（电力系统及其自动化专业论文）真空断路器健康诊断系统的研究.pdf

a b s t r a c t v a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri so n eo ft h em o s tb r o a d l ya p p l i e de l e c t r i cd e v i c e si np o w e rs y s t e m s i ti s u s e dt oc o n t r o la n ds a f e g u a r de l e c t r i cp o w e re q u i p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h es t a t u so fb r e a k e r s d i r e c t l yi n f l u e n c e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m w h e ni tg e t so u to fo r d e r , i tw i l lc a u s e e l e c t r i cp o w e ra c c i d e n to ro t h e ri n d i r e c ta c c i d e n t i nr e c e n ty e a r s ，a sar e s u l to f t h eu n c e a s i n ge n h a n c e m e n to f e l e c t r i c a lp o w e r s y s t e mv o l t a g er a n k ，t h e r e q u e s to ft h er e l i a b l el e v eh i 曲o ft h ev a c u u mc i r c u i t - b r e a k e ri sm o r ea n dm o r eh i g h t h et r a d i t i o n a l s c h e d u l e dm a i n t e n a n c eo rt i m eb a s e dm a i n t e n a n c eh a ss o m es e r i o u sd e f e c t s ，s u c ha ss u b m a i n t e n a n c e ， o v e r - m a i n t e n a n c ea n dt h ef a u l t sc a u s e db yt h em a i n t e n a n c ea c c i d e n t c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ， b e i n gb a s e du p o nc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，i st h em o s ta d v a n c e dm a i n t e n a n c ep r o g r a mn o w a d a y s s o ，t o c a r r yo u to n l i n ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n g r e s e a r c hf o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h em a i n t a i n i n go fc i r c u i t - b r e a k e r sa n dt oc o n v e r tf r o mp l a n n i n gm a i n t e n a n c et o c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e t h i st h e s i sa i m sa tt h eo n - l i n em o n i t o r i n go ft h ev a c u u mc i r c u i tb r e a k e r , i na c c o r d a n c ew i t h m a s s i v ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , w eg e tas e r i e so fp a r a m e t e r sw h i c hc a nr e f l e c th e a l t h ys t a t eo ft h e v a c u u r uc i r c u i tb r e a k e r , a n dt h e na n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i sa d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n ge x a m i n a t i o n m e t h o d so ft h e s ep a r a m e t e r s ，f i n a l l yd e t e r m i n et h em o n i t o ro b j e c ta sw e l la st h es e u s o r s ，a n du n i f i e st h e p r o j e c t ”a u t o m a t e ds y s t e mo f t h ec i t ye l e c t r i c a ln e t w o r kb a s e do ns e l f - h e a l i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y ”w h i c h i s c o o p e r a t e db yn a n j i n ga u t o m a t i o nr e s e a r c hi n s t i t u t ea n dn a n j i n ge l e c t f i c p o w e rc o m p a n y , a n d d e v e l o pt h ev a c u u mc i r c u i t - b r e a k e ro n - l i n em o n i t o r i n gi n s t a l l m e n t k e y w o r d s ：v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r , o n l i n e - m o n i t o r i n g ，v a c u u md e g r e e ，t r a v e lc h a r a c t e r i s t i c ，c u r r e n t o f o p e n i n g ( c l o s i n g ) c o i l i l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 谚协口， 论文作者( 签名) ：坌睑坠、一7 年v 月v日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： j ， 孑 u 口 7 一一k 阳 p ， 年u 月v 日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题提出的背景“2 3 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民物质文化水平的不断提高，人们对电力的需求量越来越大，促使电 力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，同时也要求电 力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。 断路器是电力系统中最重要的控制与保护设备，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。当设各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。它在电网中的作用至关重要，其故障带来的后果是十分严重的。直接的危害是被断路器所保 护的线路、设备受损、电量损失；间接的危害则造成用户大面积停电，影响止常的生活、生产甚至 社会稳定。 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6 0 又是用于断路器的小修和例行检修上。据统计，1 0 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。因此，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屯试验和检修，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。 9 0 年代以前，我国的配电网很薄弱，1 0 k v 配电网大部分采用放射形供电，可靠性差，配电设 备比较陈旧，大多是不可遥控的。配电网运行状态监测设备少，信息传输通道缺乏，因而信息搜集 量少，这些导致事故处理自动化程度低，处理时间长，事故后恢复供电慢，一些地区发生电网事故， 导致重要用户停电。除了某些人为的因素以外，电气设备水平低、电网结构薄弱、可靠性低，是其 主要原因，自动化程度低、管理不善也是重要原因之一。这是因为长期以来配电网的建设未得到应 有的重视，建设资金短缺，设备技术性能落后( 以往我国发电和配电投资的比例为1 ：0 1 2 ，大大 落后于先进国家的1 ：0 6 - 0 7 的投资比例) ，造成在配电网上投资欠帐太多，其薄弱的程度大大超 过输电网。 9 0 年代以来，我国电力工业的发展迅速。借鉴国外的经验，各电力公司竞相加大了配电网管 河海大学硕士学位论文第一章绪论 理的投资力度，其主要目标是实现配网自动化，以确保提供给用户的电能质量满足要求。目前，随 着计算机及通信技术在我国的广泛应用，电力系统的控制保护技术也发生了重大变化。由传统的模 拟式信号测量、传输发展为数字式遥测、光纤传输。现在，通过计算机可以方便地进行监测、通讯 和数据存储，实现了电力设备的操作、运行和保护的智能化。微电子、微处理技术与开关设备相结 合，能充分发挥微电子、微处理技术对大量信息存储、适时判断、快速反应等优点，使开关设备能 适时根据电网的参数变化动作，使一次设备的保护更加完善可靠，并减少维护工作量，且有利于实 现遥信、遥测、遥控、遥调。以上这些技术都为我国配电自动化的迅速发展提供了良好条件。 我国城市建设的规模和经济的发展对配电网提出了较高的要求，配网自动化发展呈现以卜趋 势； ( 1 ) 配电一次设备选择应符合当前配电网形势要求，具有高度可靠性和优越的技术性能，尤其 是对配电网开关的要求是不燃烧、高可靠和无油化。目前在中压开关领域主要以真空开关和s f 6 开 关为主，在4 0 5 k v 级，真空开关和s f 6 开关平分秋色，而在1 2 k v 级真空开关占绝对优势，开关设 备的操动机构及内部结构适应于户外运行条件，做到不检修周期长，设备运行可靠，这样才能大大 减轻运行人员鲍劳动强度和维护费用。 ( 2 ) 二次保护和控制设备应具有高可靠性，很强的抗干扰能力和电磁兼容性，适合户外高温和 低温等较为严酷的运行环境。 为了适应电力系统的上述要求，电气设备除了一直向着大容量、智能化、组合化、小型化的方 向发展外，一次设备的高可靠性仍然是电气设备最重要的根本问题和追求目标。断路器作为电力系 统终端设备之一，起着控制、调节和保护作崩，其可靠性和智能化的水平对电力系统的稳定和自动 化程度将产生深远的影响。作为中高压电器最重要的设备之一，断路器的可靠性一直受到用户和生 产制造企业的关注。目前，中高压以上断路器都是有触点机械式开关，灭弧室本体和操动机构的可 靠性就成为高可靠性的关键。为了提高可靠性，各大公司及研发制造单位都下了很大的力量，从产 品结构、材料和生产工艺等各方面来保证可靠性的提高。 因此，我们迫切需要对断路器实施在线监测，及时掌握断路器的健康状况以便及时发现隐患进 而预测可能会发生的故障。 2 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 断路器在线监测技术的发展 1 2 1 状态检修的提出 电力系统是由发电、输电、配电、用电四个主要环节构成的庞大系统，无论哪个环节出现故障 都有可能引起系统故障，造成重大损失。随着电力系统向高电压、大容量、网络结构复杂化的趋势 发展，要提高系统运行的可靠性，首先必须保证电力设备的正常运行。检修是维持设各健康运行的 必要手段，合理的检修方式不仅有助于提高系统运行的安全可靠性，且对系统的经济运行也大有益 处。 和很多电气设各一样，断路器的维修制度经历了“故障维修计划检修状态检修”三个 历史阶段的演变过程。 断路器早期采取的检修方式是故障维修( c m ，c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) ，义称为事故后维 修( b m ，b r e a km a i n t e n a n c e ) ，朗坏了才修、不坏不修，这是由当时社会人力、物力不足的状况 决定的，检修完全处于被动地位。这一阶段，大部分设备都比较简单，设计裕量大，易于修复，因 此，这一阶段的维修方式以设备出现功能性故障为判据，在设备发生故障且无法继续运转时才进行 维修，即功能失效后作业。这种应急维修需要付出很大的代价和维修费用，不但严重威胁着设备和 人身安全，而且维修不足。 随着社会化大生产对设备依赖性的增大，使得以预防性为主的检修观念逐渐形成。大约在上世 纪5 0 年代初期开始出现了一种以预防为主的检修方式，称为“计划检修”( s m ，s c h e d u l e d m a i n t e n a n c e ) 或“定期检修”( 工b m ，t i m e b a s e d m a i n t e n a n c e ) 。这种检修方式源于1 9 3 2 年的苏 联，相对于被动的事后检修有很人进步。他贯彻以预防为主的检修策略，以时间为依据，根据设备 的运行制造情况，提前作出检修计划，一日设备运行到预先规定的时间周期，无论是否出现故障， 都要停机检修，尽量做到防患于未燃。虽然具有保守性，但是在很人程度上减免了事故的发生。直 到8 0 年代，t b m 仍是主流的维修制度。但定期检修在长期应用中也暴露出其缺点检修的盲i i 性。对断路器来说，大修每隔3 1 0 年进行一次。在大修这样长的时期间隔内，设备若发生事故， 定期检修不能恰好捕捉到，丧失了其预防作用，造成检修不足。另外，但这种只根据设备的实际状 况，单纯按规定的时间间隔对设备进行相当程度解体的维修方法，不可避免会产生“过剩维修”， 使设备不是用坏而是被修坏。不但造成设备有效利用时间的损失和人力、物力、财力的浪费，甚至 会引发维修故障。而且在对断路器事故的责任分类调查中也发现，检修维护不当占到了很大的比重。 对于断路器的哪些部件运行多k 时间需要更换，仍是一个存在争议的问题。事实上在目前比较 河海大学硕士学位论文第一章绪论 保守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时仍性能良好，而由于没有及时发现，某 一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发生。因此能够了解断路器的状态，减少过早或不必 要的停电试验和检修，做到应修则修，就可显著提商电力系统可靠性和经济性。 随着社会经济科学技术的发展，电力系统成为越来越复杂的大系统，电气设备的制造水平也有 很大提高，定期检修既不经济，又难以应付这个复杂系统中的众多电力设备，容易造成生产力的巨 大浪费。在这种背景下，出现了一种新的检修技术一一状态检修( c b m ，c o n d i t i o nb a s e d m a i n t e n a n c e ) 。状态检修是在定期检修和现代检测技术基础上提出来的一种新的检修方式，它以数 据为依据作出检修决策，是一种不同于传统的以周期( 时间) 为依据的检修方式。它是一种建立在 计算机技术、检测技术、电力技术、诊断技术等多学科基础上的检修方式。事后检修是完全被动的， 定期检修虽然具有主动性，但其本身的固有缺陷又限制了它的发展。状态检修较之二者，旨在不影 响设备正常运行的情况下，通过各种方法对设备健康水平进行监视和评估。既可实时了解设备的运 行状态，捕捉故障征兆，及时作出针对性的检修计划，防止事故发生或事故扩大，又可做到少停运， 保证系统正常供电，真正做到了“该修才修，修必修好”。状态检修在上世纪7 0 年代开始普及，并 有逐渐替代定期检修的趋势。 目前国内外采用的检修方式主要是定期检修和状态检修。由于状态检修还处于研究开发的初级 阶段，有许多不完善的地方，所以一般采用二者结合的检修方式。 状态检修的必要性体现在以下几个方面； ( 1 ) 状态检修是降低设备检修费用的重要措施。据统计，定期检修费约占设备资产总额的7 9 ， 定期检修很难做到减负增效。 ( 2 ) 状态检修是根据设备的实际运行状况确定其健康水平，相对定期检修来说，具有一定科学性和 合理性，避免了检修不足平u 检修过度。 ( 3 ) 状态检修的实现手段为在线监测，能够获得设备在运行电压条件下的备参数。而定期检修通过 离线试验进行，一般试验电压远低于设备的运行电压。 ( 4 ) 状态检修可以降低设备故障和缺陷率。 ( 5 ) 状态检修减少设各停电时间，提高了供电的可靠性。 1 2 2 断路器在线监测发展史 与变压器、发电机、电容性设备相比，断路器在线监测技术起步较晚。“g i s 应用”与“状态 维修概念”促进了断路器在线监测技术的发展。直到9 0 年代以后断路器在线监测技术才逐渐发展 4 河海大学硕士学位论文第一章绪论 起来。 在供配电系统中，断路器所导致的非计划停电事故，无论在事故总最还是在事故时间上都是最 多的。现在的电力系统事故不再单纯的以其对电力系统的危害来衡量它所造成的经济损失。如果按 我国权威部门所指出的非计划停电事故所造成的直接损失、间接损失、社会损失的比例为1 ：4 ：6 来 估计损失的话，设备费用反而只占很小一部分。从这种意义上讲，加强对诸如断路器等高事故电力 元件的在线监测是减少损失的最佳途径。经济利益的驱动也推动了断路器在线监测技术的快速发 展。 随着供电电压的不断提高，断路器对介质有了特殊要求，油、真空、s f 6 断路器的出现使得断 路器的维修较为困难，“状态维修”的概念就是在这种情况下产生的。目前，国家依然推行的是计 划性预防维修、计划维修盲目性大，费用高，且有些断路器的拆卸完全是不必要的。由于技术水平 等原冈，解体拆装反而易对正常断路器造成损害，并降低了其利用率和可靠性。随后有人提出状态 维修的概念，用状态维修替代计划性维修。状态维修克服了计划维修的盲目性，同时也最大化的节 省了维护费用。状态维修的前提是对断路器的状态预知，断路器在线监测技术为状态维修提供状态 预知的技术支持，状态检修的广泛应用也推动在线监测技术的发展。 g i s 装置是2 0 世纪6 0 年代中期才出现的一种新型电器装置。g i s 具有r 地面积小、维护工作 量少、故障率低、不受环境条件影响以及运行性能可靠等优点，己经得到国内外电力部门的公认， 目前已成为高压配电装置的一个发展方向。g i s 技术的应用，使得其核心电力元件一一断路器的检 修更加困难，所以必须对其中的断路器进行在线监测才能做到维修量最小和维护费用最低。g i s 的 广泛应用成了断路器在线监测技术发展的另一股推动力。 2 0 世纪9 0 年代，美国、日本开始研究断路器的在线监测，美国学者率先给出断路器电寿命与 开断电流的关系，提出“灭弧触头电寿命”的概念，“全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是 同期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，都先后生产 了自己的断路器在线监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行监测的问题。检测 结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。1 9 9 2 年吉林电业局曾立项“断路器机械特性 的监测”和“g i s 局部放电特高频在线监测”，1 9 9 5 年清华大学高压教研室研制了c b a l 高压断 路器参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸电流、行程陆线及振动信号。 总之，断路器在线监测技术起步较晚，“g i s 装置”和“状态维修”概念促进了断路器在线监 测技术的发展。短短十几年时间里断路器在线监测技术得到了较快的发展。 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 断路器在线监测技术的现状 用于判定断路器状态进行故障诊断的信号主要有如下几种：( 1 ) 选取断路器动作行程、三相分 合闸同期性及历史数据进行分析比较来诊断操动系统的故障。( 2 ) 对分( 合) 闸线圈电流波形进行 详尽全面的分析，与正常状态下的“指纹”电流波形进行比较。( 3 ) 根据振动信号分析来确定断路 器的机械故障，采用离线测量接触电阻的方法评估断路器活动接触处的劣化状态及其载流状态。( 4 ) 通过测量断路器动作时触头两端的电压，以及分( 合) 闸线圈线圈的电流，从这些信号中获取分( 合) 闸线圈时间、燃弧时间、电弧电压、电弧能量等信息。 采用监测振动信号来判断机械故障的方法，一直广受关注。振动传感器尺寸小、重量轻、工作 可靠、价格低等优点，而且振动信号监测是一种非侵入式的检测方法，实现手段简单，因而受到各 国研究者的亲睐。振动监测方法成功与否的关键在于振动信号的处理方法。已有的处理方法包括事 件时刻提取及幅值分析法、时频域复合分析法、动态时间归整法、短时能量法、人工神经网络法、 小波分析法等等。但是，断路器的振动信号不是平稳信号，不能简单的套用旋转机械振动信号的经 验和处理方法。加之研究开发上作量大，通用性不够；测量信号对传感器的安装位置十分敏感，信 号中含有不稳定因素，处理过程复杂，发现故障的灵敏度不高。所以，振动信号监测和诊断断路器 机械故障的方法在实际应用中并没有很好的应用例子。此外还有结合人工智能等新技术的基于知 识、基于模型、基于案例以及模型辅助的故障诊断方法。 国r 勾# l - 对断路器状态监测这个课题都作过许多研究。断路器的检测技术大体上经历了从离线测 试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程，到9 0 年代出现了微机型高压开关机械特性测试 仪。 国外目前已有断路器状态监测功能较齐全的产品，断路器状态在线监测技术正逐步进入实用化 阶段。其实现方法一般都是在断路器设备中引入微处理器，对断路器设备的重要参数进行长期连续 的监测。这不仅可以提供设备现有的状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，识别潜在的和 存在的故障，为设备的状态检修提供依据。 一些国外的开关设备制造厂商已经将状态在线监测技术应用于产品中。如德国西门子公司在高 压断路器和g i s 中采用了在线监测子系统。a 1 3 f 3 公司在其开发的新型中压开关柜中，采用了温度 传感器和感应式位移传感器来实现对断路器状态的监测。新的技术和方法还在不断的引入，在信号 传感方面新的技术，如光学技术已被用在断路器的状态监测上。 断路器在线监测的实质性进展缓慢，原因一方面在于断路器结构复杂，例如最重要的一个部件 6 河海人学硕士学位论文第一章绪论 灭弧室，由于其封闭性较强，电弧燃烧的不确定性，测量方式很难确定，测量效果也不能保证； 二是传感技术跟不上，这也限制了监测的发展；最后，由于断路器各部件繁多，如操动机构，很难 判断哪些部件容易发生故障，以便对其进行监测，这就造成了监测的盲目性，缺乏监测经验。因为 断路器在正常运行时很少发生动作，这也造成关键数据的缺乏，不利于经验的累计。 1 4 断路器在线监测技术的主要难点 从总体上来看，无论在国外还姓在国内，现有的断路器在线监测产品还处在探索阶段，还不够 成熟，并没有真正达到实用化。 断路器在线监测技术和产品做不到实用化原因是多方面的。有的是由于检测、处理方法复杂、 缺乏通用性，有的是由于过高的系统成本，有的是由于方法上的局限性，从而在目前不能被广泛使 用。 断路器是电力系统中最复杂的电气设备之一，现在对断路器的内部运行规律缺乏系统和完善的 了解对其机械、温度等特性的研究还不够深入，对其故障发生、发展的机理还不够清楚，并且现有 的研究范围还比较窄，涉及而还不全面。因此，有必要对断路器的状态监测分析方法作更深入的研 究，找出更具有实用性的方法，以满足对电力系统可靠性越来越高的要求。 由于断路器是由灭弧室、操动机构等多个设备组合而成，涉及电、磁、力学等多个方面，各种 故障的表现形式和产生机理千差万别。因此对断路器进行状态监测并做出准确的故障诊断，必须了 解断路器的上作特性和故障特点。由于断路器本身所具有的特性，造成了断路器状态监测工作的困 难，这些特性可概括的表述如下： ( 1 ) 工作状态的多样性：断路器应用于各种不同的场合和电压等级。有些断路器需要频繁开合， 而有些则在投入后很少动作；有些在寿命期限内要多次开断短路电流，而有些则很少开断。这种工 作状态上的差异给断路器的在线监测与故障诊断工作带来了困难。在通过断路器开合过程中的信号 来获取断路器机械状态信息的应用中，如果断路器投入运行后长期不执行分断关合操作，则无法获 取想要得到的信号。这样，在两次检修周划之间若因外力等造成了断路器的机械损伤是无法判别的， 只有等到下一次检修时通过检测才能知道。 ( 2 ) 产品结构的差异性：为了适用于不同的电压等级和应用场合，断路器的种类繁多。从灭弧 原理上讲有多油、少油、压缩空气、六氟化硫、真空等多种类型，各类型的断路器又配以各自不同 的操动机构，操动机构的机械元件和电气元件的工作原理又存在很大差别。因此各种断路器产品在 原理和结构上差别很大。即使是同一类型的断路器，由于厂家、生产年代、技术参数的不同，在结 7 河海大学硕士学位论文第一章绪论 构上也存在很大差别。结构上的差异性造成了故障形式的多样性，故障形式的多样性给监测项目的 选取、传感器的选择和安装带来了困难，因为所选的传感器类型、性能、数量和安装部位都将直接 关系到状态监测的有效性和故障诊断的可信度。 ( 3 ) 故障发生的随机性：电气设备的故障不仅决定于设备的当前状态，还跟它的历史状态有关 系；同一种故障可能是由于不相关的多种原因造成的，而同一种原因也可能造成不同的故障。对于 同样的状态参数，故障的严重程度不会完全一样，甚至可能发生故障也可能不发生故障。也就是说 断路器的状态变量与故障特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系，这种映射关系表现在了断 路器故障发生的随机性上。 目前在断路器的状态监测和故障诊断中存在的主要问题是：( 1 ) 现有的在线监测系统尚须对其 设计和功能进行完善，缺乏数据积累，只能简单参照历史数据记录。应该使监测系统实现数据库建 立功能。( 2 ) 以往人们所关心的是机械参数的计算结果( 只要结果偏离不火，就认为没什么问题) ， 而对机械运动过程细节关心不多。( 3 ) 许多系统的设计者将状态监测和故障诊断割裂来看，设计出 来的系统只是采集数据，虽然得到了大量的状态参数但基本上没有数据分析功能，数据的整理、状 态特征量的提取、分析仍然要靠人工完成。( 4 ) 现场运行人员普遍反映，监测仪器寿命过短( 通常 不超过1 0 年) ，精度不够高。( 5 ) 一般来说，状态的变化，设备由止常状态到故障的发生都是有一 个过程的。但是现有系统对故障机理研究尚不够透彻，监测与诊断的手段不多，获取的信息也不够 全面，在故障的诊断率和诊断的正确率、系统的稳定性等方面还存在问题。这些原因都使状态监测 和故障诊断工作进展缓慢。 1 5 本文的主要工作 随着真空断路器在电力系统特别是中压系统中的大范围运用，对真空断路器实施在线监测的必 要性显得越为突出。本论文结合国网南京自动化研究院和南京供电公司合作的“基于白愈控制技术 的城市电网自动化系统”这个项目，最真空断路器在线监测系统做了研究，主要工作有以下几点： 1 搜集并阅读了大量书籍，熟悉了真空断路器的基本结构和特点，了解了国内外真空断路器 的发展情况以及真空断路器的应用前景。 2 通过广泛的调研，了解了能反映真空断路器健康状况的一系列参数，并介绍了这些参数目 前的监测方法以及这些方法的优缺点。 3 结合国网南京自动化研究院和南京供电公司合作的“基于自愈控制技术的城市电网自动化 系统”这个项目，根据对真空断路器的故障统计和依据经济性、可行性的原则，选取了真空度、 8 河海大学硕士学位论文第一章绪论 行程、分( 合) 闸线圈电流、开断电流、辅助开关触点作为监测对象# 根据对各参数监测方法 的比较，选择了合适的方法。 4 在江苏光大电控设备有限公司生产的v g 2 0 0 0 i o k v 真空断路器上安装了传感器，对真空断 路器的参数进行了监测，并提出了判定触头刚分( 合) 时刻的新方法，这点非常关键，将影响 所有机械参数的确定。 9 河海大学硕士学位论文 第二章真空断路器的基本结构和特点 2 1 概述吣1 第二章真空断路器的基本结构和应用 真空断路器是2 0 世纪初发展起来的一种新型开关电器，它是以真空作为灭弧和绝缘介质，在 真空容器中进行电流开断与闭合的断路器。近年来，随着国际上中压开关无油化浪潮的兴起，真空 断路器在配电系统和许多领域得到推广和应用。 真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态。 绝对压力等于零的空间成为绝对真空，这才是真正的真空或理想的真空。 真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真空度越高。在国际单位制中，压力以 帕( p a ) 为单位，即1 n m 2 的作用力。一个工程大气压约为o i m p a ( 兆帕) 。过去习惯使用毫米汞 柱( m m h g ) 或托( t o 以m = 等= 1 3 3 3 p a 。 真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域。我国划分的区域为： 粗真空：真空压力范围为1 0 1 1 0 5 p a 1 3 3 1 0 2 忍 低真空：真空压力范围为1 3 3 1 0 2 几1 3 3 1 0 。肋 高真空：真空压力范围为1 3 3 1 0 1 忍1 3 3 1 0 “ 超高真空：真空压力范围为1 3 3 1 0 6 尸a 1 3 3 1 0 p 口 极高真空：真空压力小于1 3 3 1 0 1 0 p 口 真空灭弧室的真空度( 即真空压力值) 在1 3 3 x 1 0 - 2 p 和1 3 3 x 1 0 。p a 之间，属于高真空范 畴。在这样高的真空度下，气体的密度很低，气体分子的平均自由路程很长，因此触头间隙的绝缘 强度很高，不同真空度r 的气体分子密度和平均自由路程见表2 1 。 1 0 河海大学硕士学位论文第二章真空断路器的基本结构和特点 表2 1 不同真空度下的气体分子密度和平均自由路程 真空度p a 1 1 0 6 6 6 7 6 6 7 1 0 - 26 6 7 1 0 - 4 真空度7 1 d 玎7 6 0 5 1 0 25 1 0 45 1 0 6 气体分子密度( 1 m 3 )2 7 1 0 2 52 7 x 1 0 2 12 7 1 0 1 92 7 1 0 ” 平均自由路程研研1 1 0 1 2 5 2 5 02 5 0 0 0 利用真空介质来熄灭电弧的设想在1 9 世纪末就已提出，2 0 世纪2 0 年代制造出了最早的真空 灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制，当时并末实现实用化。2 0 世纪5 0 年代以 后，随着电子工业发展起来的许多新技术，解决了真空灭弧室制造中的很多难题，使真空开关逐渐 达到实i j 水平。5 0 年代中期美国通用电气公司批量生产了1 2 k v 额定开断电流为1 2 k a 的真空断路 器。随后在5 0 年代末由于发展了具有横向磁场触头的真空灭弧室，使额定开断电流提高到3 0 k a 的水平。7 0 年代后，日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场的触头的真空灭弧室，使额定开 断电流又进一步提高到5 0 k a 以上。目前真空断路器已广泛用于1 0 k v 、3 5 k v 配电系统中，额定开 断电流已能做到5 0 k a 1 0 0 k a 。有些国家还生产了7 2 8 4 k v 级的真空灭弧室，但数量不多。近年 来，我国真空断路器的生产发展很快，已在l o k v 电压级开发出户内式额定电压1 2 k v ，额定电流 4 0 0 0 a ，额定短路开断电流6 3 k a ，额定短路电流开断次数1 6 次，机械寿命1 0 0 0 0 次的新产品；户 内式额定电压1 2 k v ，额定电流6 3 0 a ，额定短路开断电流2 0k a ，额定短路电流开断次数3 0 次， 机械寿命1 0 0 0 0 次的三极户外真空断路器。电压3 5 k v 、开断电流2 5k a 的真空断路器也已作为油 断路器的替代产品而广泛使用。 2 2 真空断路器的基本结构 真空断路器由载流灭弧装置和操动机构两部分组成。操动机构对断路器在分、合闸时，提供所 需要的操作功，由于真空断路器的开距短、电弧能量小，与开断参数相同的其他断路器相比，操作 功所需量远小于s f 6 断路器及油断路器。早期真空断路器采用电磁机构，现在多数改用弹簧机构， 就机构本身而言，除机械寿命次数高外，与油断路器及s f 6 断路器的操动机构没有本质上的区别， 因此讲真空断路器的结构特色，主要是真空灭弧室，它与油断路器或s r 断路器相比，有本质上的 差异。 河海大学硕士学位论文 第二章真窄断路器的基本结构和特点 2 2 1 真空灭弧室的基本构造“1 真空灭弧室的基本构造( 如图2 1 所示) ，不论德国、英国、美国与日本的各家制造厂大致相 似，但材料和触头结构方面却大不相同，且各有专利，互相保密。真空灭弧室的基本结构可分为以 下几个主要部分。 图2 1 真空灭弧室的结构图 1 外壳 外壳是为真空灭弧室造成一定真空度的机械承力空间，按制造材质分为玻璃、陶瓷与金属壳( 将 金属屏蔽罩外露于空气中，而在两端绝缘) 。我国以往使用玻璃外壳居多，但陶瓷外壳的燃焙温度 高，可实现一次排封封接工艺，易于实现机械化、自动化高效生产，而且比玻璃外壳有更高的机械 强度和真空度。8 0 年代开始，我国引进美国西屋公司的真空断路器制造技术如：采用陶瓷外壳。 陶瓷外壳要求a 1 2 晚含量大于9 4 ，能承受1 6 0 0 ( 2 高温，熔点2 0 3 0 c ，故一次排封工艺的烤烘温 度为8 0 0 ( 2 ，用熔点为7 7 9 。c 的h g c u 2 8 作钎焊剂，焊接后强度高、密封好。同时也引进德国西门子 技术制造的真空灭弧室，亦为陶瓷外壳，呈“中”字形，陶瓷制成套管，焊接于两个端部，而金属 屏蔽罩外露，成为壳体的一部分，有人称之为金属外壳，采用两次排封工艺。 2 动触头和静触头 河海大学硕士学位论文 第二章真空断路器的基奉结构和特点 真空断路器内的一对触头，既是【开台时的通流元件，又是开断时的灭弧元件，其几何造型和金 属元素成分随制造厂而各不相同。因触头在真空环境内工作，表面不易生成氧化膜，所以要求能抗 熔焊；截流值小，就要求金属饱和蒸气气压高；另一方面又要求材料含气杂质少，开断电流大，过 零后介质强度要高，这又要求金属的饱和蒸气气压不能太高。这些性能要求是既苛刻而又互相矛盾 的。 真空断路器的触头材料大致分成两大类：铜一铬( c u c r ) 台金，主要使用于高电压；铜一 硒一碲( c u s e t e ) 合金，用于低压大电流。欧洲大多采用铜一铬合金，日本、美国采用铜一硒 一碲合金较多。即使金属合金元素相同，而制造方法亦随不同制造厂而异，铜铬合金具有高开断 能力，在相同触头直径下比铜一硒一碲合金高1 0 。触头材料的成分和性能与断路器的开断性能、 电压承受能力、过电压高低均有密切影响。 为提高真空断路器的开断能力，除了选择性能优良的触头材料外，还必须研究采用触头的结构 形式。这些触头的共同特点是利用磁场力使真空断路器的电弧很快地运动，防i 在电极触头上产生 需要长时间冷却的受热区域。研究和实验证实：采用杯状触头，发展纵向磁场触头适合于开断大电 流的需要。杯状触头的突出优点是在分断电流过程中，增加了横向磁场强度，使电弧沿着触杯以极 高的速度运动，大大减轻触头的磨损率，从而提高分断能力。纵向磁场触头结构能提高真空断路器 的开断能力，这大大地推动了真空断路器向大容量和小型化方向发展的进程。我国自行研究的纵向 磁场触头结构的真空断路器已取得较好的实用效果。 3 波纹管 使动触头有一定的活动范围而不使灭弧室内真空空间压强发生变化，可使用金属波纹管来承受 触头活动时的伸缩。真空断路器每合分操作一次，相应地使波纹管产生一次机械变形，它是真空灭 弧室中最易损坏的部件，其金属材料的疲劳寿命，决定了真空灭弧室的机械寿命。 波纹管的种类很多，但实际使用的有液压成形和膜片焊接两种。液压成形波纹管形如壁厚为 o 1 0 1 5 r a m 厚的手风琴风箱。它由l 2 m m 的金属板拉薄为o 1 0 1 5 m m 厚的原管，再经油压成形 和热处理加工而成。制造材料可用不锈钢、磷青铜、黄铜等金属。其中不锈钢材料因有不易氧化， 不易因受热失去弹性和耐腐蚀等优点而最常采用。液压成形波纹管的最大t 作行程仅为自由长度的 2 0 3 0 ，并且因管肇厚度不均，各部分变形程度不同而影响其机械寿命，但价格比较便宜。 膜片焊接波纹管采f i j 由o 1 0 5 m m 不锈钢片冲制成的环状膜片焊接而成，其波数可以很大， 其工作行程可达波纹管长度的2 3 以上。这种波纹管的疲劳寿命高，但价格较贵。 波纹管的机械寿命是波纹管管壁疲劳破坏的极限，其破坏主要由波纹管内部所受压力和负载行 1 3 河海大学硕士学位论文 第二章真空断路器的基本结构和特点 程作用下，产生的应力变化造成的。当真空断路器开断一定次数后，波纹管出现疲劳破坏，管壁产 生皱裂，不再能保持真空灭弧室的气密性，波纹管就失效了。 波纹管的疲劳寿命与它的工作行程有着密切的关系，理论分析表明，波纹管的疲劳寿命与工作 行程的3 5 次幂成比例。所以，无论是在安装调试过程中还是在运行过程中，尽可能避免波纹管的 过量压缩和行程过大，对提高真空断路器的机械寿命都是至关重要的。 4 屏蔽罩 触头周围装设的金属屏蔽罩，通常称为主屏蔽罩，屏蔽罩需要具有高的导热率和优良的凝结能 力。屏蔽罩有三个作用： ( i ) 防止燃弧过程中触头间产生大量的金属蒸气和金属粒喷溅到外壳绝缘筒的内壁，造成真空 灭弧室外部绝缘强度降低或闪络。 ( 2 ) 改善真空灭弧室内部电压的均匀分布，提高其绝缘性能，有利于真空灭弧室向小型化发展。 ( 3 ) 冷却和凝结电弧生成物，使电弧的热量能通过屏蔽罩发散出去，有助于电弧熄灭后残余等 离子体的迅速衰减，对增大灭弧室的开断能力起很大作用。 实验表明，真空灭弧室中电弧能量的7 0 左右消耗在主屏蔽罩上，因而燃弧时主屏蔽罩的温度 升得很高，温度越高，表面凝聚电弧生成物的能力越差。因此，应采用导热性能好的材料来制造主 屏蔽罩，如无氧铜，不锈钢、镍或玻璃等材料。 主屏蔽罩在用铜或不锈钢两种材料制作时，铜具有较高的导热率和优良的凝结能力，但铜材熔 点低，和电弧生成物有较大的亲和力，且屏蔽罩内壁上附有的金属屑会使燃弧后的灭弧室内电场分 布不均匀。选用不锈钢做主屏蔽罩就能克服上述缺点。 2 2 2 中压断路器操动机构的现状与发展 操动机构在断路器中占有重要地位。它不但要保证断路器长期可靠动作，而且要满足灭弧特性 对操动机构的要求。断路器的分合闸时间或速度必须满足其开断和关合要求，以便通过快速切除故 障而不使故障扩大，从而保持电力系统的稳定，并减轻设备、线路、绝缘的损伤。为此要求断路器 具有良好的操作性能。另外，断路器多次分合可能造成触头及操动机构可动部分的机械磨损，因而 国家标准中规定要对断路器进行机械寿命试验，验证在规定的机械特性及不更换零部件的条件下， 断路器能否承受规定的分、合闸空载操作次数。 1 4 河海大学硕士学位论文 第二章真卒断路器的基本结构和特点 2 2 2 1 中压断路器操动机构的国内外现状 在断路器发展的不同时期，占主导地位的操动机构形式有所不同。真空断路器与其它类型断路 器例如空气断路器、油断路器和s f 6 断路器的动作特性有很人的差异。真空断路器的行程很小，而 由于触头是对接式的，所以合闸保持力人。因此，机构必须保证在开关合闸到位时，提供足够大的 力来克服触头压力，而且不允许发生断路器台不上或者出现严重的触头弹跳。 目前在中压断路器中广泛使用的操动机构主要有电磁操动机构和弹簧操动机构，以及目前正在 研制开发的永磁机构。 电磁操动机构 早期设计的真空开关的机构为直流电磁操动机构( 以下简称为电磁机构) ，电磁机构在开关合 闸时，螺管式电磁铁逐渐接近端面，产生的吸力会增加，这样就与真空断路器的机械特性相匹配， 但它仍需要一个机械锁扣，使断路器保持在合闸位置上。并且，其需要一个较大的直流电源。电磁 机构直接利用电能，通过直流螺管线圈或电动机将电能转换为机械能，储能装置为一只或一组弹簧， 在合闸时吸收动力装置的一部分机械功并转化为弹簧的位能。分闸时，由弹簧释放位能实现断路器 分闸的目的。 电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛应用，这是由于电磁操动机构较好地迎合了真 空灭弧室的要求：一是开距小( 8 - 2 5 m m ) ，二是在合闸位置需要大的操作力( 2 0 0 0 4 0 0 0 n 相) 。然 而电磁操动机构也存在不容忽视的缺点，磁路电感l 在合闸过程中变化较人，产生反电势l d i d t ， 从而抑制了合闸绕组动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增强。这样，当绕 组的稳态电流已经较大时，若想用进一步提高绕组稳态电流的方法来抵消这种抑制作用，常受合闸