浅谈断路器状态监测技术

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1、浅谈断路器状态监测技术一、引言断路器状态监测系统的设计是采用模块化的设计思想，系统主要由合分闸线圈电流监测模块、振动监测模块、电寿命分析模块等功能模块构成，应用各类传感器分别对合分闸线圈电流、振动信号、开断电流进行监测，本文将概述各监测量的监测原理。二、合（分）闸线圈电流监测原理高压断路器一般都是以电磁铁为操作的第一级控制元件，直流为控制电源。直流电磁铁线圈的电流波形中包含了很多信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头等在操作过程中的工作情况，如铁心运动机构有无卡滞，脱扣、释能机械负载变动的情况，线圈的状态（如电阻是否正常），与铁心顶

2、杆连接的锁闩和阀门的状态。因此,合分闸线的电流也是断路器状态监测的一个重要内容。通过霍尔传感器可以很方便地获得合分闸线圈的电流。2.1•典型电流波形分析典型电流波形可分为五个阶段：阶段I，线圈在TO时刻通电，到T1时刻铁心开始运动。TO为断路器分合命令下达时刻，是断路器分合动作计时起点T1为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁心开始运动的时刻.这一阶段的特点是电流呈指数上升铁心静止.这个阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关。阶段II,铁心运动，电流下降。T2为控制电流的谷点，代表铁心已经触动操作机械的负载因而显著减速或停止运动。阶段III,

3、铁心停止运动，电流又呈指数上升。阶段IV,这一阶段是阶段III的延续，电流达到近似的稳态。阶段V,电流开断阶段，辅助开关K断开，在辅助开关触头间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。2.2电流波形特征参数的获取通过监测合分闸线圈的电流波形可获取断路器的状态信息，这种方法又被称为跳合闸线圈电流轮廓法即TCP。TCP的关键在于提取合分闸线圈电流波形轮廓的特征。由前面的分析可以发现波形中的时间特征参数对应着铁心的运动事件，所以通过提取电流波形中的时间特征参数可以获取断路器的状态特征。观察典型波形发现时间特征参数对应电流波形的极值点

4、，极值点处于导函数符号改变的临界点，因此信号在采样点处的导数值可以近似用相邻两采样点的斜率代替，进一步简化为相邻两采样点的增量代替。由此求出电流的极值点，即时间特征参数。根据这些时间特征值再对照典型电流波形图就可以知道断路器的运行状态。三、振动信号监测原理2.1振动信号的特点断路器是一种瞬时式电器，在正常运行时处于静止状态，只有在控制操作和保护动作时才快速动作，产生强烈的振动现象。断路器在操作的过程中具有以下特点：(1)断路器的操作是非周期性的一次动作，过程持续时间很短，只有数十毫秒。(2)振动信号是瞬时非平稳信号，处理分析比较困难。(3)振动是由于

5、系统构件的受力冲击或运动形态的变化引起的。在断路器的一次操作过程中，有一系列运动构件的启动、制动和撞击，形成一个个的冲击。由于振动波传递过程中的衰减，在测量位置测到的是一系列衰减震荡波，每一个冲击振动都大致对应着某一个构件的运动变化和冲击。断路器的任一个操作中的事件出现的频率是变化的但事件的出现顺序是不变的；此外，对于同一台断路器的重复操作过程中，振动信号大致是稳定的并且对于同一位置测得的相同情况下的操作，断路器的振动波形具有良好的重复性，每种断路器操作对应的振动信号又具有独特性。利用断路器这方面的特性，以外部振动信号为特征信号，可以进行断路器机械状

6、态监测也为进行断路器故障诊断提供了可能。3.2振动信号的采集振动信号可由压电式传感器采集获得。一般传感器应安装在关键部件(故障率高、重要性高)的振动源附近。大量的实验表明，在下面位置安装传感器效果不错：(1)灭弧室;(2)操动机构；(3)两者之间的位置。振动信号监测是一种非侵入式测量方法，不影响断路器的运行，安装简单，具有不受电磁场的影响和对外部交通、变压器运行振动的干扰，良好的信噪比等优点。3.3振动信号特征量的获取断路器的故障多为机械故障，因此几乎所有实时状态监测诊断的研究中都把机械操作特性作为断路器实时状态监测和故障诊断的重要研究对象。机械操作

7、产生的振动波形和合分闸线圈电流波形一样含有丰富的断路器信息。在实际分析过程中，通过对采集到的振动信息的分析，找出其特征量,争取以最少的特征参数来表示这一过程，从而区分正常与异常的不同。但是大量的对振动信号时域特征量的分析表明其分散度较大，重复性也较差同时还发现一些时域明显不同的振动波都是正常波，而完全一致的振动经采样重现和处理也可能在局部出现较大的差异。因此，仅采用时域指标作为断路器操作振动信号的特征量是不科学的。本文采用离散包络统计从振动信号中提出包络信息。四、电寿命监测原理断路器的开断是一个复杂的过程。无论是开断正常工作电流还是开断故障电流，触头

8、分离后，动静触头间会出现电弧，只有电弧熄灭，电路的开断任务才能完成。但是电弧的高温作用会使触头表面烧损、变形