斷路器監(jiān)測及故障診斷分析

謝軍

摘 要：低壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，其可靠運(yùn)行對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定至關(guān)重要。本文首先選取了個(gè)低壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測特征參數(shù)，然后根據(jù)這六個(gè)參數(shù)對斷路器故障進(jìn)行診斷分析。

關(guān)鍵詞：斷路器；監(jiān)測；分析；

文章編號：1674-3520（2015）-08-00-01

低壓斷路器是低壓輸配電網(wǎng)絡(luò)中最重要的基礎(chǔ)元件之一，大量應(yīng)用于建筑物低壓供配電系統(tǒng)中。低壓斷路器的故障不但會造成停電事故，甚至?xí)＜肮╇娋€路和用電設(shè)備的安全，從而造成更為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，由于低壓配電設(shè)備在建筑領(lǐng)域大量使用，也使得因?yàn)殡姎庠O(shè)備異常溫升而導(dǎo)致的電氣火災(zāi)數(shù)量和造成的損失不斷增加，對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和國家工農(nóng)業(yè)發(fā)展都產(chǎn)生了負(fù)面影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“八五”期間，我國的電氣火災(zāi)總數(shù)為48375起，占火災(zāi)總數(shù)的24.1%，據(jù)各類火災(zāi)原因的首位，這其中就有由于低壓斷路器接線端子接觸不良而導(dǎo)致的異常溫升引起的火災(zāi)。因此，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)性技術(shù)，低壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷為實(shí)現(xiàn)由計(jì)劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。

一、低壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測特征參量的選取

低壓斷路器的狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容是建立在對故障的統(tǒng)計(jì)和分析之上的操動(dòng)機(jī)構(gòu)包括2個(gè)部分，一是機(jī)械傳動(dòng)部分，二是包括控制機(jī)械部分，包括合、分操作的控制回路和輔助回路，如接線端子、接觸器、輔助開關(guān)、分合閘線圈、微動(dòng)開關(guān)、電機(jī)、氣體繼電器、安全閥等二次元件，控制機(jī)械部分簡稱二次部分。目前低壓斷路器機(jī)械故障的監(jiān)測和診斷在低壓斷路器的狀態(tài)監(jiān)測中占很重要的地位，斷路器的開斷電流的大小對于判斷斷路器的電壽命是必不可少的條件。因此，對處于工作電壓的元部件進(jìn)行監(jiān)測對判斷斷路器的運(yùn)行狀況也是非常重要的。綜上所述，通過對斷路器故障的統(tǒng)計(jì)，在分析研究的基礎(chǔ)上，本文歸納出SF6斷路器的在線監(jiān)測內(nèi)容及特征：分、合閘線圈電流分析，斷路器振動(dòng)信號分析，開斷電流信號分析，斷路器的動(dòng)作特性分析和斷路器的溫度監(jiān)測。

二、低壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測特征參量的特性分析

（一）分、合閘線圈電流分析。電磁鐵是低壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要元件之一，低壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級控制元件。合、分閘線圈的作用是把來自電源的電能轉(zhuǎn)化為磁能，并通過鐵心的動(dòng)作，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械功輸出。大多數(shù)斷路器均以直流作為控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著可作為機(jī)械故障診斷用的重要信息，反映了電磁鐵本身以及所控制的鎖門或閥門以及連鎖觸頭在操作過程中的動(dòng)作情況。通過實(shí)時(shí)記錄每一次開關(guān)操作過程線圈電流的波形，分析上列有關(guān)參數(shù)是診斷斷路器機(jī)械操動(dòng)系統(tǒng)的重要信息。根據(jù)得到的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)時(shí)間、鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等，并根據(jù)斷路器自身參數(shù)范圍，比較判斷操動(dòng)機(jī)構(gòu)是否己有鐵心空行程、彈簧卡滯等故障，從而預(yù)告故障前兆。

（二）斷路器振動(dòng)信號分析。低壓斷路器是一種瞬動(dòng)式的機(jī)械，在動(dòng)作時(shí)，具有高強(qiáng)度沖擊、高速度運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。其動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力可達(dá)數(shù)萬N以上，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)觸頭系統(tǒng)能從靜止?fàn)顟B(tài)加速到每秒幾米，加速度達(dá)到100倍于重力加速度的數(shù)量級；而在制動(dòng)、緩沖過程中，撞擊更為強(qiáng)烈。這樣強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)提供了更為敏感的診斷信息，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。機(jī)械振動(dòng)總是由沖擊受力、運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變引起的。在斷路器結(jié)構(gòu)上，動(dòng)作一般由操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，推動(dòng)動(dòng)觸頭系統(tǒng)。在一次的操作過程中，有一系列運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的啟動(dòng)、制動(dòng)、撞擊出現(xiàn)，這些運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變都在其結(jié)構(gòu)構(gòu)架上引起一個(gè)個(gè)沖擊振動(dòng)。振動(dòng)波經(jīng)過結(jié)構(gòu)部件傳遞、衰減，在傳感器測量部位測到的是一系列衰減的沖擊加速度波形。這些沖擊振動(dòng)都可以與結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化找到對應(yīng)得關(guān)系，為狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了可能。

（三）開斷電流信號分析。低壓斷路器在正常情況下，可以開斷、關(guān)合及承載運(yùn)行線路的正常電流，在這種情況下，斷路器是起控制作用的設(shè)備。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流比正常負(fù)荷電流大的多，這時(shí)的電路最難開斷。一般來說，對開斷電流信號的采集主要用于低壓斷路器電壽命的計(jì)算。斷路器觸頭的磨損與斷路器的開斷電流有著直接的關(guān)系。在嚴(yán)重短路的瞬間，短路電流中會出現(xiàn)一定幅值的非周期分量，使CT鐵心很快達(dá)到飽和，激磁阻抗大大降低，激磁電流增大，使二次波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。由于磁通不能突變，因此發(fā)生故障后，磁通總是隨著時(shí)間延遲而增大。從故障開始到CT飽和會經(jīng)歷一段時(shí)間，大約在初期的114周期內(nèi)，電流是正常的。隨著激磁電流中直流分量的衰減，二次電流逐漸增大。當(dāng)激磁電流飽和時(shí)，二次電流即出現(xiàn)缺損狀況。

（四）斷路器的動(dòng)作特性分析。斷路器的運(yùn)動(dòng)特性包括斷路器的時(shí)間特性、速度特性及行程特性。而時(shí)間和速度均可通過斷路器的行程一時(shí)間曲線得到。無論配用何種機(jī)構(gòu)的低壓開關(guān)，在合閘和分閘時(shí)都需要一定的時(shí)間。低壓開關(guān)的固有合閘和分閘時(shí)間與開關(guān)的速度密切相關(guān)，直接影響開關(guān)的斷和關(guān)合性能。如果開關(guān)需要的分閘時(shí)間過長，合閘速度自然降低，滅弧性能受到影響而導(dǎo)致開關(guān)分?jǐn)嗍?；如果開關(guān)的合閘時(shí)間過長，分閘速度自然降低，電動(dòng)力增大而導(dǎo)致開關(guān)關(guān)合失?。蝗绻嗤谛詴r(shí)間差過大，會使線路和變壓器非全相投切而產(chǎn)生危害絕緣的操作過電壓。通過斷路器的行程一時(shí)間曲線得到的時(shí)間參數(shù)、速度參數(shù)及行程參數(shù)對于診斷斷路器的機(jī)械故障有著重要的意義。

（五）斷路器的溫度監(jiān)測。低壓開關(guān)是長期載流的電氣設(shè)備，由于導(dǎo)體存在一定的電阻，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)就會產(chǎn)生熱損耗，而交變電磁場作用于導(dǎo)體周圍的鐵磁物體和絕緣介質(zhì)會產(chǎn)生鐵磁損耗和介質(zhì)損耗，這些都是熱源。SF6斷路器的觸頭被封閉在密封的容器內(nèi)，滅弧室不允許被打開，因此將測溫裝置安裝在滅弧室內(nèi)直接測量其溫度從而計(jì)算溫升是不能實(shí)現(xiàn)的。由于紅外線的穿透能力較弱，紅外輻射基本不能穿透絕緣材料和斷路器的滅弧室外殼，所以也無法直接用紅外熱成像裝置監(jiān)測斷路器高電壓部分熱缺陷。由于與斷路器觸頭部分的發(fā)熱時(shí)間長而且比較穩(wěn)定。故障點(diǎn)的熱量可以通過熱對流與故障點(diǎn)周圍的導(dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，引起這些部位的熱量升高，特別是與之有電器連接的導(dǎo)體也是熱的良導(dǎo)體，而會有顯著的溫升和形成周圍表面溫度場的變化。因此，判斷斷路器低壓帶電部分的熱故障可以通過被測斷路器外部的熱場分布及其金屬件的溫度來綜合、總體判斷。

三、結(jié)語

總之，對低壓斷路器實(shí)施狀態(tài)檢修，可以有效的減少過早或不必要的停電試驗(yàn)和檢修，減少維護(hù)工作量，降低維修費(fèi)用，提高檢修的針對性，可顯著提高其運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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