真空断路器在线监测的意义和监测项目探讨

　　真空断路器在线监测的意义和监测项目探讨

　　吴纪顺 张宗九

　　1、开关设备在线监测意义

　　电力是人类生产、生活能量需求的主要来源，在国民经济各方面包括各行各业的新建项目以及改造扩建工程，对电气设备的安全可靠都提出了较高要求。当前，虽然优质产品的价格相比于普通产品要高得多，但人们仍然会习惯选用质量较好的产品，以保证电力的正常供应。

　　电网的可靠运行关系到国计民生的大事，一方面要关注110kV及以上高压、超高压、特高压电气设备的安全可靠性。另外，要高度重视整个电网中关系到千家万户的基础部分，即10~35kV电压等级的供配电系统的安全可靠性，它将影响到整个电网及基础供用电，并牵涉到各行业用户和广大人民群众的正常生活，其安全运行关系重大。现在，在供配电系统尤其是量大面广的10kV电压等级开关设备中，广泛采用各种型式各种参数的真空断路器，其运行是否正常对整个系统的安全是至关重要的。

　　由于运行条件、使用方式、包括真空断路器的生产过程不同，在我们实际使用这些电气设备时可能存在着问题和隐患。并不是所有产品都如我们希望的那样，在其寿命期内都能正常运行。一旦出现故障，将威胁到正常的电力传输和供应，造成停电事故，甚至造成人员伤亡、重大经济损失等严重后果。

　　很显然，各种故障和事故的发生，都不会是偶然的，都会有一些先兆。提前发现和掌握先兆，可以让很多事故消灭在萌芽状态，从而可以避免很多损失。为此开发和研制能预判故障的智能设备，成为电气行业技术人员所长期关心、关注和期待的课题，期望这种智能化开关设备能早日面市，服务于电网，服务于人类和国民经济。由于高压真空断路器品种多、使用范围广，研制和开发真空断路器的在线监测意义重大，也成为创建智能电网中的一个重要课题。

　　2、真空断路器在线监测项目确定

　　有很多项目能标志着高压真空断路器的技术性能，首先要通过权威检测单位的型式试验检验。而每台产品出厂前除了外观检查，必须经过严格的出厂试验检验，依靠检测数据来判别其性能状态。各种数据关系到相应的产品性能特性，主要检测项目包括机械和电气等方面的内容，例如有机械特性测量、导电主回路电阻测量和绝缘性能试验等。判断设备是否合格或是否存在故障的依据为，试验检测结果是否符合各自产品的技术条件，超出各自的技术条件均为非正常状态。

　　当断路器进入现场运行后，由于多种原因，性能参数可能出现变化，影响断路器的正常运行。根据我们多年来的运行实践，断路器机械特性由于机构装配、润滑变化、操作磨损和各种气候条件影响等众多原因，出现故障的几率最高;回路电阻由于断路器中电气联接基本上都是采用紧固件固定连接，接触面及接触压力不会有太大变化，因此导电回路的回路电阻比较稳定;至于设备的绝缘性能，由于目前国内外真空断路器的真空灭弧室制造水平较高，特别是生产工艺比较先进，出现灭弧室真空度下降的几率非常非常少，同时实践证明产品固体绝缘材料长期运行的稳定性也比较好。因此，真空断路器的故障主要是机械性能故障。

　　从CIGRE(国际大电网会议)第13研究委员会对高压断路器的可靠性作过两次世界范围的调查结果上，也能反映出上述运行经验的正确性。第一次调查于1974~1977年进行，第二次调查于1988~1991年进行，调查结果显示，高压断路器故障的类型主要有机械原因包括拒动和误动事故、绝缘事故、开断事故和载流事故等几种。从主要故障原因的分布上看，机械故障(包括操动机构和控制回路)占全部故障的80%以上。因此，如果能做到对真空断路器机械特性进行在线监测，对设备的安全运行、降低维护费用、特别是减少维护人员工作量有着重要的实际意义。

　　3、机械特性在线监测内容

　　真空断路器的机械特性测量内容比较多，为了便于比对，我们新研制产品的在线监测内容与产品常规出厂机械特性试验项目应该基本相同，具体包括以下参数：分合闸位移-时间(s-t)曲线、开距、超行程、分合闸时间、平均速度、刚合速度、刚分速度、分合闸线圈电流等。因为这些参数对断路器的运行可靠性是决定性的参数，是考核断路器性能状态是否完好的重要指标。这些参数合格，在真空灭弧室完好的基础上，就能保证断路器的机械动作可靠，就能满足设备长期通电及分断各种电流包括正常工作电流和额定短路电流以下的一切故障电流的要求。所以，各项机械性能监测参数对断路器的运行都极为重要，现扼要表述如下：

　　1)分合闸位移-时间(s-t)曲线。可以准确反映断路器动触头运动轨迹及特性，与该型号的断路器标准曲线比对，可以反映出断路器各项动作数据的变化规律，及时发现故障类型。

　　2)刚分速度。刚分速度是断路器能否成功开断短路电流最关键的数据，刚分速度达不到要求会导致短路开断时燃弧时间过长，触头烧蚀加剧，甚至造成开断失败。

　　3)超行程。合格的超行程可以确保触头的刚分速度和分闸速度，并确保触头接触压力符合产品要求。

　　4)刚合速度。监测装置可以精确计算出断路器触头在刚合瞬间的合闸速度，刚合速度过低，在关合短路故障时容易发生触头熔焊。

　　5)开距。断路器触头开距直接影响着灭弧室真空断口绝缘水平和开断能力，开距过小可能造成断路器短路开断后的重燃，开距过大会则会影响真空灭弧室波纹管伸缩长度，从而降低真空灭弧室寿命。

　　6)分合闸时间。分合闸时间的变化可以反映出分合闸线圈和机构各传动环节等状况，反映各运动部件是否灵活正常以及机构是否磨损等信息。

　　7)平均速度。触头运动的平均速度反映出断路器在动作过程中受力情况是否正常，平均速度过高，会影响断路器的机构强度，并可能引起操作振动等问题，平均速度过低则会影响短路开断电流或短路关合电流的能力，因此要将平均速度保证在合理的范围。

　　8)分合闸线圈电流：分合闸线圈电流不正常可以反映机构卡涩、机构转轴生锈、开关分合闸是否到位、分合闸线圈铁芯是否卡死等异常情况，线圈电流通电时间过长可能造成线圈烧毁，这些异常情况都可以从线圈电流波形及数据上反映出来。

　　4、断路器在线监测是实现状态检修的必备条件

　　长期以来，高压断路器的检修维护都是采用离线监测和定期检修的模式，随着电力系统的扩大、电网结构的复杂和当今科学技术的发展，对电力系统安全可靠性指标的要求也越来越高。这种传统的定期检修和离线式机械特性试验诊断的模式已越来越不能适应需要，对于设备运行中机械性能变化则无法及时顾及，盲目的定期检修包括对断路器进行机械特性检测本身就是一项繁琐的工作，针对性不强，效果极差。相反，安装在线监测装置就会带来很多好处。

　　1)离线检测方法工作量大，检修质量得不到保证。对现代真空断路器进行机械特性测试，一般需要拆掉底盘车并在绝缘拉杆底部安装位移传感器，常规的12kV真空断路器重达150kg，在运行现场常常没有吊车，要拆掉底盘车安装传感器是非常困难的，往往需要三到四人配合才能完成，将造成人力、物力、财力的极大浪费。

　　拆卸底盘车和安装传感器等工作，需要专门的工具和专业的人员来进行。用户在现场完成了机械特性测试后复装时，一般没有专门工具，缺少专业人员，很难将断路器设备复装如初，也会因此埋下事故隐患。

　　2)定期检修影响开关设备质量。频繁且针对性不强的检修试验和部件拆换往往还会影响真空断路器的原有稳定性，甚至会影响其正常运行，增加事故率。因此，真空断路器机械特性的在线监测显得尤为重要。

　　3)防止维修过剩和维修不足。根据设备的实际状态进行检修和维修，针对性强，最大化地节省不必要的检修开支。因为可以进行有针对性的维修，防止了设备的大拆大卸造成的人为故障和零件的损伤，可以保证修一个好一个，提高了设备的健康水平，延长了设备的使用寿命。由定期检修向状态检修转变是时代发展的需要，状态检修是最科学合理的检修方式。

　　4)可以减少恶性事故的发生。通过在线状态监测，可以提前发现事故隐患，把事故消灭在萌发期。

　　5)有利于优化最佳的运行方式。根据大量状态监测参数，分析性能指标下降的原因，通过调整个别设备及运行方式，从而保证生产的安全经济运行。

　　CIGRE第13研究委员会在其工作报告中指出：现有的“维修对于发现断路器缺陷而言并非十分有效，相反有时还会带来不必要的事故”。因此，加强高压断路器的运行和维护管理，有必要加强断路器状态的监测与诊断技术的研究，以提高断路器运行的可靠性，根据在线监测进而推广状态检修，对于减少断路器事故是十分必要的，同时又会大大降低维修费用。

　　可见，真空断路器机械特性在线监测技术的发展，是其故障诊断技术发展的基础，并将推动智能化断路器的进程。

　　5、研制产品已通过试验并已投入运行

　　南京南自西电电气有限责任公司经过多年的研究与开发，已经成功实施了真空断路器的机械特性在线监测，该装置完全按照运行状态条件进行监测的要求设计，装置的测量精度等同于现行出厂检验设备的检测水平，并通过了短路电流等条件下的电磁兼容试验。

　　该公司已研制成功带有在线监测装置的智能真空断路器产品，并已有成功运行的经验。

　　并且，公司所研制的在线监测装置与原断路器的操作、控制系统相对独立，自成一体互不干涉。因此，可以与各种类型真空断路器配套使用，对于将要投运或已经正常运行的各个真空断路器，都可以加装所研发的在线监测装置，使之具备在线监测的功能，从而提高设备的安全运行和经济运行水平。

　　作者简介：

　　吴纪顺 南京南自西电电气有限责任公司常务副总经理 长期从事高压真空断路器的研究、开发与制造工作

　　张宗九 江苏省电力科学研究院教授级高工 长期从事高压开关的运行、试验、维护工作