探究高压断路器机械故障诊断技术

Technological Process

探究高压断路器机械故障诊断技术

■ 高崇 李刚

摘要：高压断路器是电力输送过程中十分重要的开关装置，具有保护和控制电力系统安全运行的作用。因此，有必要对高压断路器机械故障进行诊断，分析发生机械故障的原因，总结故障检测的技术。

关键词：高压断路器 机械故障 开关装置 诊断技术

0 引言

高压断路器的种类很多，结构复杂，另外其性能又受到安装的地理环境和天气状况等外部因素的影响，所以高压断路器的故障类型各不相同。通过分析国内外对高压断路器故障相关统计数据发现，其中机械故障占了60% ~ 70%左右，因此，研究分析高压断路器机械故障类型和原因，实时监测高压断路器的运行状态，及时发现并解决高压断路器潜在的机械故障，将有利于高压断路器的稳定运行，提高供电系统的安全性能和经济性能，构建强大的智能电网。

通过导电总成时，导电总成始终闭合良好，但是当异常电流通过导电总成时，导电总成能够配合继电保护器迅速切断电路。绝缘总成主要作用是满足断路器各结构之间的电气绝缘要求。接触与灭弧总成的重要功能是闭合和切断电路，以及消除合闸和分闸过程中的电火花，它承担着高压断路器的安全性能。操作机构总成的主要功能是完成动静触头接触和分开。通常操作机构总成根据功能实现方式的不同又可以分为多个类型，一般包括弹簧操动机构总成、液压操动机构总成、电磁操动机构总成以及气动操动机构总成。

1 高压断路器结构和各构件的功能

高压断路器型号繁多，但是大部分结构都是由两个经典类型演变而来：一种是外壳带电型，另一种是外壳接地型。其结构如图1所示。

2 高压断路器机械故障

综合国内外统计数据发现，断路器机械故障中50%左右是由操作机构总成引起的，约29%由二次控制回路故障引起，其他因素所占比例很小。因此，本文重点分析操

作机构总成引起的高压断路器机械故障。

由上文分析知道，高压断路器操作机构总成根据实现功能方式不同可以分为多个类型，但是它们发生故障的原因大致可分为拒动和误动。

根据实际情况，把不同操作机构总成的故障原因大概分析如下。

液压操动机构总成主要发生的故障有：液压阀油压太低、管道堵塞、液压阀阀杆故障和电磁铁行程故障等。

弹簧操动机构总成经常发生的故障有：连接螺栓松动、铁芯卡涩、机构本体机械卡涩、

弹簧发生形变和连杆发生变形等。

电磁操动机构总成经常发生的故障有：支架位置不当、机械卡塞、止钉位置太高或太低和铁芯顶杆过长或脱落等。

操动机构总成失灵经常发生拒合、拒分、误动等故障。其在机械结构方面表现出来的主要现象为机构部件卡涩；零件发生变形，位移甚至被损坏；分合闸开关铁心松动不畅；轴销松动断裂等；另外，操动机构总成故障在辅助回路上主要表现为触头二次接线接触不良，端子松动等。

图1 高压断路器两种经典类型

根据图1可知，高压断路器根据结构划分，一般包括几种结构：断路装置、绝缘支撑器件、操动装置、传动杆装置以及二次控制回路和支撑底座等。断路装置的功能是接通和切断线路中流过的电流，在断路装置中灭弧室的作用最为关键，其运行状态直接影响高压断路器的工作性能。按照各个结构件的功能和用途，高压断路器由以下总成组成：导电总成、绝缘总成、接触与灭弧总成以及操动机构总成。导电总成主要功能是接通和切断电流，当正常电流

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2019.6 设备监理

3 高压断路器机械故障诊断技术

对机械设备的故障诊断，大都通过机械设备在运行过程中表现出来的各种特征信息来分析判断，比如机械振动信号、电磁电气、声音等。这些特征信息包含了机械设备的各种运行状态。通过分析在操作高压断路器过程中产生的各种特征信息，来判断高压断路器运行是否正常。

通过查找相关国家标准可知，高压断路器的特征信息主要包括:分/合闸时间、分/合闸同期性、刚合速度、刚分速度、平均合闸速度和最大合闸速度等。目前，对高压断路器的检测方法主要是根据这些特征参数来分析判断的。主要包括：利用行程—时间曲线检测；利用电磁铁线圈电流波形检测；利用振动信号检测。

（1）利用行程-时间曲线检测技术。高压断路器机械行程-时间曲线（如图2）表征了高压断路器主触头在试验中的运动轨迹，其中包含3个动作：1）oa表示合闸信号发出后，操纵杆推动动触头开始运动；2）ab表示动触头开始运动以及动静触头接触瞬间的动作；3）ef表示主动头进入静触头的动作。在高压断路器行程-时间特性曲线中，确定动触头在图2曲线上所处位置，就可以得到相应的时间参数，然后利用位移和时间参数就可以求出高压断路器的机械性能参数。

图2 高压断路器行程-时间特性曲线

图2曲线利用高压断路器零部件的远动轨迹，能够在理想状态下检测出高压断路器的机械性能，但是这种检测技术运用的信息比较少，而且得出的结果受现场环境因素的影响比较大。

（2）利用电磁铁线圈电流波形检测。在高压断路器中电池的主要作用是推动操动机构完成动静触头的分行，当电磁铁接收到动作指令后，其线圈中就会产生电流，进而

技术工艺

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就会有电流波信号产生。根据检测电磁铁电流随时间的持续变化，能够得到高压断路器的二次操作回路的状态。通过分闸和合闸时电磁铁线圈电流波形和电磁铁铁心运动位置的对应关系，能够很好地判断高压断路器操动机构总成的运行状态，如分闸和合闸时间及速度、三相不同期性等一系列运行状态特征参数。电磁铁线圈电流波形检测技术相对简单，可以较好地完成高压断路器机械运行状态的实时监控。但是这种检测技术也有很多不足之处：检测必须在较好的屏蔽密封装置中；其次主要反映电磁铁铁芯的机械故障，反映问题有限。

（3）利用振动信号检测。高压断路器接通和断开电路时，各种机械部件就会发生相应的运动，产生机械振动信号。这种振动信号含有大量关于高压断路器运行状态的信息，利用适当的振动传感器把这种信号采集出来，然后利用时域、频域或时频域等信号处理方法，提取出各种高压断路器运行状态特征量。

这种检测高压断路器故障的方法不受电气设备和电磁场的干扰，且所需传感器体积小，运行稳定，精确度高，成本低，因此，很受欢迎。但是机械运动具有随机性，所以信号采集以及后期处理较为复杂。

4 高压断路器故障诊断技术的探索

综上所述，通过对常见几种检测技术的分析发现，单一的检测技术有其优点，也有不可避免的缺陷。通过不断摸索，建立一种新的模型，能够更精准地反馈高压断路器运行过程中发生的机械故障。首先利用振动传感器、霍尔传感器、光电编码器、声学传感器等采集高压断路器运行状态的各种信息，利用小波包层次熵对采集的信号进行处理，然后与样本数据进行比对，发现异常信号立即发出警报。参考文献

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作者简介：

高崇，国网湖北招标有限公司质量监督部，硕士研究生，电气自动化工程师，注册设备监理师。

李刚，国网宜昌供电公司物资部。

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2019.6

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