高压断路器的监测内容主要有4个方面:机械特性、操作回路的完好性、绝缘在线监测和开断能力。机械特性的监测信号主要有分合闸线圈电流、动触头的行程特性和速度、断路器振动信号、分合闸时间同期性。开断能力的决定性指标是电寿命,这方面的监测信号最重要的是开断电流、接触电阻等。操作回路的完好性监测信号有二次回路操作功、储能电机电流、高压断路器辅助触点状态信号、合闸弹簧状态。绝缘在线监测一般是真空断路器真空度监测。
通过分析动触头的行程特性变化,可发现较多的机械故障隐患,并预测可能出现的故障。根据动触头的行程-时间特性曲线再结合其他参数,可提取各种机械动作的参数,如可计算动触头分合闸操作的运动时间、动触头行程!动触头的刚分速度和刚合速度及动触头运动的平均速度和最大速度。目前,测量高压断路器行程-时间特性,多采用光电式位移传感器和差动变压器式位移传感器,常用的有增量式旋转光电编码器和直线光电编码器。
振动分析是极具潜力的一种新的研究思路。从振动理论可知,只要振动源和振动传播途径不发生变化,所得的振动信号就保持相对稳定。实验表明,同类型的断路器动作时所产生的振动信号相似,这就使通过比较同种类型不同断路器的振动信号检测断路器故障成为可能。断路器运行中产生的机械振动信号包含丰富的信息,振动分析是一种体外测量的手段,通过安装在断路器表面的一个或多个加速度传感器可获取断路器运行过程中的振动信号,提取特征值,进行故障诊断。
由于断路器振动信号只有在操作过程中才能获得,因此信号的数量明显不足,这对信号处理的方法提出了苛刻的要求。目前,其主要研究内容集中于振动信号的获取、处理及诊断方法的开发。20世纪80年代至90年代,清华大学电机工程与应用电子技术系在对断路器机械振动信号试验研究的基础上,研制出相应的状态检测装置。西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室在最近几年也开展了这方面的研究工作。
断路器在每次分合闸过程中,线圈电流随时间变化,其变化波形蕴藏着极为重要的信息。分合闸线圈的电流波形中含有很多信息,反映电磁铁本身、所控制的锁门或阀门及联锁触头在操动过程中的工作情况,如铁芯运动机构有无卡滞、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)与铁芯顶杆连接的锁门和阀门的状态等。通过对分合闸线圈电流的监测,可大致了解断路器二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等,为检修提供辅助判据。
分合闸线圈是控制断路器动作的关键元器件,应用霍尔电流传感器可监测多种信息的分合闸电流波形。
在分闸过程中,由高压电流互感器和二次电流传感器可测量高压断路器主回路电流波形。通过测量触头的开断电流,经过数据处理可得到该次开断电流的有效值。通过监测开断电流可间接地反映触头的磨损情况。
分合闸同期性是高压断路器的重要机械特性参数之一。有文献基于振动信号将小波包提取算法和短时能量分析方法相结合,通过对三相合闸过程的分析,得出三相同期性。也有文献将断路器端口上下接线端子的电流信号输入光电隔离传感器和电压比较器,通过测量输出的电平信号,计算出各相端口的分合闸时间和相间的同期差。
高压断路器的操动机构分为液压机构、电磁机构、永磁机构和弹簧操动机构等。弹簧操动机构内设有触头弹簧、分闸弹簧和合闸弹簧。合闸弹簧状态包含了操动机构的故障信息。合闸弹簧状态监测方法一般有两种,一种是用压力传感器直接监测;另一种是用电流传感器间接监测。
通过测量高压断路器的接触电阻可判断触头的烧损情况。SF 6 断路器的触头分为主触头、弧触头。断路器在闭合状态时,测得的回路电阻主要是主触头接触电阻和弧触头接触电阻的并联值,这时的接触电阻称为静态回路电阻。主触头接触电阻比弧触头接触电阻小得多,而灭弧主要靠弧触头,所以静态回路电阻无法反映弧触头的烧损情况。SF 6 断路器分闸时,主触头先分离,开断电流转移到弧触头上,这时的接触电阻称为动态回路电阻。通过监测断路器动作过程中的回路电阻变化曲线,可以不用拆开断路器就能得到各触头的烧损情况。
真空断路器的触头只有简单的动触头和静触头之分。通过测量其接触电阻也可评估断路器活动接触处的劣化状态及其载流状态,判断触头的烧损情况。
真空灭弧室的真空度是表征真空断路器性能的主要参数,真空度一旦降低到一定数值,将会影响其开断能力和绝缘水平。
由于测量环境、测量要求、试品状态和真空灭弧室结构等因素的影响,真空断路器真空灭弧室真空度的监测较困难,通常只能依靠间接方法。真空灭弧室真空度的监测方法分为离线、在线监测两类。其中,离线监测方法主要包括观察法、火花计法、吸气剂颜色变化的判定法、工频耐压法、高频放电法、高频电流法、射线法和磁控放电法等;在线监测方法主要包括耦合电容法和电光变换法等。在线监测是真空断路器真空灭弧室真空度监测的发展方向,其具有实时性好、可节省人力和物力的优点,但可靠性、稳定性尚有待加强。
监测二次回路操作功是监测高压断路器分合闸回路状况及其动作性能的一种方法。二次回路合闸操作功为E c ,即
式中,u c 为合闸线圈瞬时电压;i c 为合闸线圈瞬时电流;t为合闸通电时间,即合闸线圈从得电到失电的时间。
铁芯运动情况、传动机构状况、高压断路器辅助接点切换时间、分合闸线圈状况等都会影响二次回路操作功的大小。正常情况下,二次回路分、合闸操作功基本不变。但铁芯卡涩、铁芯行程变长、高压断路器辅助接点切换时间增加、线圈匝间短路及操作回路对地绝缘下降,均会导致二次回路操作功增大。
高压断路器的温升是目前比较受关注的电气参数之一,其直接反映了高压断路器电接触的状况。主触头的异常温升,主要由负载电流和接触电阻的乘积决定,因此可对断路器箱体外壳温度升高的状况进行监测。现在比较成熟的温升在线监测方法有预埋热电偶、体外红外探测等。监测导电接触部位的发热情况,有助于了解断路器的开断性能。
储能电动机电流的变化可反映出储能电动机功率下降或储能系统密封不严的情况。通过测量储能电动机电流变化及工作时间,还可监测合闸弹簧的状态。
高压断路器辅助触点状态信号为高电平“1”或低电平“0”,其三路信号由处理器的外中断处理,信号与处理器之间可用光电耦合器实现隔离。