高压断路器在线监测技术综述

孙子昌，陈昊，张建忠，徐鹏，孙小磊

(1·国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京210002；2·东南大学电气工程学院，江苏 南京210000)

0 引言

高压断路器是电力系统最重要的保护和控制设备，广泛用于各电压等级电网，除了日常操作切断负荷电流，亦要在故障发生时切断数倍于额定电流的故障电流，其可靠性直接关系到电网的安全稳定[1－3]。长期以来，只能通过停电检修发现和处理断路器缺陷。由于停电检修必须在设备停电状态下进行，脱离了高压断路器的带电条件，难以准确反映断路器运行状态下缺陷，且停电检修的盲目性大，费用较高。此外，频繁的操作及过度的拆卸也容易降低断路器的运行可靠性[4]。

在线监测技术可以对断路器运行状态进行实时监测，能够更加科学地提升断路器的自我感知能力，实现状态检修，是传统定期停电检修技术的重大补充和革新[5]。20世纪80年代以来，随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术等的发展，电力设备在线监测技术日益完善。近十年来，断路器在线监测的现场应用证明，这一技术手段可以相对真实地反映设备运行情况，为断路器从计划检修到状态检修的转变创造了条件[6－8]。

本文综述高压断路器在线监测方法，基于江苏电网某500 kV变电站智能运检建设情况，结合工程实践分析目前断路器在线监测技术现场应用存在的问题，最后对未来断路器的在线监测方法与实施提出建议及改进措施。

1 断路器在线监测方法

1.1 SF6断路器特性监测

目前，SF6断路器在高电压等级电网中应用较为普遍，SF6气体作为断路器的灭弧介质和绝缘介质，其绝缘强度主要取决于SF6气体密度和SF6气体微水含量[9－10]。

1.1.1 SF6气体的密度监测

室外安装的SF6断路器，环境温度变化会引起其内部SF6气体压力的变化，因此不宜单纯采用监测气体压力的方法来监测气体密度。经典的SF6气体密度监测多采用机械式密度继电器，如图1所示。由于预充气室中也存在SF6气体，温度对于气体压力影响一致，因此不需要考虑环境温度影响，即监测装置具备温度补偿功能[11]。当断路器气室气体泄漏时，金属波纹管由于内外压差不同被压缩，通过传动机构带动微动开关触点接通，使外接的相关继电器励磁，发出信号并根据整定值决定是否闭锁断路器的分合闸回路[9，11－12]。

图1 机械式密度继电器

近年来出现的数字式SF6气体密度监测仪通过压力和温度传感器对气体压力和温度进行直接测量。由于SF6断路器的压力告警和闭锁限值均是对应运行环境20℃时的数值，所以需要进行压力换算，弥补温度对压力的影响。

1.1.2 SF6气体微水监测

SF6气体微水监测方法主要包含重量法、电解法、露点法、电容法等，其中电解法和露点法为国际电工委员会(IEC)推荐的日常测量方法[13－14]。这些都是断路器定期检修试验的常用方法，无法实现在线监测功能。

目前SF6气体微水在线监测开始逐渐流行，某些变电站断路器采用全新材料的高分子聚合物薄膜传感器技术对微水含量进行监测。该传感器的微水测量利用阻容法原理，且不需要消耗气室内SF6气体，即当SF6气体中的含水量发生变化时，高分子聚合物薄膜阻值和容值也发生相应的变化。利用含水量与阻容值之间的变化关系直接测量SF6气体中含水分量，通过传感器阻容值输出计算实时在线监测SF6气体微水含量。

1.2 分合闸线圈电流监测

电磁铁是高压断路器机械操动机构的重要元件之一，线圈中通过的电流在电磁铁内产生磁通，铁芯受电磁力作用吸合从而完成断路器的合闸、分闸过程。高压断路器机构中的分合闸脱扣电磁铁，在长期操作和实际运行过程中可能发生变形、锈蚀、脏污等，都可能导致电磁铁吸合不成功从而引起断路器拒动，此类故障每年约占全国断路器拒动、误动总事故率的26·1%[15]。

由于线圈电流控制电磁铁的吸合动作，所以可通过分合闸线圈电流特性来反映铁芯动作情况。目前一般采用装设电流传感器监测电磁铁线圈的电流波形，通过记录、分析每次分合闸操作过程中的电流波形，对断路器的控制回路及机械操动机构状况等有大致了解，然后对断路器机械故障的发展趋势和发生概率进行诊断推算，为高压断路器检修工作的实施提供辅助决策依据[16－18]。

1.3 断路器行程特性监测

高压断路器分、合闸时的行程－时间特性是表征高压断路器机械特性的重要参数，是计算高压断路器分、合闸速度的依据[16]。高压断路器的开断性能很大程度上取决于断路器分、合闸速度，特别是断路器合闸前与分闸后的动触头速度。断路器行程特性监测就是通过对动触头的行程－时间关系进行测量，从而计算得到动触头速度。

目前断路器行程特性监测多采用光电式位移传感器，常用旋转式光电编码器，如图2所示，装置上有一固定光源，即图中的发光元件。当断路器进行分合闸时，码盘被断路器触头带动旋转，光源透过光栅射到接收元件，通过电路装置产生输出A、B两路相位差90°的正交脉冲串信号。因为编码器使用两组光栅，所以通过电路输出信号，可以判断触头是正向运动还是反向运动。另外装置计数器对A、B相两路信号进行计数，即可计算出断路器动触头的分、合闸速度。

图2 旋转光电编码器的结构原理

1.4 机械振动信号监测

高压断路器依靠其机械部件的正确动作实现其功能，国内外高压断路器设备的运行实践表明:机械故障在断路器各类故障中占比最高，因此加强断路器机械故障监测，对降低断路器故障发生率具有重要意义[19－21]。

高压断路器分合闸操作过程中，机构部件的运动和撞击都会引起振动响应。这种振动响应具有随机性，但对于同一台断路器的多次操作，振动信号重复性较好。当断路器出现机械故障时其振动信号会发生较大改变，因此可通过监测振动信号以识别断路器缺陷。机械振动监测系统如图3所示。

图3 机械振动检测系统

通过在断路器上装设的传感器采取振动信号，经过放大器以及A/D板处理，将振动信息传至处理单元模块进行处理分析。断路器的振动信号包含有丰富的特征信息，通过提取信号的时域、频域信号的频带和幅值进行分析，得出结论。提取信号特征的方法可以分为时域法、频域法和数据序列分析法，往往多种方法的综合应用可以在应用层面取得更好的效果。

1.5 断路器箱柜温湿度监测

断路器的端子箱与汇控柜温度过高容易引发火灾或爬电等事故，湿度过大则会导致箱内二次元器件锈蚀、短路，严重时引发断路器误动、拒动，对设备的安全运行构成威胁，因此箱柜内的温湿度状况极为重要。为避免断路器箱柜内环境过热或过湿，需要加装温湿度控制装置，对箱柜内部及其周围环境进行实时监测和控制。

目前一般在户外箱柜内部装设温湿度传感器及输出接点，箱柜内部仪器以及后台辅助系统可显示柜内的实时温湿度数值，监测断路器端子箱及汇控柜等箱柜内部的温湿度情况。监测装置可以设置温湿度的动作门限值，通过比对温湿度传感器上传的温湿度值，选择性控制加热器、风机或背包空调的输出，使箱柜内的温湿度值始终保持在允许范围之内。

1.6 立体化目视监测

立体化目视监测是断路器在线监测的重要部分。户外敞开式高压断路器距离地面较远，人工运维巡视难以发现断路器细微的缺陷，如断路器瓷瓶釉面轻微破损现象。

目前立体化目视监测主要是通过变电站内已安装的高清摄像头以及巡检机器人等技术手段进行立体化可见光点位巡检，利用后台程序对巡检照片与影像进行识别判断，分析是否存在结构缺陷。若摄像头以及机器人兼具红外测温功能，也可对断路器进行温度监测，及时发现设备温升异常。

2 在线监测存在问题

2.1 监测装置安装困难大

非停电作业时，断路器处于带电运行状态，在线监测装置的安装不得不面对与带电设备近距离作业或者是改变其回路结构的问题，难以满足与带电设备的安全距离，因此往往需要在断路器停电检修时进行安装，而断路器的停复电由电力调度部门决定，且不能随意更改，这就给在线监测装置的安装带来了很大的限制。

另外，在线监测传感器的安装需考虑是否会对现有断路器机构造成破坏，以及给断路器正常运行带来的风险。例如断路器分合闸线圈电流测试，须加装电流互感器，在安装时需解开分合闸线圈回路并串入电流互感器。由于现有箱柜空间一般无法装设电流互感器，需要在断路器的操作回路与储能回路中间另外增加箱柜进行安装，如图4所示，相当于新增了一个导致断路器误动的风险点。

图4 在线监测装置安装

2.2 机械故障诊断识别率低

由于现场实际情况相较于理论分析更为复杂，设备带电操作与不带电操作特性存在差别，且断路器机械结构复杂，不同型号的断路器内部结构也存在较大差异。另外在线监测传感器安装位置不尽相同，断路器在分合闸动作过程中各部件振动信号交叉叠加结果也不相同，导致不同传感器感知的振动信号存在差异，提取的振动特征值无法统一，对断路器的机械故障诊断产生极大影响。

2.3 图像识别准确率低

在变电站采用在线智能化巡视设备代替人工巡检作业，结合相应的图像处理算法完成巡检任务，包括变电站设备的典型外观缺陷，如鸟巢、外壳破损、表盘读数异常、硅胶筒破损、部件表面油污、挂空悬浮物等，已经得到推广应用。但是，变电站电磁环境复杂，设备种类多样，且存在多种干扰，现有的视频图像处理算法准确率低，漏报、误报现象严重，视频监控仍旧需要人工干预，导致工作效率降低。

2.4 数据分析能力不足

随着在线监测装置与传感器的安装数量增多，断路器监测方式与方法得以完善，现场收集的监测数据比较可观，后台如何对大量的数据进行分析成为在线监测不得不面对的难题。一是如何从大量的监测数据中进行有效数据的筛选和提取，二是对于有效数据如何寻找一种优越算法，精准捕捉数据特征量，从而提高发现设备故障的概率。

3 应用及建议

江苏电网某500 kV变电站建于20世纪90年代初，断路器运行历时长，型号多样。该站在2013—2016年断路器在线监测科研工作基础上，积累了断路器机械故障、瓷套缺陷、相关回路缺陷的诊断经验和大量在线监测数据。2019年起，结合变电站智能运检建设，进行了断路器在线监测技术进一步推广应用。结合推广应用阶段发现的问题，提出以下建议。

3.1 安装实施

由于在线监测所需传感器数量较多，断路器在线监测可以协同变电站内其他设备的在线监测设备考虑，利用三维建模及定位技术对变电站整体进行建模，从而有助于传感器的布局以及设备的快速查找，各传感器应尽可能物尽其用，避免重复安装以及材料浪费。另外结合目前人工智能新技术，最大程度保证安装在线监测装置的智能性与实用性。

安装之前应做好变电站内危险点分析与三措编制，建设改造过程要强化安全意识，严守安全规定，严控安全风险。特别是对于断路器涉及二次回路的改造工作，应遵循电力二次系统安全防护、智能电网安全防护等要求，提高系统使用安全防护水平，确保信息安全的能控、可控、在控。

3.2 监测系统算法升级

针对视频图像识别准确率低的问题，在线监测系统应开发巡检系统数据分析功能，可仅将室外机器人及高清视频巡检用作图像采集，利用巡检系统后台处理高清视频、室外机器人、室内机器人采集的图片和在线监测的数据，并将所有数据统一分析处理，开展相间对比、同类对比及趋势分析。

针对机械故障诊断识别率低的问题，分合闸线圈电流是反映断路器主控制回路基本故障及弹簧机构故障的主要数据来源。对于不同的断路器型号来说，其分合闸线圈电流的基本波形和特征参数也有所不同。通过收集不同型号断路器的主要特征参数，依据断路器特征参数建立断路器分合闸标准模型。另外应将一定量的设备在安装同样性能可靠的传感器的基础上，将工厂试验与带电操作时测得的数据进行比较，能更有效体现在线监测的作用，并建立专家诊断系统来指导科学检修并确保电网的可靠长期运行，从而提高断路器故障诊断算法及智能诊断专家系统的适用性和准确性。

3.3 数据处理能力提升

传感器的数据采样在保持精度的情况下可适当降低采样率，不需要完全追求海量的采样数据。对于不同类型的在线监测内容，根据传感器及设备特征设计相对应的数据筛选算法，通过算法对无效数据进行剔除，仅保留有效数据部分。

相比于传统数据存储和处理方法，新兴的云计算技术成本低，且具备可靠性高、易扩展的优点，可以将云存储和云计算技术有效利用到断路器在线监测后台数据应用过程中，提升数据处理的快速性和准确性。

3.4 展望

对于目前断路器在线监测的报警结果应按缺陷类型进行划分，并将断路器在线监测功能引入变电站整体监测系统范围。通过断路器在线监测结果实时反映设备现场运行状态，实现断路器从计划检修到状态检修的转变，减少人力物力财力的支出。

另外，断路器在线监测也应紧密围绕电力物联网建设，深化应用人工智能技术，打造智能运检变电站，充分利用现有系统资源，拓展功能应用，构建变电站智能运检体系，实现对设备状态全面实时掌控、设备异常主动分析预判、设备故障快速准确处置及现场作业行为安全管控。

4 结论

处于运行状态的高压断路器，现场安装在线监测装置的技术难度较大。在线监测系统数据利用率不高，后台识别算法不够完善，整体故障诊断识别率低。针对此问题，对在线监测装置的安装实施以及系统算法升级提出了建议。通过断路器在线监测对设备运行状态进行综合诊断，促进断路器从计划检修到状态检修的转变，对未来断路器检修策略调整及优化具有重要意义。