摘要 文章结合在高压断路器上开展的状态检修在线监测工作，介绍一种用于监测运行状态下高压断路器操作过程中机械参量的在线监测系统。用它可以判断断路器是否运行在合格范围内，并可发现其变化趋势。该系统可用于指导生产维护，安排检修，提高对高压断路器设备的管理水平。
关键词 高压断路器 状态检修 在线监测
MECHANICAL PARAMETER ON-LINE MONITORING SYSTEM
FOR SF6 HIGH VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS
Wang Changjun
Electric Power Research Institute, State Power Corporation of China
Beijing, 100085 China
ABSTRACT Based on the on-line monitoring experience for condition based maintenance of domestic and imported high voltage circuit breakers, an on-line monitoring system for mechanical parameter of SF6 high voltage circuit breaker within the range of 10～500kV is presented. With this system, the mechanical parameters in switching process, for example, the dynamic displacement of main contact of high voltage circuit breaker, can be monitored and recorded. According to the processed value of the parameters it can be determined whether the parameters are in qualified condition and their variation trend can be judged. Otherwise, based on the processed parameter values the maintenance project of circuit breaker can be laid down.
KEY WORDS high voltage circuit breaker; condition based maintenance; on-line monitoring
1 引言
国际大电网会议对高压断路器的可靠性所作的两次世界范围调查以及我国对高压开关事故统计分析均表明，高压断路器故障80%是机械的原因。大多数故障是操作机构的问题。以往对高压断路器机械性能的检查主要是在设备交接及停电期间结合检修定期进行预防性试验，更换部件，检查操作机构的机械特性。经验表明，频繁的操作及过度的拆卸检修会降低高压断路器动作的可靠性。因此，对高压断路器实施状态诊断或实时在线监测，及时了解其运行状况，掌握其运行特性变化及变化趋势，对提高其运行可靠性极为重要。目前，一些发达国家对高压开关设备的状态诊断技术已日趋成熟，国内也有许多部门开展这方面的工作。中国电科院开关研究所1994年已研制成功KZC-1型高压断路器在线监测仪，并已在现场经实际试运行通过考核。近年来，又结合国产及早期进口高压断路器的状态检修在线监测工作，和衡水供电公司合作研制成功多台SF6高压断路器机械参量在线监测系统，并已投入试运行。
以往，国内外高压断路器机械性能测试项目中，对主触头行程、超程及速度计算中位移量的动态测量多采用光栅法或转角法。但是，光栅法测量位移操作复杂，响应速度及稳定性不够理想；转角法测量装置机械性能不够理想。国外有的厂商干脆回避位移量的测量，而只测合、分闸电磁铁线圈电流波形，也有的靠测量合、分操作过程中机械振动波来分析高压断路器操作机构性能。这些理论与方法尚在发展中，我们的研究工作必须结合自己的生产现状。为此，总结部分断路器生产厂家和供电系统的检修经验，决定在本监测系统中采用CWG型差动变压器式位移传感器测量动态位移量。实践证明，它线性度好，响应速度快，重复性好，是测量高速动态位移量的理想器件。
2 系统组成
该系统由一台中央处理机及多台数据采集站组成，各数据采集站通过传感器及变送器等界面实时采集来自高压断路器的动作信息，一旦超过起动阈值，采集站记录系统开始工作，记录下本次动作的日期、时刻、断路器设备序号及连续一个记录时间段内的有关参数断续定时值。记录时间段为200～1 000 ms,分四档，可根据实际情况人为设定。该功能对于元件磨损变形、零件脱落、机构不良、动作异常的高压断路器诊断监测很有必要。采集站一般可连续记录8次断路器动作数据。
中央处理机同各数据采集站之间通过RS-485接口相连，通信距离约600 m，见图1。中央处理机每日定时顺序访问各采集站。一旦查访到某台断路器的动作数据，即按日期及设备序号将数据存盘待用。非访问期间，中央处理机可对数据进行处理，计算出各断路器动作的机械参量、搜索可打印的数据，打印动作过程曲线。
图1 中央处理机与数据采集站连接示意图
Fig.1 System configuration of data acquision units
3 工作原理
高压断路器主触头在合、分闸过程中，动触头的运动行程规律与主轴连动杆运动行程规律之间的关系曲线近似为直线，即y＝kx，在SF6某断路器中k＝1.1，因此测得断路器主轴连动杆的合、分闸速度特性，即可得到其动触头的速度特性。
本监测系统采用CWG型差动变压器式位移传感器。由一轴式感应变压器及一在其内部可以在轴向自由移动的轻便磁芯组成。断路器分合操作时主轴连杆的运动带动位移传感器金属连杆相对其轴式感应变压器运动，由位移传感器将位移转换成同步变化的电压输出。
本系统中高压断路器操作起动时刻根据合、分闸电磁铁线圈中电流的有无而定。系统采用霍尔型电流变换器作为界面器件，它体积小、电气性能好，且合、分闸电磁铁线圈回路引线穿芯而过，不会对高压断路器主系统的正常运行造成影响。此外，该系统还具有精度高、线性度动态特性好等优点，这对于保证整个系统的测量稳定性及测量精度都十分有利。
对工作在高电压下的主触头换位信号的采集，可以通过电流互感器监测高压开关主触头回路高压电流的有无获得，也可以通过高压开关主轴连动杆的位移间接求得。本监测系统采用后者。在退出高电压情况下对一台高压断路器进行合、分闸操作，同时定间隔地测量记录合（或分）闸电磁铁线圈回路电流IH（或IF）、高压断路器主轴连动杆位移量、高压主触头合分状态信号、动合（常开）辅助接点状态信号。数据采集间隔：模拟量1 ms，开关量0.25 ms。可以得到以时间为自变量的合、分二组操作过程曲线簇。打印出来，即可得到高压断路器合、分闸操作过程中上述四个量随时间的变化过程曲线，如图3所示。多次重复以上操作，会发现曲线上各次合、分操作中，主触头的换位动作与断路器主轴水平连杆移动的位置几乎是相对不变的。拟合各次操作数据，分别得到合、分闸操作拟合曲线。在曲线上找到主触头的相对稳定接触（分离）位置，并以此位置为基准，作为在线运行中该断路器主触头动作的接触（分离）点。
高压断路器主触头动作位移量的确定，由离线状态下对各主触头状态直接测量获得。在线情况下，以此作为背景数据，参与比较计算，配合动合（常开）辅助接点状态的采集，确定实际状态。为了提高整个采集系统的稳定度，各状态开关量输入回路除加有抗干扰元器件外，还在一次接点与采集电子器件之间加有光电耦合隔离器件，如图2所示。采集站可同时采集16个开关状态量，分辨率可达到50 μs。
图2 状态开关量输入回路示意图
Fig.2 Hardware diagram of input circuit of breaker states
高压断路器的实际运行状态，动作是否已经完成则由辅助动合（常开）触点的状态指示。
从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间的时间间隔定义为高压断路器合闸时间。而分闸时间定义为从开关分闸操作（即接到分闸指令瞬间）起到所有极触头分离瞬间的时间间隔。从定义可以看出，合、分操作起始瞬间的选择直接影响着高压断路器机械参量的数值。本采集站起动瞬间的选择是判断合、分闸电磁铁线圈中有电流。起动电流的定值大小影响着测量精度，也影响着测量系统稳定度。从起动时刻开始计时，到电气主触头移动到接触或分离点的时间，即按拟合曲线所指主轴连杆移动到触头接触或分离点的时间就是合、分闸时间。
从合闸前的稳态位置L1到接触点L0，实测位移量L1－L0就是触头合闸行程。从合闸接触时刻t0向前倒推10 ms的位移量L010－L0（L010为合闸前10 ms主触头位置，L0为换位点主触头位置）用来计算开关主触头合闸前10 ms的平均速度10ms＝
。即为一般油、SF6断路器的合闸速度。
从合闸前的稳态位置L1到合闸操作完成后的稳态位置L2，两者位置差L总＝｜L1－L2｜，定义为主触头合操作的总行程。
触头闭合后的行程定为主触头的超行程，即L超＝｜L0－L2｜。
断路器合闸过程中动触头的运动速度定义为合闸速度。因断路器的闭合过程是变速运动过程。通常合闸速度用某一运动区段内主触头的平均速度来表征。本系统该运动区段选在L1、L2两个相反稳定状态位移量之间。经实测，运动过程在两个稳态都有不同的稳定时间，且有一定的机械振动过程。使得L1、L2两个量中有一个为极大值，另有一个为极小值。设实际位移量L1＞L2，可找到L1max及L2min，使得ΔLmax＝｜L1－L2｜＝L1max－L2min。以此为全程位移量，记为100％。计算过程中，在全行程中去掉两头的10％ΔLmax后参与运算。
找到运动中全行程90％的点位置：L1max－ΔLmax/10，点时刻t90，全行程10％的点位置：L2min＋ΔLmax/10，点时刻t10。以这两点之间的平均速度作为断路器合闸的平均速度。V合SP＝(L1max－L2min)/(t10－t90)×4/5。
断路器分闸平均速度V分SP及主触头分后10 ms的平均速度10ms分的计算方法同上。
图3为断路器合(分)闸操作过程曲线。图中L是位移变化时空图。位置0,1,2是离线测量的高压断路器主触头换位时空图（三相），位置C是在线运行态开关动合（常开）辅助接点换位时空图，位置D是监测记录系统起动信号状态时空图，反映分合电流的有无。
图3 高压断路器合(分)闸操作过程曲线
Fig.3 Test characteristics of closing (opening) operation of HV breakers
4 数据处理
本监测系统测量结果的打印格式如下:
每个打印除最末2行是在线实测记录外,其余全部为装入的离线实测背景数据。
e＝Exit p＝print
1998.03.05 06:33:14 294 ms No＝02
Tf0＝025.25 ms Tf1＝025.25m s
Tf2＝025.25 ms Ts0＝000.00 ms
Vfsp＝2.00 m/s V10ms＝2.0 0m/s
Strav＝130.63 mm Strae＝106.88 mm
Strao＝023.69 mm
2号开关分操作结果：
e＝Exit p＝print
1998.03.05 18:44:27 935 ms No＝02
Th0＝131.00 ms Th1＝131.00 ms
Th2＝131.00 ms
Ts1＝000.75 ms Ts2＝002.25 ms
Vhsp＝1.94 m/s V10ms＝3.06 m/s
Strav＝131.81 mm Strae＝096.94 mm
Strao＝034.81 mm
2号开关合操作结果：
其中T:时间 h：合操作 f：分操作 Ts：操作机械振动时延 Strav：开关主触头行程 S：trae主触头空行程 S：trao接触行程
利用本监测系统通过对5台SF6 110 kV高压断路器实际测量结果表明:各断路器接到指令后约在120～140 ms内完成合操作，约在25 ms内触头分离，50 ms内完成分操作。根据运行经验，并参照产品技术条件规定的合(分)闸时间，则可逐步建立高压断路器拒合(分)诊断时间。若在规定的时间内未完成合(分)闸操作，则可判为拒合(分)。在规定的时间内虽完成合(分)闸操作，但时间大大超过140 ms，且接近拒合判据时间，则可定为合闸的时间超长；超过50 ms且接近拒分判断时间，则可定为分闸时间超长。
5 结语
经大量的生产现场实际测量表明，本监测系统运行稳定，数据可靠。系统运算结果与被测对象厂家提供的技术指标吻合。
随着时间的推移，该系统定会提供有价值的数据，及时反映被监测高压断路器运行工况下的机械特性及其变化趋势，以供指导生产。该系统还可监测新投运的断路器，提供其运行特性等数据。至于该系统的投资 ，与价格昂贵的被监测对象及其检修费用相比，其经济效益是明显的。
目前存在的问题及改进方向：
(1)该在线监测系统投运还不久，尚须完善设计和功能，尚缺乏积累数据，因此目前只能参照历史数据。为此，该监测系统应逐步实现数据库建立功能。
(2)以往，我们关心的是机械参量的计算结果（只要结果偏离不大，就认为没什么问题），而对机械运动过程细节关心不多。本监测系统的投入，可以监测到运动过程。为此，该监测系统应逐步实现对高压断路器动作过程细节的波形分析功能。
作者单位：中国电力科学研究院，100085 北京清河
参考文献
1 早丸秀吉酒井道雄.受变电用开闭机器の诊断技术.三菱电机技报，1992，66(12)
2 要焕年.电气设备两种维修制度的比较.电网技术，1997(5)
