高壓斷路器狀態實時監測與故障檢修措施分析

中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 熊宇洋

目前的高壓斷路器按滅弧介質可分為少油、空氣、真空、SF6等，其中SF6斷路器主要用于35kV以上電壓等級。斷路器在電力系統中應用廣泛，具有保護和控制的作用，斷路器的典型結構如圖1，其中1為開斷元件、2為絕緣支柱、3為基座、4為操動機構、5為絕緣套管、6為接地外殼。斷路器能在滿足電網實際需求的情況下，使得電氣設備或其他工作線路進入停止狀態，然后轉變為檢修狀態[1]。

圖1 斷路器典型結構簡圖

如整個電力系統在運行過程中發生故障問題，斷路器可通過繼電保護裝置來將整個電力系統的運行保護起來，特別是針對于電網運行中的故障部位，及時將故障部位與其他正常運行部位斷開，這樣在后續應用的過程中剩下的其它部分仍能正常工作運行?，F在最常用的斷路器是SF6斷路器，因該類斷路器與其他斷路器比較起來性能更好。這種斷路器絕緣性及滅弧性能良好且具有很強的開斷性，斷口電壓相對較大，并具有更好的機械強度，實施維護更加簡單。因為這些特點，SF6斷路器在超高壓領域上完全代替了其他種類斷路器。

1 高壓斷路器故障分析

1.1 拒動故障分析

高壓斷路器的拒動故障有拒分和拒合兩種情況。其中相對來說較為嚴重的是拒分故障，這種故障的出現會導致整個電路系統引發越級跳閘，進而使得系統出現問題，導致事故的范圍變大。實踐表明，在運行過程中高壓斷路器的拒分狀況是最常出現的，會導致機械故障與電器故障兩種不同的類型出現。

機械因素。機械故障主要是因為操作機構與傳動系統存在問題。一般較普遍的故障現象有部件出現變形、損壞或機構卡澀等。其中機械卡澀的問題發生最頻繁：由于分(合)閘線圈鐵芯配合的精度不足、在運動時存在很大阻力線圈與傳動位置出現機械損壞，液壓機構閥體內閥桿等部件出現腐蝕現象、進而導致后續的機械安裝過程中存在較為嚴重的質量問題。

電氣因素。因電氣控制和輔助回路出現問題導致的拒動故障大約是總故障的32%。常見的故障現象有分合閘線圈燒損、二次接線故障等。分合閘線圈燒損大部分情況是因長久的機械故障導致電氣方面出現問題，二次故障使得二次接線接觸不良從而發生電氣故障問題[2]。

1.2 誤動故障分析

二次回路原因。主要是因二次回路接線端子受潮，這在一定程度上減小了端子的絕緣性，二次回路中導致分閘和合閘回路線路端子出現放電現象，這種狀況會引發短路，斷路器產生誤動操作。另一方面，由于二次回路的元件質量不合格，很多情況下二次回路的電纜易出現破損，也會使得斷路器發生誤動。如斷路器的操作電壓比標準要求還低，在受到外界因素影響的情況下很易導致斷路器出現誤動現象，繼電保護裝置發生誤動作。

液壓機構原因。斷路器在制作的過程中，由于廠家疏忽導致裝配質量降低，液壓機構出現一定的質量問題，同時清潔度也不足、使得密封圈出現損壞情況，液壓油泄漏或是機械機構出現質量問題，會使得斷路器整體出現嚴重的故障問題；彈簧操動機構原因。在對斷路器進行檢修過程中，由于操動機構沒有科學合理地對分(合)閘摯子尺寸進行調整，在很大程度上影響了彈簧預壓縮量，導致彈簧預壓縮量不合理，使得彈簧機構無法繼續維持，引發斷路器自分或者自合。

1.3 絕緣故障分析

內絕緣故障。斷路器的絕緣故障問題是因斷路器內存在異物，而異物的出現是因斷路器在應用過程中或安裝過程中出現了本體內部的剝落物，異物就導致了斷路器本身的放電存在故障。不僅如此，如觸頭和屏蔽罩安裝的位置不合理會使得二者間出現摩擦，進而觸頭與屏蔽罩會發生磨損，導致金屬顆粒脫落，也會引發內絕緣故障[3]。

外絕緣和瓷套閃絡故障。主要因瓷套外絕緣線路問題、外絕緣尺寸不滿足標準規范、瓷套制造質量問題等。高壓開關柜很易發生絕緣故障，如柜內放電、相間閃絡等。導致這種故障出現的主因是斷路器和開關柜不匹配，使得絕緣的尺寸不滿足相應標準規范，與此同時也沒有采取合理有效的絕緣措施等。此外也可能是開關柜元件存在質量問題，也會導致出現相間短路的故障。

1.4 開斷與關合故障分析

斷路器通常有少油斷路器和真空斷路器兩種，少油斷路器發生故障的位置一般噴嘴處，此位置很易發生短路現象，滅弧室很易出現損壞，會使斷路器的開斷發生故障問題。真空斷路器容易出現故障的位置是真空滅弧室，具體原因是內部的真空度出現了問題，真空斷路器的關合能力會發生故障，這種情況使得開關就易發生斷開或是關合失敗，導致滅弧能力減小，從而引發問題。

1.5 載流故障分析

常見的載流故障是由于觸頭的接觸不良或者是溫度過高而導致引發的。目前大多數的接觸不良現象都是由于兩個觸頭在進行接觸過程中沒有對準，從而導致噴口處出現較為嚴重的開裂現象，這種現象就會導致開斷關合出現問題；或者是隨著開裂現象的進一步加深使得觸頭溫度嚴重升高，進而出現絕緣問題和載流問題。兩個觸頭沒有對準的情況，是因為在實際的裝配過程中工作人員并沒有采取合適的措施對觸頭進行處理，使得動觸頭與靜觸頭對中存在很大偏差，進而引發故障。

1.6 外力及其他故障分析

外力與其他故障大部分情況下都只會導致斷路器出現問題而不會引發事故，然而其在一定程度上反映了開關設備存在安全問題，并在一定程度上威脅著設備運行的穩定性和安全性。

泄露故障。出現泄漏故障主要是因為密封圈出現老化或者損壞、閥系統密封度不好、壓力表接頭出現泄漏問題等。液壓機構泄漏油問題是比較常見的一種問題，主要原因在于廠家的制造水平。

部件損壞。主要是因為傳動部件缺乏足夠的機械強度，同時密封件的質量不符合標準規范。不僅如此，因為安裝以及檢修的質量較低沒有辦法及時發現存在的問題，從而會導致斷路器的缺陷變得更嚴重，進而引發故障。密封件損壞有下列兩個主要原因：密封件的質量不符合要求，很容易出現老化的情況，而且使用的壽命比較短；在檢修或者是裝配的時候，密封件受損或者安裝位置不正確、加固時壓力過大導致密封件出現非常嚴重的變形，都會一定程度上影響部件的使用壽命。

2 高壓斷路器狀態實時監測分析

SF6密度監測。目前我國大部分的高壓斷路器都是使用的是SF6斷路器。而對于這種斷路器來說，SF6氣體密度以及氣體的性能與斷路器的使用狀況息息相關。如果在使用過程中SF6氣體的密度減小，那么就會導致該類型的斷路器整體絕緣性能和滅弧性能有所下降。導致這種現象的主要原因就是該種斷路器中的SF6氣體出現了泄漏，這就使得氣體的密度逐步下降。針對這種狀況，工作人員需要進行壓力測試，并根據監測的結果來準確反應氣體的實際密度，從而可明確斷路器有無故障。

觸頭壽命監測。斷路器投入使用很長一段時間以后，通常情況下觸頭都會發生磨損現象。因此工作人員需要對觸頭的磨損狀況進行綜合判斷，然后根據斷路器的使用壽命判定是否會受氣以及滅弧介質等多種問題的影響。一般來說，采取特殊的計算可以判斷高壓斷路器的磨損程度，實現實時檢測的效果。

滅弧室在線監測。高壓斷路器的運行狀態會受到外界因素的影響，在外界因素的干擾下，會使得高壓斷路器的絕緣弧性能和絕緣效果都出現問題。如果發生這種問題，滅弧室很可能會發生泄漏或者是微水超標等問題。所以在電網運行時需要強化對于滅弧室的在線監測，確保斷路器在正常的狀態下運行。

溫度信號檢測。高壓斷路器有的時候需要經過很大的短路電流，而且長期需要通過負荷電流，因為導體中有電阻存在，在電流流過導體的情況下會發生熱損耗，這會在一定程度上提高導體的溫度。高壓開關柜的隔離觸頭和各種通過負荷電流的高壓電氣設備的接線端子處等，因為外界因素影響或者是設計和制造過程中存在問題等，會在很大程度上提高這些部位的電阻，所以也會顯著提高這些部位的溫度，因為溫度變大，會導致電連接處的氧化現象加劇，進而不斷提高接觸電阻，如果沒有采取有效措施對這些問題進行處理，最后會導致絕緣件出現損壞、絕緣擊穿等非常嚴重的問題。

為了確保斷路器工作的可靠性和穩定性，需要保障斷路器導體本身以及導電連接處的溫度小于規定值。SF6斷路器觸頭及其他部位最高溫度和允許的溫升極限如表1所示。

表1 SF6斷路器觸頭及其他部位最高溫度和允許的溫升極限

3 高壓斷路器故障診斷措施分析

3.1 振動信號檢測法

高壓斷路器故障診斷過程中，高壓斷路器在分合閘的時候機械操作的構件會出現振動信號，這個信號內包含了大量的狀態信息，工作人員通過使用振動傳感器，對信號進行處理獲取信號內部包含的信息，從而明確高壓斷路器分合閘在工作過程中的狀態。工作人員在使用震動信號檢測過程中，這種方法不會受到外界電氣量或者是電磁場的影響，傳感器是在斷路器的外部安裝的，因此也不會影響到斷路器。不僅如此，振動傳感器在工作的時候比較穩定，而且其尺寸相對來說較小，具有很強的靈敏度。斷路器操作是非常典型的瞬時性動作，所以時間非常短，不同振動信號隨機產生，因此實際檢測時對于采樣頻率有著非常嚴格的標準，這也是使用振動信號檢測法時需要給予重視的地方。

3.2 分合閘線圈電流檢測法

分合閘線圈電流檢測法的應用是使電流通過分合閘線圈，然后這個時候就會在電磁鐵的作用下產生磁通，從而影響斷路器出現分合閘的操作。而工作人員在實際的工作過程中，需要綜合分析電流變化狀況，根據電流隨時間的變化狀況來反應二次回路的實際工作狀態，這樣可更加明顯的反應斷路器機構的運行情況。

3.3 動觸頭行程監測方法

高壓斷路器的行程-時間特性是非常關鍵的機械參數，對于計算分合閘速度至關重要。一般情況下使用直線光電編碼器對行程進行測量。在高壓斷路器直線運動的部件上安裝直線光電編碼器，使用傳感器對分合閘動作時動觸頭的脈沖波形進行讀取，然后把獲取到的脈沖信號利用調理電路傳輸到處理芯片中，借助芯片獲取脈沖信號并實施相關計算。使用分合閘動作時，由動觸頭的行程-時間特性可通過計算的方式得到其運動時間、平均速度等，而且可以知道動觸頭的運動方向還有反彈情況。

綜上，對高壓斷路器狀態進行實時監測的過程中，需要按照高壓斷路器出現的故障現象采取科學合理的檢修方法和輔助措施，這樣才能有效的保障故障診斷工作順利實施?，F階段水力發電廠中計算機科學技術被廣泛應用，高壓斷路器故障診斷方法就是計算機技術應用的充分體現，可迅速確定高壓斷路器中存在的故障類型和原因，在很大程度上強化了高壓斷路器的安全性和可靠性。