潘惠敏，张彼德，周菲菲，朱光伟
(西华大学电气信息学院，四川省，成都市 610039)
摘要：文章阐述了高压断路器在线状态监测的意义和在线监测系统的一般组成，详细的分析了高压断路器在线状态监测量和监测的原理;介绍了国内外目前的高压断路在线监测研究及应用状况，并分析了其存在的问题和不足。最后对高压断路器在线状态监测的研究和发展趋势提出了自己的看法。
关键词： 高压断路器;在线状态监测;发展趋势
作者简介：潘惠敏(1981-); 女 ;西华大学电气信息学院;四川省成都市;邮编：610039;在读硕士;主要研究方向为电力设备故障在线监测
中图分类号：TM561
0 引言
高压断路器是电力系统的重要设备，高压断路器的状态监测一直是电力系统十分关注并迫切希望解决的问题之一。状态监测与状态智能管理成为近来发展较快的新技术和管理式，是国内外电力企业和科研人员的工作重点和研究热点。以计算机技术为基础和先导，新型传感器技术、信号处理技术、人工智能技术以及计算机远程监控技术的发展，为电力系统电气设备的状态监测和状态的智能管理开拓了新的研究领域。
1 断路器在线状态监测的意义
高压断路器，是开关电器中最为关键的一种电气设备，是作为绝缘和灭弧的装置，是发电厂和变电所配电装置中必不可少的设备。正常运行时，用来进行倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用。当设备和线路发生故障时能快速切除，保证无故障部分正常运行，起着保护作用。高压断路器在电力系统中肩负着控制和保护双重任务，其状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行。
断路器检修方式经历了事后检修、定期检修和状态检修的发展过程，状态检修与在线监测有密切的关系，只有通过在线监测全面、正确地给出绝缘的、机械的各种状态参数，提供可靠的信息，确切掌握设备状态，才能使状态检修有坚实的基础。
高压断路器在线状态监测系统用于变电站、开闭所、电厂高压断路器的机械性能、电气绝缘性能、触头电寿命及操作回路工作状态的监测，通过综合分析在线监测的数据和相关历史数据，诊断出高压断路器当前的工作状态，为电气设备状态检修提供决策依据。
电力系统中，高压断路器数量最多、检修量大、费用高。有关统计表明，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60%又是用于断路器的小修和例行检修上。据统计，10%的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。在目前相对保守的计划检修中，检修缺乏一定的针对性[1]。
断路器在线状态监测系统能及时了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济性。
状态监测系统通常由下列几部分组成：
(1) 传感器(Sensor)。传感器将电信号、其他物理量或者化学量转换成适合于数据采集装置处理的电信号。传感器的选择依赖于状态监测采用的方法和被监测设备的故障产生机理，通常要求具有适合于在线监测、灵敏度高、价廉和非侵入性等特点。
(2) 数据采集(Data acquisition)。数据采集的任务包括对传感器输出信号的去噪、选取、滤波、模/数转换以及对传感器的补偿和校正等。通常涉及数据通信和微处理器等技术。
(3) 故障检测(Fault detection)。故障检测的首要目的是明确被检测设备是否出现初期的故障征兆，为故障报警和进一步故障分析提供依据。故障检测一般包括参考模型和故障特征提取两种方法。前者将测量结果与基于数学仿真模型或人工智能等方法的预测模型进行比较得出结论。故障特征提取方法主要是通过时/频分析，小波变换等数字信号处理技术而获得。
(4) 诊断与决策(Diagnosis)。对检测到的异常信号进行处理、分析，制定维修策略。这一工作以前主要由该领域专家和离线数据分析完成，现在倾向于由计算机采用先进的数字信号处理、人工智能(AI)技术进行在线、自动地分析处理，从而给出设备的故障类型、故障定位和维修决策等信息。
2 断路器在线状态监测量
国际大电网会议对高压断路器可靠性所作的2次世界范围的调查，以及国家电力科学研究院对高压开关事故的统计分析均表明，80%的高压断路器故障是由于机械特性不良所造成的，且大多数故障是操动机构的问题，如拒分、拒合或不能开断。高压断路器机械故障所造成的事故无论是次数、还是事故本身所造成的停电时间都占事故总量的60%以上。因此，断路器机械特性的在线监测显得尤为重要[2] [3] [4]。
高压断路器的机械特性参数主要包括：合、分闸时间，合、分闸不同期，触头行程、开距、超行程，刚合速度、刚分速度，合、分闸最大速度，合、分闸平均速度等。断路器的合、分闸时间是表征机械特性的重要参数之一，也是机械特性在线监测的一项重要内容。合、分操作起始瞬间的选择直接影响着高压断路器机械参量的数值。由于起始的依据是判断合、分闸电磁铁线圈中有电流通过，线圈电流出现时刻的测定将影响着测量精度，也影响着测量系统的稳定度。要根据断路器机械特性参数定义，如何根据现有采集量来求取机械特性参数的问题，需要计算与转换的有位移量、时间量、速度量，其中，首先确定的是各动作时刻在合、分闸操作时间序列中的位置，以便确定各时间参量，由此配合各序列点位移量确定各位移参量，再由位移量与时间量计算出各速度参量。
此外，根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些在线监测系统的运行经验，断路器在线监测系统的状态监测和诊断的其他内容还有:
(1) 开断电流的累计。触头电磨损是影响断路器电寿命的重要因素，是状态监测的重要参数之一。
在分闸过程中，由高压电流互感器和二次电流传感器测量高压开关的主电流波形，通过测量触头每次开断电流，经过数据处理得到该次开断电流的有效值，然后根据下式计算
(1)
式中， 为开断的次数; 为该次开断电流的有效值; 为开断电流指数; 为开断电流的加权累计值。当 值超过阀值时，则表明应该检修或更换，从而间接地反映触头的磨损情况。
(2) 与分合闸线圈有关的项目:线圈通路、线圈电流、线圈电压。
(3) 断路器操动过程中的机械振动。振动信号包含大量的设备状态信息。机座、外壳上的振动是内部多种受激的反应，包括机械操作、电动力、局部放电，以及SF6气体中的微粒运动等。通过一定的信号采集并将其放大，输入到CPU后台，进行波形分析，可找到一些特定的状态信息。
(4) 断路器的气体密度和 断路器微水量测量。对 断路器监测 发现电气故障[5]
(5) 真空断路器的真空度。当真空度降低到一定程度时，随着真空度的降低，灭弧室断口的击穿电压迅速下降，其工作的有效性和稳定性在很大程度上取决于真空灭弧室的真空度。目前，国内外还无法实现真空度的直接测量，用于真空度在线检测的间接方法有耦合电容法和电光变换法[6] [7] 。
(6) 断路器的操动次数统计。
(7) 合闸弹簧状态。
(8) 导电接触部位的温度。
(9) 绝缘状态，如介损、局放、漏电流等指标。
(10)液压或气压机构压力，启动次数。
3 国内外断路器在线状态监测状况
据资料介绍，美国于1995年颁布了《电气设备绝缘诊断方法导则》，现已转向以在线监测为主，并已制定出有关标准。一些发达国家对断路器的状态诊断技术己日趋成熟。日本上世纪80年代开始进入以状态监测为基础的预知维修时代，其该项技术的研究与应用进展很快，并已积累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的方法[8]。1988年的GIS智能维护中就有监测内部电晕、分解气体、导音、耐电压特性、温升等项目。德国频谱化学和频谱应用研究所、科技研究与发展所的中央实验室开发的离子迁移率频谱仪(由分析传感器系统公司制造)，作为SF6断路器气体现场监测的工具，已在巴西的电力部门成功应用。在美国有50% 以上的电力公司已经应用状态检修技术对发电设备实施状态检修，美国Consolidated Electronics，Inc.(CEI)公司研制生产的SM6系列断路器监测器(美国专利号5，385，451)，能够在线测量SF6气体温度和压力，并连续地、实时地计算SF6气体密度。同时，还可监视断路器内加热器、操作电流、气体/液体压力以及跳闸，合闸线圈的工作状况，预测SF6气体泄漏趋势及其它潜在故障，避免了事故的发生，从而提高了电力系统运行可靠性。该监测数据既可通过现场PC机，也可通过RS232接口远程通信获得，并且存储数据长达l0年之久，目前该产品已进入中国市场。
ABB公司还推出的高压开关柜智能化集中控制/保护单元，将控制、信号、保护、测量和监视等功能组合起来，使高压开关柜具有连续自监视以及与电站控制系统直接连接等功能。监测的项目：辅助回路监视、对电动机操动开关装置的电源监视、跳闸线圈完好性监视、断路器储能弹簧状态监视、机械操作次数监视、气体压力监视、开关累计运行时间(按小时)、触点切换时间(从合到开的位置)等。
除此以外，具有代表性的断路器状态监测系统还有美国Hathway公司开发的BCM200断路器状态监测系统、ABB公司开发的 断路器状态监测系统、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的GIS在线监测和诊断系统以及法国ALSTOM研究中心研制的CBWatch系列断路器状态监测系统。现场应用实践证明，这些断路器状态监测系统为实现整个电网的安全运行提供了有力的工具。
在我国，虽然还没有很成熟的断路器状态监测产品，但有关单位在这方面也做出了有益的探索，并开发出相应的状态监测系统。例如，由清华大学开发的高压断路器状态监测系统，华中理工大学和湖南省电力局联合研制的高压断路器机械特性在线监测系统。上海交通大学研制的 断路器综合在线监测系统，该系统已在上海杨思变电站成功安装完成，并取得了满意的运行效果。 高压断路器综合在线监测系统可以同时对多组断路器运行时的相关参数进行全面测量，为故障的综合诊断提供依据。在对 断路器运行状态进行实时监测的同时，通过建立数据库，实现对断路器在线监测数据的历史和横向的管理，有利于断路器在线监测信息共享，具有用户界面友好，易于维护等特点。香港中华电力公司项目组开发了断路器状态监测在线分布式信息系统，通过独立的微处理器实现对每台断路器状态的连续监测。香港中华电力公司项目组开发了断路器状态监测在线分布式信息系统，通过独立的微处理器实现对每台断路器状态的连续监测。由北方交通大学研制的利用单片机实现高压断路器机械状态在线监测的智能装置，该智能装置可以长期在线监测高压断路器动作过程中的机械参量，为断路器机械故障诊断和状态预测提供依据。该装置能在线监测断路器的各机械参数，便于及时掌握断路器运行过程中的机械状态，分析诊断和处理机械故障。目前该装置已用于断路器机械故障诊断的试验中，运行状态良好。国内电科院开关研究所也研制了高压断路器在线监测仪。
4 目前断路器在线状态监测系统存在的问题
目前断路器在线状态监测中值得注意的问题是：
(1) 在线监测系统不完善，多数都是针对单一或几个参数的在线监测，这不利于故障的诊断[6] [7] [8]。
(2) 在线监测参数提取用的传感器不够精确，诊断精度不高;
(3) 数据的保存、处理等不系统，缺乏科学的管理，无法根据断路器运行的历史对故障做出合理的判断，也无法实现在线监测的数据的区域性电网运行系统甚至全世界电网系统的共享，浪费资源[9]。
(4) 用户界面不够友好，不利于断路器日常监测。
(5) 对在线监测项目缺乏统一的管理。研制在线监测装置和系统的厂商很多，但投放市场的产品缺少统一的考核和认证。
(6) 监测系统本身存在可靠性问题。主要表现在装置自身性能不稳定，抗干扰能力差，测得的数据准确度不高，甚至起不到状态监测系统应有的作用。
(7)现场工作人员缺乏对监测系统操作、管理的相关知识，也是造成系统不能正常运行的原因。
(8)供货单位对产品质量缺乏应有的监督机制，售后服务不完善，排除故障不及时，造成系统瘫痪或不能正常运作。
5 断路器在线监测研究和发展的方向
断路器在线监测系统的研究还应考虑以下几个方面：
(1) 现有的在线监测系统功能不完善，缺乏足够的数据积累，即使有了大量数据，故障诊断的分析能力也不足。因此，需建立数据库，并加强故障诊断方面的工作。
(2) 以往系统所关心的是机械参量的计算结果，而对机械运动过程关心不多。
(3) 监测仪器寿命过短，精度不够高。在实际应用中应尽量提高系统的性能价格比[10] [11]。
(4) 故障诊断阈值的确定。故障阈值的确定是正确诊断的前提，早期故障诊断的依据有赖于实际经验或标准，从在线监测装置提供的有关动作参数、性能参数，或者比较历史记录，分析运行特性的变化趋势，可以进行断路器状态判断。
(5) 断路器有三相联动操作、三相分相操作和单相断路器三种。采集量的种类一样，但采集量的个数差别很大。采样不可能兼顾三种情况，建议采样板的设计以三相联动操作断路器为主，兼顾单相运行断路器。三相分相操作断路器监测应加紧研究。
(6) 监测单元户外的安装，要解决抗干扰、防潮、长期运行稳定性问题。传感器的测量误差和响应时间与测量量的影响。如：霍尔电流传感器的反应时间可达10p，但电磁隔离传感器的响应时间有350ms，因此要考虑如何修正的问题。
6 关于断路器今后发展方向的几点看法：
(1) 集成性。集高压断路器多项监测功能于一体，有利于多信息的融合，支持网络化集中管理。
(2) 通用性。由于断路器绝缘介质的不同(如油、 气体、真空)，监测的项目不一样。在硬件设计时应考虑规范接口、通信标准，足够多的采样通道，保证采样板的通用性，增强监测系统的开放性和其他监测装置的兼容性。可以满足不同类型的断路器要求。在软件设计中，采用组态技术实现不同类型断路器相关参数的设定。
(3) 扩充性。监测系统对监测的断路器的个数不受限制;考虑断路器就地采样单元与变电站在线监测系统的兼容，能为变电站综合自动化提供信息。
(4) 组合性。断路器就地采样单元内部插件模块化。
(5) 可靠性。充分利用先进的计算机技术、通信技术、信号处理和人工智能技术，进一步提高状态监测装置自身的电磁兼容、抗干扰性能，使下一代状态监测装置向着高灵敏度、高可靠性、智能、价廉的方向发展。
7 结束语
断路器是变电站机械和电气动作最频繁的设备，在运行过程中有很高的故障率，易引起电网事故，造成较大的经济损失，因此对其可靠性提出了非常高的要求。断路器在线监测与诊断技术近年来受到了高度重视，各大有关院校和科研院所都在对各种在线状态监测方法进行研究和探索。但目前的技术水平还不够理想，不能满足电力系统的要求，仍需加强基础性的研究，同时还应借鉴和引入小波变换、神经网络、人工智能等方法及技术，以提高断路器在线监测数据处理与故障诊断的技术水平。
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