采用光纖，使監(jiān)測系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)的抗干擾能力進一步增強。

圖5 儲能電機錄波曲線圖

2 在線監(jiān)測分析原理

監(jiān)控計算機的監(jiān)測分析軟件將依據(jù)各監(jiān)測裝置上傳來的采樣數(shù)據(jù)，計算出斷路器分（合）閘操作的電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)的變化判斷斷路器可能出現(xiàn)的異常和故障。

2.1 分（合）閘電氣特性參數(shù)

斷路器每次分（合）閘操作時所表現(xiàn)出的電氣特性參數(shù)如下：

（1）電流特征值I1及對應(yīng)時間T1，對應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的第1個峰值點。

（2）電流特征值I2及對應(yīng)時間T2，對應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的第1個谷值點。

（3）電流特征值I3及對應(yīng)時間T3，對應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的第2個峰值點。

（4）電流特征值I4及對應(yīng)時間T4，對應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的最早零值點。

（5）電流上升率k，k = I1/ T1。

（6）電流峰谷差I(lǐng)12，I12= I1- I2。

（7）電壓特征值 U，對應(yīng)圖3、圖 4中的電壓曲線。

2.2 分（合）閘機械特性參數(shù)

斷路器每次分（合）閘操作時所表現(xiàn)出的機械特性參數(shù)如下：

（1）分（合）閘時間tf（th）。綜合圖3、圖4中位移曲線和振動曲線，通過位移曲線所反應(yīng)的位移變化，確定振動信號處理的區(qū)段，在該區(qū)段中對振動信號采用短時能量法[3]進行處理，從振動信號中準(zhǔn)確地提取斷路器的分（合）閘時間。

（2）動觸頭行程S，對應(yīng)圖3、圖4中位移曲線的首末之差。

（3）分（合）閘速度 V，由動觸頭行程與分（合）閘時間計算得出。

（4）合閘動觸頭彈跳次數(shù)n及彈跳時間Th，由圖3中位移曲線的波動情況確定。

（5）分閘動觸頭反彈幅度Hf，對應(yīng)圖4中位移曲線的第1個反彈點。

2.3 儲能電機電氣特性參數(shù)

（1）電流特征值I1及對應(yīng)時間T1，對應(yīng)圖5中電流曲線的第1個峰值點。

（2）電流特征值I2及對應(yīng)時間T2，對應(yīng)圖5中電流曲線的第1個谷值點。

（3）電流特征值I3及對應(yīng)時間T3，對應(yīng)圖5中電流曲線的第2個峰值點。

（4）電流特征值I4及對應(yīng)時間T4，對應(yīng)圖5中電流曲線的最早零值點。

（5）電壓特征值U，對應(yīng)圖5中的電壓曲線。

（6）儲能電機帶載運行做功W，依據(jù)圖5中電流i和電壓u，計算W = ∑uit。

3 試驗結(jié)果分析

為驗證監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，特對被監(jiān)測的ZN42-27.5型真空斷路器的直流控制回路及機械傳動機構(gòu)設(shè)置一些異常和故障，以檢驗在線監(jiān)測系統(tǒng)對該異常和故障的反應(yīng)能力，特別是通過試驗找出不同的故障與斷路器各種電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。以下是其中的一些試驗結(jié)果與結(jié)論：

（1）斷路器直流控制回路異常試驗（控制回路卡滯）。在斷路器合閘線圈上增加彈簧，以增大線圈吸合的阻力，模擬卡滯問題。進行斷路器合閘操作，從監(jiān)測分析軟件提取斷路器合閘過程的電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)，比較測取參數(shù)與正常合閘參數(shù)發(fā)生變化的情況，試驗結(jié)果見表1。

通過對卡滯試驗結(jié)果與正常試驗結(jié)果的對比可得：合閘控制回路發(fā)生卡滯后，I1增大，T1增大，I2增大，T2增大，k減小，I12減小，th增大，V減小。所以，以上特性參數(shù)的變化可作為斷路器直流控制回路發(fā)生卡滯故障的判斷依據(jù)。

表1 直流控制回路異常試驗參數(shù)對比表

（2）斷路器機械傳動機構(gòu)異常試驗（分閘摯子調(diào)低）。將斷路器的分閘摯子調(diào)低。進行斷路器分閘操作，從監(jiān)測分析軟件提取斷路器分閘過程的電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)，比較測取參數(shù)與正常分閘參數(shù)發(fā)生變化的情況，試驗結(jié)果見表2。

表2 機械傳動機構(gòu)異常試驗參數(shù)對比表

通過對分閘摯子調(diào)低試驗結(jié)果與正常試驗結(jié)果的對比可得：分閘摯子調(diào)低后，tf減小，V增大，其他特性參數(shù)變化不大。所以，單純的分閘時間tf減小，V增大，可作為斷路器分閘摯子位置不合適，需要進行調(diào)整的判斷依據(jù)。

（3）儲能彈簧變軟試驗。將斷路器正常的儲能彈簧更換為拆舊回來的老化彈性不足的彈簧 A和B，分別進行斷路器合閘操作后，儲能電機運行，從監(jiān)測分析軟件提取儲能電機的電氣特性參數(shù)，比較換彈簧前的參數(shù)與換彈簧后的參數(shù)發(fā)生變化的情況，試驗結(jié)果見表3。

表3 儲能彈簧變軟試驗參數(shù)對比表

通過對換彈簧前的試驗結(jié)果與換彈簧后的試驗結(jié)果對比，可得：I2減小，I3減小，W減小。儲能電機在每次運行時，監(jiān)測電樞電流特征值I2和I3的變化趨勢，以及電機做功的變化趨勢，特別是重點關(guān)注其下降減小的趨勢，對于判斷斷路器的合閘儲能彈簧是否老化很有幫助。

4 結(jié)語

針對ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了真正意義的牽引供電系統(tǒng)電氣設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與管理，斷路器不論是在試驗位置還是在運行位置的每次分（合）閘操作后，其過程的各種電流、電壓、位移、振動等狀態(tài)量均以文件的形式被實時存儲、管理，依據(jù)這些狀態(tài)量計算出的電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)對當(dāng)前斷路器的健康狀況給與量化說明，使運行人員能準(zhǔn)確地了解斷路器的運行狀況。檢修人員可根據(jù)電氣特性參數(shù)和機械特性參數(shù)以及這些參數(shù)的變化趨勢判斷斷路器的異常和故障，有針對性的合理的安排檢修，避免了大量的盲目檢修，這對保證牽引供電系統(tǒng)高壓設(shè)備的可靠運行具有重要的意義。

[1]鐵道部. 牽引變電所運行檢修規(guī)程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2000.

[2]鄢備. 鐵路牽引變電所在線檢測系統(tǒng)方案的探討[J]. 電氣化鐵道，2009，（5）：15-17.

[3]孟永鵬，賈申利，榮命哲. 真空斷路器機械特性的在線監(jiān)測方法[J]. 高壓電器，2006,（1）：31-34.