高压断路器状态监测与故障诊断优化方案

（一）断路器机械故障的监测与诊断

1.合、分闸线圈电流的监测

图5-1　断路器分闸线圈正常电流波形图

断路器合、分闸线圈电流的监测是通过其电流波形的诊断来判断机械系统的变动情况。当断路器机构传动系统卡涩时，合、分闸线圈中的铁芯驱动脱扣系统将产生阻力，其电流波形会发生明显变化，记录每一次断路器操作过程中合、分闸线圈电流的波形，分析波形中特征点的时间参数，并进行前后对照比较，是诊断断路器机构异常的重要方法。图5-1显示了分闸的正常电流波形（合闸线圈类似）。图中t0为断路器分（合）闸的正常命令下达时刻，t1为线圈中电流、磁通上升到铁芯开始运动的时刻；t2为控制电流的谷点，表示铁芯已触动机械负载而明显减速；t3为断路器辅助触点切换的时刻。t2－t1表征铁芯空行程有无卡涩及机械负载变动情况，t3－t2表征操作传动系统运动情况。

电流的波形及其特征量可以反映的状态有：①铁芯空行程；②铁芯卡涩；③线圈状态；④与铁芯顶杆连接的锁闩和阀门的状态；⑤合、分闸线圈的辅助触点状态与转换时间。可据此进行机械故障诊断。几种典型的不正常电流波形及其故障类型如图5-2所示。

图5-2　合、分闸线圈几种典型的电流波形

（a）正常的电流波形；（b）电磁铁开始动作有卡涩或铁芯空行程太大；（c）电磁铁动作有卡涩或铁芯空行程太小；（d）铁芯总行程和空行程均太小

2.行程、速度的监测

真空断路器行程的监测可选用旋转式光栅行程传感器，安装在操动机构的旋转轴上，间接计算触头的运动特性，其原理如图5-3所示。

图5-3　旋转式光栅传感器的结构原理

1—旋转轴；2—光栅；3—接收元件；4—狭缝；5—发光元件；6—信号处理单元；7—输出单元

由图5-3可见，将圆形光栅安装在真空断路器操动机构的旋转轴上，发光元件发出的光经过圆形光栅为接收元件所接收。圆形光栅旋转时接收元件将接收到一系列光脉冲并将之转换为电脉冲。经数据处理后可得断路器操作过程中的行程和速度随时间的变化关系。据此可计算出动触头行程、合分闸同期性、超行程、平均速度、刚分后及刚合前10 ms内速度的平均值、最大速度等。(www.xing528.com)

3.振动信号的监测

真空断路器在合、分闸过程中，由于操动机构、连动机构、动触头等的运动、撞击，将产生一系列振动信号。应用振动传感器（通常使用频率响应达几十k Hz的加速度传感器）在断路器体外采集振动信号，经信号处理后可以得到一系列反映断路器机械振动的参数，可用以判断真空断路器的机械状态。

（二）真空度在线监测

真空断路器的真空度在线监测就是在不改动开关主体结构以及在带电的前提下，无论开关处在关合或分断状态，都可以实时监测其真空度的变化。目前在线监测的方法主要是电光变化法，其原理是利用某些光学元件如泡克尔斯（Pockels）在电场中能改变光学性能的原理，把与真空度对应电场的变化转换成光通量的变化，再经光纤传到低电场区或控制系统中进行检测。

图5-4所示为表示具有浮动电位保护屏（中间保护屏）的真空断路器断面模式图。中间保护屏电位仅由C1（导电杆与中间保护屏之间的分布电容）和C2（中间保护屏与接地板之间的分布电容）的分压决定。若真空度恶化，则电极和中间保护屏之间就发生放电，其结果是中间保护屏和高压部分基本上处于同电位，因此，中间保护屏与大地间的电场将发生变化。所以从中间保护屏电位的变化过程可推知灭弧室真空度的劣化过程。

图5-4　真空断路器断面模式图

虽然直接测量中间保护屏的电位有困难，但通过在图示位置设置电场检测传感器，就能了解中间保护屏的电位变化。利用真空断路器的框架将电场检测部分固定在各相真空灭弧室的附近，并将三个检测部分用光导纤维与变换器连接。

图5-5所示为泡克尔斯效应原理图。变换器部分内装的发光二极管发出的光经光导纤维送至检测部分，在检测部分中首先由透镜得到平行光束，再通过薄膜式起偏镜将其极化为直线偏振光，射入泡克尔斯元件。当泡克尔斯晶体上施加有电场时，晶体会产生双折射，如使用的起偏镜和检偏镜性质相同，并使入射光成某一固定角度的话，随着电场的变化，透过泡克尔斯元件输入到受光二极管中的光通量就会一一对应地变化。利用这一反映电场变化的信号，就可以对真空断路器的真空度状况进行判定、输出报警信号并显示。

图5-5　泡克尔斯效应原理图

该方法因为利用系统电压，所以不必准备其他高压电源，又因为各相能够分别判定，所以处理事故迅速、容易，且变换器部分和检测部分用光导纤维作电气绝缘，非常安全。操作人员不必靠近断路器，不会因操作断路器而引起事故，又由于是非接触检测，所以不影响断路器性能。

断路器在线监测和故障诊断技术是集传感、微电子、光电、计算机、通信、网络和信息等高新技术与传统的断路器技术相结合的综合性、跨多学科的一项新技术。虽然至今仍有许多关键技术没有解决，但是通过检测监视、故障分析、性能评估等对于设备出现的隐患及损坏趋势可以及时检测到，避免事故时断路器跳不开，同时可为断路器优化设计提供需要的数据和信息，以使断路器在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，提高运行可靠性、安全性，以期把故障损失降低到最低水平。相信随着检测与诊断技术的不断完善，真空断路器的状态检修必将获得广泛应用。