高压断路器机械特性在线监测的研究姓名：李盟班级：研电0905班学号：1092201068指导老师：王伟高压断路器机械特性在线监测的研究1概述1.1断路器机械特性在线监测的意义3kV 及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统中最重要的控制和保护设备。

无论电力线路处在什么状态，例如空载、负载或短路故障，当要求断路器动作时，它都应能可靠的动作，或是关合，或是开断电路。

概括的讲，高压断路器在电网中起着两方面的作用：第一，控制作用。

根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。

第二，保护作用。

高压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。

总之，高压断路器能够开断、关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电流。

根据控制、保护的对象不同，高压断路器可分为发电机断路器、输电断路器、配电断路器、控制断路器。

按灭弧原理又可划分为油断路器(包括多油和少油断路器)、压缩空气断路器、6SF 断路器、真空断路器、磁吹断路器等。

目前应用较多的是少油断路器、真空断路器和6SF 断路器。

其中,真空和6SF 断路器是主要的发展方向。

高压断路器与其它电力设备如电机、电抗器、电容器相比，有以下几个特点：结构的多样性、试验的重要性、要求高度的可靠性。

电力系统的运行状态和负载性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器，要保证电力系统的安全运行，对它的要求也是多方面的，如对电气性能、机械性能、开合能力以及断路器所处自然环境的要求，但是高度的可靠性是对高压断路器最基本的要求。

与高压断路器所保护的设备，如发电机、变压器相比，单台断路器的价格低得多。

但是因断路器故障造成的损失，如引起其它电力设备的损坏和电力系统的停电，则远远超过断路器本身的价值。

因此要十分重视断路器工作的可靠性，认真对待设计、加工、生产、检验、安装、运行、维修等各个方面，以最大限度地保证断路器的可靠性。

对高压断路器实施预测性维修和科学化管理是断路器运行环节中提高可靠性的最有效途径。

断路器的在线监测工作，无论是国内还是国外，都还没有通用的在线监测装置标准产品，各研究机构或制造厂家根据不同的断路器装置和用户要求而生产不同的产品。

国外由于起步早，产品相对比较成熟；国内尚在不断的探索之中。

如今，一些发达国家对高压开关设备的机械特性诊断技术己日趋成熟，并且已有了功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。

在我国，断路器机械特性在线监测技术发展起步较晚，近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器在线监测和故障诊断方面的工作。

总的来说，断路器的在线监测装置可以分为两种类型，一种是具有综合功能的在线检测装置，它监测断路器的状态参数相对多一些，如断路器的分、合闸速度和时间、断路器的开端电流和燃弧时间、气体压力等；另一种则是专门的参数状态监测装置，如断路器的机械状态监测、绝缘的在线监测、温度监测等。

从发展的趋势看，无论是具有综合功能的在线检测装置还是专门的参数状态监测装置，在其不断改进发展的进程中，都在向技术更先进、可靠性更高的智能化方向发展，都将成为智能化断路器的一部分而融合到其整体中去。

（要不要）断路器的状态监测内容主要包括：机械特性监测、操动机构的储压系统监测、绝缘状态监测、灭弧室和灭弧触头电磨损监测等。

据国际大电网会议（CIGRE ）13.06工作组对包括22个国家102个电力部门所作的第一次国际调查结果表明，在1974-1977年间，1964年后投运的63kV 及以上电压的各种断路器共77892台年，其中大型事故中机械性故障占70.3%。

工作组对1978年后安装的72.5kV 以上单压式6S F 高压断路器的事故统计表明，操动机构及辅助回路元件的事故占75%，灭弧室及绝缘部分只占20%。

国内的统计也有类似情况。

例如电力部电力科学研究院统计的1990年全国6kV 以上高压断路器的故障中，拒分、拒合和误动作三类机械故障共占46%。

可见，对于高压断路器实施机械特性的监测，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。

由于现有高压断路器机械特性在线监测装置功能不全，缺乏足够的数据积累，即使有了大量数据，故障诊断的分析能力也不足。

因此，开展综合性的高压断路器机械特性监测技术的研究工作具有重要的学术意义和实用价值。

1.2断路器机械特性监测的内容断路器机械机构的状态获取是十分复杂的，某一种故障对应了机构的多种状态特征；同时，机构的某一状态特征发生变化对应的故障原因或故障点也不可能是唯一的。

目前监测断路器操动机构主要采用信号比较方法，当某一状态特征与正常情况信号相比发生明显变化时，就可能发生了故障，而对引起故障原因的具体类型和部位则还需要经验加上理论进行更为深入的分析。

实现断路器机械特性在线监测的方法很多，如频谱分析，红外线分析，系统动态响应特性的测试分析，系统压力的动态测试，组件壳体的振动信号分析，超声波的分析等。

这些方法原理各异，现场实施难度和成本也不同。

因此要获取断路器所有的机械状态特征既不现实，其经济性也是电力部门不能接受的。

但是，如果能可靠地将断路器机械状态概率最大的故障检测到，或者按照概率因素分配监测系统资源和重要性权重,那么就既可以显著提高设备可靠性，又可以降低监测系统的复杂性，节省费用，其实用性价比也大大提高。

机械状态的诊断旨在考查断路器机械机构的工作参数变化和机械故障，它关系到灭弧系统的工作是否正常，也是本论文研究的主要内容。

目前高压断路器机械特性在线监测研究主要有以下三个方面：1)断路器行程-时间特性的监测在以往断路器的离线监测中, 通常使用示波器和滑线电阻器等方法来测量动触头的位移量。

这种方法对于在线监测存在安装不方便、受周围强电磁场的影响较大以及测量精度不够等许多缺点。

随着计算机及电子技术的发展，现在可以记录开关每一次分﹑合闸操作的动触头运行参数，根据动触头的行程-时间特性曲线再结合其它参数，可以提取各种机械动作的参数，如可以计算动触头合、分闸操作的运动时间﹑动触头行程﹑动触头的刚分速度gf V 和刚合速度g h V 及动触头运动的平均速度和最大速度以及速度-时间曲线等。

一般说来，它们都有其最佳范围，分、合闸过程中的最大分闸速度与最大合闸速度不宜过大，否则会对结构的零部件造成很大的撞击，给缓冲器工作带来负担。

分、合闸速度过小，往往会造成动触头不能可靠的分合闸动作，使断路器失去保护和控制功能，因此对于断路器动触头的行程-时间曲线的监测是很重要的。

2)断路器振动信号的监测高压断路器是一种瞬动式机械,在其分合过程中,有一系列运动构件的起动、制动、撞击的出现,这些运动形态的改变都在其构架上引起多个冲击振动,每个振动对应着断路器分、合过程中特定的动作事件。

这些冲击振动的波形呈上升和衰减过程,其峰值点在时间上具有很好的辨认性。

但是,从振动发生到振动传感器测量到的峰值时间之间,总会由于振动波的传播带来一定的误差,因此峰值时间较振动发生时间有一定的时间延迟。

不过,监测系统只是根据振动信号来求取各个振动事件之间的时间差,并不一定需要知道其发生的准确时刻。

所以只要每个事件均进行了相似的简化,时间差的计算误差不受影响,可以利用振动信号的峰值时间作为各个振动事件的发生时刻,并将它们相减后得到动触头运动过程中各个振动事件之间的时间差。

此外，将动触头的行程信号同该合、分时刻结合,并根据相应的定义,就可以计算出刚分(合)速度、行程、超行程；将三相的分合时刻相差就可获得该次动作的不同期参数。

但是利用振动信号进行断路器的故障诊断，有其方便之处，也有其特殊的困难，这是由高压断路器操作的特点决定的。

高压断路器是一种瞬动式的机械，在动作时，具有高强度冲击、高速的特点。

动作的驱动力可达数万牛以上，在几毫秒左右时间里动触头能从静止状态加速到几米每秒，加速度可达到数百倍重力加速度，而在制动、缓冲过程中，撞击更为强烈。

这样强烈的冲击振动在传感器测量上比较容易实现，这是有利的一面。

除了操作振动之外，由断路器内部接触不良引起电磁力改变而导致的振动信号变化，局部放电或导电微粒运动引起的振动以及机械构件松动造成的振动等，也可以在机座外壳上监测到。

但是，断路器操作是一次性瞬动，不是重复周期性的运动，这也给监测和诊断带来困难。

动作过程很短暂，要求测量采样频率很高，其振动是一次瞬变的非平稳振动信号，与周期地重复信号相比，从记录方式到信号处理分析都要复杂困难的多，分析处理方法还很不完善。

由于断路器操作振动的复杂性，实测数据随机性强，所以对操作振动的研究，国外也还处于积累数据和探索分析方法的阶段。

但是只要有合适的传感器和信号处理技术，振动信号检测将成为高压断路器机械状态监测和诊断最有前途的方法之一。

3)分合闸线圈电流的监测高压、超高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操动机构，这类机构的分合闸脱扣电磁铁，在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致断路器拒动，此类故障每年约占全国开关拒动、误动总事故率的26.1%。

而电磁铁铁芯的动作状况，可以通过铁芯运动与电流特性的关系反映出来。

在每次分、合过程中, 直流电磁线圈的电流随时间变化, 此变化波形中蕴藏着极为重要的信息。

线圈电流波形可以反映的状态有铁芯行程、铁芯卡滞、线圈状态 (如是否有短路匝)、与铁芯顶杆连接的铁闩和阀门的状态、合、分线圈的辅助接点状况与转换时间。

通过对分合操作线圈动作电流的监测, 运行人员可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及铁芯的运动有无卡滞等, 为检修提供一个辅助判据。

2 断路器机械特性在线监测2.1 断路器行程-时间特性的监测2.1.1 监测的目的高压断路器的行程-时间特性是表征高压断路器机械特性的重要参数，也是计算高压断路器分、合闸速度的依据。

高压断路器分、合闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度，对断路器的开断性能有至关重要的影响。

高压断路器动触头速度的测量，主要是通过测量动触头的行程-时间关系，然后经过计算得到动触头的速度等参数。

众所周知，分闸速度的降低将使电弧燃烧时间增加，从而加速断路器触头的电磨损降低断路器的使用寿命；分闸速度过高，又会使机构承受过大的机械应力和冲击，从而造成个别部件的损坏或者缩短使用寿命；断路器分合闸的严重不同期将造成线路和变压器的非全相运行，从而可能出现导致绝缘损坏的危险的操作过电压、继电保护误动作等不利现象。

因此，高压断路器的行程-时间特性监测，是高压断路器在线监测的重要内容。

2.1.2 监测的原理目前测量高压断路器的行程-时间特性，多采用光电式位移传感器与相应的测量电路配合进行，常用的有增量式旋转光电编码器或直线光电编码器。