高压断路器动作特性监测新技术研究与应用

刘 洋，王昭斐，马 逊，赵 勇，南 洋，夏博雅，王德敏

（国网北京市电力公司检修分公司，北京 丰台 100071）

电能作为重要的二次能源资源，在现代经济和人们生活中起到关键性作用，随着经济和社会的不断发展，对电能质量和可靠性方面的要求越来越高，高压断路器作为重要的电力系统一次设备，其安全可靠运行是电网稳定运行的前提条件。

目前，主要是通过对高压断路器进行定期的停电例行检修维护来判断断路器的工作状态，但是随着用户对供电可靠性要求的不断增加，停电检修难度加大，只通过目前例行的停电检修维护远远满足不了断路器状态判断的要求。

因此，研究者们提出了高压断路器在线监测技术[1-6]，即在断路器不停电的基础上，对断路器进行状态操作以及电网改变运行方式的过程中，通过实时监视断路器的分、合闸线圈在动作过程中的电流波形变化，判断断路器工作状态，结合数据库中的历史数据来分析断路器的运行状态的技术。同时，对断路器的运行状态进行综合评估，从而及时发现断路器可能存在的隐患和问题，并采取主动积极的管控措施，将问题解决在萌芽阶段，确保电网的安全可靠运行。

1 国内外有关断路器监测技术的研究

目前，国内外对断路器的动作特性在线监测技术方面都有研究[7-9]，虽然国内的研究起步较晚，但也取得了丰硕的成果。同时，许多科研单位及厂家也对断路器动作特性在线监测装置有所研究[10-12]，通过调研及现场实验分析，这些装置普遍存在着监测数据精度低、可靠性差、装置故障率高及维护困难等问题。本文基于分合闸线圈电流信号，研究开发的高压断路器动作特性在线监测装置，经过现场大量数据实验验证，该装置具有原理先进、操作简单、监测精度高级检修维护方便等特点，已经广泛应用于国网北京电力公司、国网冀北电力公司等多家网省公司，并取得了良好的经济效益。

2 高压断路器在线监测装置总体设计

断路器动作特性监测装置是利用霍尔电流传感器采集分、合闸线圈工作过程中线圈电流随时间变化波形曲线，来分析判断断路器机构动作状态的一种新技术。装置主要由信号采集模块、数据处理模块和数据分析模块三大部分组成。其示意图如图1所示。

图1 高压断路器在线监测装置的组成

根据线圈电流波形曲线的变化，结合线圈铁芯运动过程，大致分为5 个阶段，每个阶段分别对应铁芯不同的运行规律，如图2所示。

图2 典型线圈电流曲线

t1时刻：线圈铁芯克服自身阻力开始运动。分合闸线圈中的电流从零开始以指数形式增加，当电流增加到一定值时，电磁吸力大到足以克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力之和，铁芯开始运动。

t2时刻：铁芯碰触到断路器脱扣器。随着铁芯开始运动，速度逐渐增加，电流出现降低，直到铁芯顶杆碰触到脱扣器。但由于现有断路器铁芯行程普遍较短，在现场实测t2点时刻的电流波形往往不明显。

t3时刻：铁芯推动脱扣器，断路器脱扣，断路器主触头开始随机构动作，实现分合闸。铁芯顶杆碰触到弯板，铁芯的运动速度降低，电流再次增加。铁芯运动到t3时刻，铁芯达到了最大行程并保持在此位置。此时的电感为另一常数，电流按指数规律上升到稳态值，电流稳态值由电源电压和线圈电阻决定。

t4时刻：断路器设备主触头分/合闸动作完成。

t5时刻：断路器辅助接点断开，切断分/合闸控制回路。当然，实际现场测试结果可能与理论波形有所区别，但是正常的线圈电流波形曲线大致一致。

经过分析，从定性角度考虑得出结论：铁芯动，电流降；铁芯静，电流升。通过分合闸线圈电波形随时间变化的波动趋势，判断分合闸线圈卡涩、三相脱扣时间一致性、机构运动不稳定、线圈匝间短路以及传动或转动部件严重卡涩等隐患。

3 断路器动作特性监测装置的应用

基于此断路器动作特性在线监测装置，2021年3 月对某变电站220 kV 组合电器设备进行断路器动作特性的测试工作，积累相关数据，为之后数据的分析对比奠定基础。

分析图3～4的监测结果，可以得到：断路器三相分合闸动作时间、分合闸动作同期较为一致，满足厂家规定要求，断路器机构动作正常，不存在铁芯卡涩、线圈卡涩、脱扣器卡涩、线圈卡涩等问题，整体分析结果表明断路器状态基本正常。

图3 某变电站220 kV断路器分闸线圈电流波形（1）

图4 某变电站220 kV断路器分闸线圈电流波形（2）

通过对图5 中断路器合闸线圈电流波形进行分析，虽然从整体波形分析看，断路器的合闸时间、合闸同期合格，但断路器在完成合闸脱扣后，波形发生不规则的波动，说明断路器机构存在卡涩问题，须加强观察。

图5 某变电站断路器合闸线圈电流波形

4 结束语

针对传统断路器动作特性检测手段单一，无法实现对断路器机械特性实时监测的问题，本论文采用基于分合闸线圈电流波形分析断路器运行状态检测技术，为解决采用传统方式检修存在的漏洞提供了一种很好的弥补手段。实现断路器机械特性的在线实时监控；随着数据量的不断积累，建立各种型号的断路器分合闸线圈电流波形“指纹数据库”，利用先进的算法分析技术，实现实时在线分析、异常报警等功能，及时判断断路器运行状态，为制定断路器检修策略提供数据支撑。通过现场验证及应用，达到预想的效果。