基于二次侧电流信号的中压断路器机械特性状态评估方法的研究

摘要：提出了一种基于二次侧电流信号的中压断路器机械特性状态评估方法，通过实时监测断路器分合闸过程中电流的变化进行分析。依据断路器的运动过程，可以将回路电流分成t0到t5等几个阶段，根据各个阶段的电流特征，将同一台断路器不同时间的运动信号进行对比，分析出断路器运动的各个阶段机械特性状态，从而实现断路器二次回路和机械特性的状态评判。开展断路器故障的模拟试验，并应用上述状态评估方法进行检测，结果表明该方法能够有效评判断路器机械特性和二次回路状态，提高断路器运行可靠性。通过此方法，不仅可以及时掌握断路器健康状态，发现潜在缺陷，还可以准确定位故障点，提高检修效率，为现场检修工作提供理论依据。

关键词：中压断路器；分合闸线圈电流；机械特性；状态评估

前言

断路器是电力系统中重要的电力设备，在系统正常运行时完成开关操作，控制电力设备和线路的投切运行，实现负荷调配；当系统发生故障时，断路器能迅速隔离故障线路以保护系统非故障线路的正常运行，防止故障在系统内的进一步发展和扩大[1]。因此保证断路器的运行可靠性对于电力系统是至关重要的。

目前，断路器的检修工作仍停留在计划检修阶段，无法有针对性的开展状态维修，普遍存在检修不足与检修过度的现象。根据国际大电网会议的统计分析结果表明，断路器70%的故障是机械特性原因[2]。所以，针对断路器的机械特性开展状态评估，实现在线监测，提前预判设备的潜在故障，防患于未然，提高设备的稳定性与可靠性，是十分必要的。

断路器机械特性的状态诊断技术，国内外已开展了相关研究。C.H.Lee研究团队提出了基于振动信号包络曲线的分析方法[3]，该方法能够判断出操作杆动作异常、触头过度磨损、缓冲器损坏等常见故障，但该方法也存在缺点，即振动信号没有严格的统一性，其标准包络曲线函数方程较难确定[4]。Runde团队提出了将动态时间规整法应用于断路器振动信号诊断，通过比较断路器振动信号与参考信号在时域上的特征相似度，以实现断路器的故障诊断，但该方法对信号整体强度变化不敏感，因为识别的断路器故障类型比较有限[5]。由于断路器振动信号具有极强的瞬变性，其频率成分复杂，振动信号的研究虽取得了一定进展，但目前仍未得到广泛应用。

本文提出了一种基于断路器分合闸线圈电流的断路器状态评估方法。断路器二次回路的信号驱动一次触头的运动，通过分析断路器二次侧电流信号，可以有效评估断路器运动状态。结果表明，该方法可以有效评估断路器性能状态，提高断路器性能可靠性，确保断路器安全稳定运行。

1.技术原理

断路器一般由触头、灭弧系统、操作机构、传动机构、脱扣器、外壳等构成。二次回路电流信号带动电磁线圈的铁心运动，进而完成脱扣器脱扣，传动机构在储能装置的带动下，带动动触头运动，完成分合闸工作[6]。即通过电流信号，驱动操作机构的电磁铁运动，带动传动机构运动并使动触头动作，从而完成断路器合闸操作。

1.1标准波形

对断路器设备分/合闸控制回路的波形特征分析或统计特性建立控制回路波形的标准参考模式库，通过波形检测结果和模式库比对，就可进行缺陷类型识别。状态诊断准确的关键就是基础数据信息。这些数据可以通过前期积累获得，也可以通过交叉对比来获取。

图1典型断路器控制回路电流波形

图1为典型的断路器设备分/合闸控制回路电流波形图，其中曲线①为断路器触头断口曲线，实线代表断路器处于合闸状态；曲线②为断路器分闸回路电流波形，其含义如下：

t0~t1：铁芯顶杆克服阻力开始运动。

分/合闸回路导通，分/合闸线圈中的电流从零开始以指数形式增加，增加到一定值时，电磁吸力大到足以克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力之和，铁芯开始运动。

t1~t2：铁芯顶杆碰触到弯板。铁芯克服复位弹簧弹力和铁芯自身重力开始运动，速度逐渐增加，电磁铁气隙逐渐减小，电流出现局部降低，直到铁心顶杆碰触到弯板。

注：由于现在断路器铁心顶杆行程普遍较短，且多横向布置，克服重力较小，在现场实测中t2点往往不明显。

t2~t3：铁芯顶杆推动脱扣半轴，断路器脱扣，铁心顶杆运动到最大行程。

铁芯顶杆碰触到弯板，受到弹簧弹力及脱扣半轴的反作用力，铁芯的运动速度降低，电流出现局部的增加。铁芯推动脱扣半轴转动后，继续向上运动，由于脱扣半轴的阻力减小，铁芯运动速度的增加，电流出现局部的减小。

铁芯运动到t3时刻，铁芯达到了最大行程并保持在此位置。此时电感为另一常数，电流按指数规律上升到稳态值，稳态值由电源电压和线圈内阻决定，稳态值的大小可以反映断路器二次回路电源状态。

t3~t4：断路器设备主触头分/合闸完成。T4的具体值需通过停电测试。

t5：断路器设备辅助接点断开，切断分/合闸控制回路。

分合闸过程的回路电流变化过程可以用式（1）表示。

U=iR+L(t)*di/dt………………………（1）

由于回路两侧的电压恒定，式中电流i随着感应系数L的变化而变化，而L随着铁芯的运动处于变化中，直至最终的稳态，此时感应电动势消失，回路中只剩电阻压降。

1.2缺陷判据

判据可从断路器设备分/合闸控制回路电流波形图进行判断，由于不同厂家生产的断路器设备差异性导致不同厂家的断路器设备的分/合闸控制回路电流波形图也存在差异[7]，因此，做对比判断时建议在同温同压、同样的控制回路电压下，将所得到的断路器设备分/合闸控制回路电流波形与该设备的出厂数据或历史数据做对比。

t1~t2时间大于参考值时，说明断路器设备分/合闸启动部件存在线圈老化、卡涩等缺陷。

t2~t5时间大于参考值时，说明断路器设备分/合闸主执行机构弹簧疲劳、机构卡涩、传动部件润滑不足等缺陷。

电流峰值大于参考值时，说明断路器设备分/合闸控制回路线圈存在匝间击穿。

断路器设备分/合闸控制回路电流为零说明断路器设备分/合闸控制回路开路。

断路器设备分/合闸控制回路电流大于参考值且不变说明断路器设备分/合闸控制回路短路。

利用在不同操作电压下或同一操作电压下进行的多次测量操作，采用交叉验证的方式确认缺陷的存在及其产生原因[8]。

2.典型缺陷波形

下面详细介绍几种典型缺陷的电流波形。

2.1铁芯卡涩

随着断路器投运时间的增长，操作机构卡涩成为高压断路器较为普遍和典型的缺陷之一。按照出现的不同位置大致可以分为两类，一类是电磁铁铁芯卡涩，另外一类是脱扣器卡涩。机构卡涩时，反映在电流波形上为波形出现“凹坑”甚至“毛刺”。如图1所示，如果出

现在t0~t1段中，则一般为电磁铁铁芯存在卡涩，如果出现t2~t3段中，则一般表示脱扣器存在卡涩。下图为断路器铁芯运动卡涩的波形。

图2电磁铁铁芯卡涩波形

2.2断路器拒动

断路器拒动是指控制系统发出断路器分闸或合闸指令时，断路器没有或未能成功执行该指令的现象。这种故障对电厂的安全运行影响非常大。下图为A相拒动的电流波形。

图3 A相合闸失败电流波形

2.3三相动作不同期

断路器的分闸与合闸操作同期性是指断路器在分闸和合闸操作时，三相分闸和合闸的时间差，以及每相各触头分断和接触瞬间的时间差。电力系统上对三相同期性有一定的要求，一般要求合闸同期性不大于4ms，分闸同期性不大于2ms。如果合闸不同期，会引起三相

电流差异较大，可能引起保护过流跳闸；如果分闸不同期，则高电压等级空载线路或大容量空载变压器会引起操作过电压，可能造成系统设备绝缘损坏。下图即为典型的三相合闸不同期电流波形。从图中可以看出，C相合闸电流明显超前于其他两相。

图4三相动作不同期的线圈电流波形

3.故障诊断试验和结果分析

本试验仪器设备为机械特性离线检查装置，具备断路器分合闸电流、触头行程、辅助触点状态等检测能力；本试验的电流采集传感器采用美国FLUKE公司的交/直流电流钳，型号为80i110s，检测范围为直流0.1A至100A或交流0.1到70A。

本次试验对象为施耐德生产的6.6KV中压断路器。

3.1正常断路器试验

本次试验断路器共进行了5次分合闸动作，完整提取波形。将分闸与合闸曲线分开比对，比对波形见图5和图6。

图5合闸曲线比对图

图6分闸曲线比对图

表1合闸数据

表2分闸数据如表所示

可以看出，断路器在分合闸动作过程中，其分合闸回路的电流波形曲线趋于一致，且本试验所用的传感器和检测仪器稳定性优良。

3.2电磁铁铁芯未复归故障试验

断路器操作机构运动过程是由线圈产生电磁力作用于铁芯顶杆，当动作结束后，铁芯会被复位弹簧拉回初始位置，为下次动作做准备。

本次故障模拟方式：断路器处于合闸状态，顶住铁芯顶杆一端，使其稍微偏离初始位置，随后进行分闸操作，试验结果见图7和图8。

图7铁芯未复归故障波形图

图8铁芯未复归故障波形对比图（红色为故障波形，蓝色为正常波形）

表3故障波形数据

可以看出，故障波形的铁芯启动电流较低，辅助开关切断电流一致，线圈带电时间，转换开关动作时间，脱扣完成时间都有延长。

从理论上分析，铁芯未复归故障具体表现为：由于铁芯未复归，启动位置的磁通量增大，导致公式（1）中的自感电动势L(t)增大，使电流值较正常值偏低，di/dt较小，即铁芯启动前的曲线斜率较正常值偏低，导致铁芯启动电流偏低；由于铁芯的运动行程减小，铁芯碰触脱扣器的运动动能偏低，导致脱扣时间延长，导致转换开关动作时间以及线圈带电时间均延长；由于电阻值不变，故辅助开关切断电流一致。

综上，试验结果符合故障表现形式。

3.3保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接故障试验

断路器进行分合闸动作前，保持挚子扣接在脱扣器连接半轴上，当脱扣器带动半轴旋转至半轴缺口与保持挚子重合时，保持挚子脱离保持位置，使储能机构带动传动机构运动，完成分合闸动作。

本次故障模拟方式：断路器处于分闸状态下，按住就地分闸按钮，导致合闸保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接，随后给断路器合闸信号，用传感器监测合闸电流信号。试验结果见图9和10。

图9保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接故障波形图

图10保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接故障波形对比图

（绿色为故障波形，蓝色为正常波形）

表4故障波形数据

可以看出，正常与故障的启动电流一致，开关切断时两者电流一致，脱扣时间故障时间短于正常时间，脱扣时故障电流小于正常电流，最终故障情况未完成脱扣，导致断路器拒动。

从理论上分析，保持挚子未与脱扣器连接半轴扣接故障具体表现为：由于合闸保持挚子未与脱扣半轴扣接，导致脱扣半轴的运动阻力减小，所以合闸线圈铁芯撞击脱扣器完成脱扣的时间缩短，且脱扣电流降低。由于合闸保持挚子未动作，导致断路器拒合。

综上，试验结果符合故障表现形式。

4.结论

1）提出了基于二次侧电流信号的中压断路器状态评估方式，介绍断路器分合闸线圈电流波形分析基本原理。

2）利用断路器进行缺陷模式试验，模拟了电磁铁线圈气隙问题和脱扣器机械连接问题，分析对比了理论电流信号与缺陷模拟下的电流信号，确定了该方法的有效性。

3）此断路器状态评估方法可以有效评判断路器从分合闸线圈带电到脱扣器完成脱扣整个动作过程中的任何潜在缺陷，覆盖了断路器二次回路和机械特性，可定位缺陷点。

参考文献

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