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智能真空断路器在线监测系统分析

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摘要：本文介绍了断路器在线监测的重要性及其在国内外的发展状况，监测系统的构架和重要监测参数，包括真空度和机械特性在线监测的方法，论述了智能真空断路器在未来发展中面临的技术问题，最后展望了智能真空断路器未来研究方向。

关键词：在线监测；真空断路器；可靠性；智能化；技术

中图分类号：X831文献标识码：A文章编号：

1.引言

断路器主要作用是关合和开断电路，在电力系统中，既起到控制作用，又起到保护电气设备的作用，如线路、变压器、高压电机出现故障时，能够快速地将设备从系统中切断。断路器作为一种不可缺少的电气设备，是连接发电机、升压变压器、输电线路、降压变压器等电气设备的重要部分。断路器被认为在电力系统里唯一的开断元件，其运行状态关系到整个电力系统运行的稳定性和供电的可靠性，是电力系统向用户持续提供高质量电能的必备条件。断路器如果发生故障，将会直接造成输电线路或设备从系统中解列，导致大面积区域停电，间接影响着系统供电的可靠性。因此，实时监测断路器的各种状态参数，提前预知断路器各种故障，在电力行业中显得尤为重要。

中国国家电网于2009年5月21日公布了“智能电网计划”[1]，提出对于电力设备的维护工作将由传统的预防性定期检修向状态检修转变，同时实现对高压断路器各组件的监测和诊断。状态检修[2]是通过各种技术方法对运行中的设备进行健康状况的评估或诊断进而有针对性地采取相应措施以最大限度地延长设备的检修周期及使用寿命，增强其运行的可靠性。在线监测技术的应用，提高检修针对性，降低盲目性和强制性；提高经济性，降低检修费用和故障概率。智能断路器融入在线监测技术与故障诊断技术将是未来发展的方向之一。

2.断路器在线监测发展

我国断路器在线监测研究起步比较晚，但国内一些高校和企业也有一定的发展积累，国内部分发电厂和变电站已经有融入在线监测与故障诊断的断路器投入生产运行。1995年，清华大学研究出CBA系列高压断路器机械特性检测系统[3]，不仅可以检测到分合闸线圈电流，还可以绘制相关特性曲线；2004年，西安交通大学研制出双CPU中压电力开关设备在线监测系统[4]，该系统能够监测断路器的合分闸线圈电流，动触头行程，三相不同期性等参数。目前，国内断路器在线监测还处于研究阶段，并没有大量投入生产和运行。尽管国内一些单位进行了在线监测这一方向的研究，也研制出了一些特定的在线监测设备，但一般都是只对断路器在线监测的一个或某几个个特性参数进行监测，监测参数内容并不全面，还有待于进一步发展和研究。

随着科技的进步，传感器技术、信号处理技术、通信技术将有新的突破，加上人工智能发展应用，断路器在线监测技术得以新的发展，故障诊断技术与在线监测技术的融合成为未来智能断路器的发展目标。

3.真空断路器在线监测系统

3.1真空断路器操作机构

断路器主要是由接通及开断部件、支持绝缘件、传动部件、基座和操动机构等组成，其驱动主触头的重要部件是操动机构[2]，它的主要作用是：合闸、合闸保持、储能、储能保持、分闸和自由脱扣，主要由控制单元、能量转换单元和传动单元组成。真空断路器操作机构如图1所示。其各个单元的功能如下：

（1）控制单元：能够正确快速接受分合闸控制信号并触发分闸动力或合闸动力经传动单元执行分合闸操作。

（2）能量转换单元：断路器分合闸动作必须依靠机械能来实现的，将电能转换为分合闸操作时所需要的机械动力。

（3）传动单元：将能量转换单元转换来的机械能传递给断路器，驱动断路器进行分合闸动作。

3.2真空断路器在线监测系统

真空断路器在线监测系统设计采用多种现代科技，将采集的信息进行处理，实时监测断路器运行状态，以保证其运行的可靠性，延长开关运行年限。断路器在线监测系统可以分为两层，其中底层由各种不同的传感器和中央处理器组成，上层主要由放在监控室的上位机组成，真空断路器在线监测系统如图2所示。断路器各种状态参数通过传感器进行转换，传感器发出的信号经过采集处理后，送到中央处理器进行分析处理，经过分析处理的各种信号特征值传送给上位机进行分析判断并显示和储存重要信息，利用人工智能技术进行故障诊断，预知断路器各组件的运行健康状况，从而达到在线监测目的。

4.真空断路器在线监测主要内容

不同的断路器，在线监测的内容也是有区别的。真空断路器在线监测内容包括：真空度、机械特性、电气特性、操作回路完好性、绝缘特性等。本文主要介绍其真空度和机械特性监测方法。

4.1真空度在线监测

真空断路器在正常状态运行时，要求真空度必须在一定的范围内，其灭弧室内的压力值一般在1.01×10-2Pa~1.33×10-5Pa。当前，真空度在线监测方法比较多，主要有：耦合电容法、电压附加法、放电电