高压断路器机械故障诊断专家系统设计
摘要：高压断路器安全可靠运行具有十分重要的工程意义，在调研高压断路器
常见机械故障类型的基础上，探讨了不同故障产生的原因。

目前国内外高压断路
器机械故障诊断技术，从机械故障特征量的提取以及故障识别的角度进行了分析。

最后综合高压断路器机械故障诊断技术发展现状，指出了目前机械故障诊断急需
解决的问题及其发展方向。

关键词：高压断路器；机械故障；故障诊断
高压断路器是电力系统中重要的电力设备，当电力系统出现短路等异常情况时，断路器的拒动﹑误动﹑慢动和三相不同期性等机械故障都可能造成恶性事故，甚至可以引起设备爆炸。

断路器操作时发出的机械振动信号是一个包含丰富信息
的载体，它含有大量的设备状态信息。

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，这样强烈的冲击振动在传感器测量上比较容
易实现，因此通过测量振动信号就可以进行断路器的故障诊断。

一、断路器机械故障及其产生原因
高压断路器机械状态十分复杂，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惟一的。

从传动机构到操作机构故障，从部件松动到润滑失效均会导致机械故障。

常见的
操动机构有电磁操动机构、弹簧操动机构以及液压操动机构。

不同操作机构失效
现象大致可分为拒动和误动两大类，根据实际操作经验和理论分析结果，将电磁
操动机构断路器故障详述。

电磁操动机构断路器故障分类。

电磁操动机构断路器
异常现象可分为拒合和拒分两类，误动包括合后即分和无信号自分2 类。

1）拒动，拒合。

① 铁心不启动。

二次回路连接松动；辅助开关未切换或者接触不良；直流接触器接点被灭弧罩卡住或者接触器吸铁被异物卡住；熔丝熔断；直流接触
器电磁线圈断线或烧损；合闸线圈引线断线或线圈烧损；2 个线圈极性接反；合
闸铁心卡住均等导致铁心不启动。

② 铁心不启动，连扳机构不动作。

合闸线圈
通流时端子电压太低；辅助开关调整不当过早切断电源；合闸维持支架复归间隙
太小或未复位；合闸脱扣机构未复归锁住；滚轮轴合闸后扣入支架深度少或端
面磨损变形扣不牢；合闸铁心空行程小，冲力不够；合闸线圈有层间短路；开关
本体传动机构卡涩等故障均导致铁心不启动，连扳机构不动作。

拒分。

① 铁心
不启动。

二次回路连接松动或接触不良；辅助开关未切换或接触不良；熔丝熔断；铁心卡住；线圈断线或烧损；2 个线圈极性接反等均能够导致铁心不启动。

② 铁
心启动，脱扣板未动。

铁心行程不足；脱扣板扣入深度太深；线路内部有层间短
路等均能导致铁心启动，脱扣板不动。

③脱扣板已启动。

机构或本体传动机构卡涩。

2）误动。

合后即分。

合闸维持支架复位太慢或断面变形；滚轮轴扣入支架
深度太少；分闸脱扣板未复归，机构空合；脱扣板扣入深度太少，未扣牢；二次
回路有混线，合闸时分闸回路有电；合闸限位止钉无间隙或合闸弹簧缓冲器无缓
冲间隙。

无信号自分。

分闸回路绝缘有损坏造成直流两点接地；扣入深度小，扣
合面磨损变形；分闸电磁铁最低动作电压太低；继电器接点因振动误闭合等会导
致电磁操动机构误动，无信号自分。

二、断路器机械故障检测方法
高压断路器的操作过程伴随着一系列的机械、电气、振动、声音等信号，这
些信号信息包含了整个断路器的运行状态。

通过分析不同状态的机械、振动、声
音和电气信号可以判断断路器的运行状况，对断路器的运行状态进行诊断。

根据
国家有关标准，高压断路器设备机械特性参数包括：分闸时间、合闸时间、分闸
同期性、合闸同期性、开距、超程、刚分（合）速度、平均速度和最大速度等。

高压断路器机械特性在线检测研究方法主要有行程一时间检测法、分合闸线圈电
流检测法、振动信号检测法。

1、行程—时间检测法。

行程—时间特性曲线是表征高压断路器机械特性的重
要参数，典型合闸行程—时间特性曲线。

根据动触头的行程—时间特性曲线再结
合其他参数，可以获得其他机械动作的参数，如动触头合、分闸操作的运动时间
﹑动触头行程﹑动触头的刚分速度和刚合速度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。

动触头是记录断路器分合闸操作最为直接的手段。

目
前工程中通常采用直线式光电编行程—时间特性曲线编码器或者增量式旋转光电
编码器。

将直线式光电编码器安装在断路器做直线运动的机械传导机构连杆上，
旋转式光电编码器安装在断路器机械操动机构的转动轴上，采集传感器测量数据，分析得到行程—时间特性曲线。

对比2 种光电编码器特点，旋转式光电编码器质
量轻，力矩小，可靠性较高，因此应用范围更广。

行程—时间检测法利用断路器
机构的运动轨迹，比较理想地完成了高压断路器机械特性的检测任务。

但该方法
利用信息较少，并且检测结果准确性受现场安装情况影响较大。

2、分合闸线圈电流检测法。

当分合闸线圈中通过电流时，电磁铁产生磁通，在电磁力作用下完成断路器的分合闸操作。

线圈中的电流波形能够反映电磁铁本
身和其控制的锁门或阀门以及连锁触头在操动过程中的工作情况，通过监测分合
闸线圈中电流随时间的连续变化，可获得二次操作回路的状态。

典型开关分（合）闸线圈电流波形。

根据分合闸线圈电流特性波形和铁心运动过程的对应关系，能
够判断断路器操动机构的运行状态如：分合闸时间、分合闸速度、三相不同期性
等一系列机械状态特性参数。

分合闸线圈电流检测法原理简单，较好地实现了机
械状态的在线监测。

但也存在相应不足：首先，电流信号采集环节受放电、磁场
等影响较大，该方法实现在线监测必须要有效果非常好的屏蔽装置。

其次，反映
故障类型有限。

主要反映集中在铁心上的机械故障，不能反映其他的机械故障问题。

3、振动信号检测法。

高压断路器分合闸时，机械操作机构发出的机械振动信号中包含着大量状态信息，通过合适的振动传感器和先进的信号处理方法能够分
析出整个分合闸过程以及断路器的运行状态。

相比分合闸线圈电流检测法，振动
信号检测法测量不涉及电气量，不受电磁场干扰。

传感器安装于断路器外部，对
断路器无任何影响，并且振动传感器尺寸小，工作可靠，价格低廉，灵敏度高。

断路器操作是瞬时性动作，动作时间短暂且无周期性，同时不同振动信号之间也
具有很大随机性，因此要求监测过程采样频率很高。

由于信号处理分析过程较为
复杂困难，目前学术界尚无较为完善的分析处理方法很好地解决断路器机械特性
的精确在线测量和诊断问题。

振动信号在线监测法的研究，国内外均处于积累数
据和探索分析阶段，尚无成熟产品问世。

振动信号检测法充分利用整个分合闸过
程的信息，前景巨大，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。

目前高压断路器机械状态在线诊断的研究先后经历了行程—时间检测法和分
合闸线圈电流检测法以及目前研究较多的振动信号检测法。

已经取得了一定突破
性进展，然而目前对断路器机械状态在线监测及故障诊断技术大多基于某种单一
特征量的监测结果，很少对比分析不同种类状态信号的特征并作综合评判。

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