文松發(fā)，郎 兵，劉 蘋，趙 雋，郭立飛，曹波濤

0 引言

國(guó)內(nèi)電氣化鐵道牽引變電所中27.5 kV牽引側(cè)廣泛采用真空斷路器來(lái)通、斷負(fù)荷電流和切斷短路電流。昆明鐵路局昆明供電段85%的牽引變電所及接觸網(wǎng)地處高原山區(qū)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，加之山區(qū)雷電頻繁，饋線瞬間短路普遍，從而導(dǎo)致變電所斷路器特別是饋線斷路器頻繁動(dòng)作，斷路器出現(xiàn)故障的幾率大大增加。如果斷路器故障而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，那么在運(yùn)行中就有可能因斷路器拒動(dòng)而不能及時(shí)跳閘切除短路故障，造成供電沿線電氣設(shè)備燒毀，或造成越級(jí)跳閘，使停電范圍擴(kuò)大。導(dǎo)致真空斷路器機(jī)構(gòu)故障的根本原因是：真空斷路器頻繁跳閘，加速了斷路器機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件的磨損，使斷路器幾何參數(shù)變化失衡而導(dǎo)致其電氣控制回路和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生故障。

目前，牽引供電系統(tǒng)普遍采取對(duì)高壓電氣設(shè)備（如斷路器）進(jìn)行離線方式的定期預(yù)防性試驗(yàn)和檢修（或稱為計(jì)劃?rùn)z修）[1]，這對(duì)防止設(shè)備故障的發(fā)生，保證供電安全起到重要作用。但該檢修模式的弊端在于電氣設(shè)備的離線試驗(yàn)和在線工作的不一致性、以及定期檢查和維修的盲目性、過(guò)度維修等，使設(shè)備運(yùn)行中的故障率仍很高。所以，開展?fàn)恳冸娝婵諗嗦菲鞯脑诰€監(jiān)測(cè)工作，實(shí)時(shí)了解設(shè)備的在線工作性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其異常和故障，合理安排檢修（狀態(tài)檢修），對(duì)于確保供電設(shè)備安全性、可靠性具有重要意義[2]。下文針對(duì)昆鐵電氣化牽引變電所廣泛使用的ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發(fā)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、安全性、監(jiān)測(cè)分析原理、試驗(yàn)結(jié)果等予以全面介紹。

1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成

針對(duì)ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發(fā)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括真空斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)控計(jì)算機(jī)（含有監(jiān)測(cè)分析軟件）以及監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)控計(jì)算機(jī)間的光纖通信網(wǎng)絡(luò)3個(gè)組成部分。通過(guò)該系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)牽引變電所的多臺(tái)真空斷路器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 真空斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置

ZN42-27.5型真空斷路器為戶內(nèi)單相交流高壓斷路器，其操作機(jī)構(gòu)為彈簧儲(chǔ)能式，安裝于變電所開關(guān)室的網(wǎng)柵間隔內(nèi)，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行要求設(shè)計(jì)開發(fā)的真空斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置，由傳感器和數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成。采用電流傳感器和電壓傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分（合）閘操作過(guò)程中直流控制回路的電流、電壓的在線監(jiān)測(cè)，以及儲(chǔ)能電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電樞電流、電壓的在線監(jiān)測(cè)。采用拉線式位移傳感器和振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分（合）閘操作過(guò)程中動(dòng)觸頭位移變化以及斷路器振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集單元以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心，采用12位A/D同步采樣技術(shù)，保證在斷路器進(jìn)行分（合）閘操作時(shí)控制回路電流、控制回路電壓、動(dòng)觸頭位移以及開關(guān)振動(dòng)的采樣數(shù)據(jù)同步。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)裝置的CAN通信接口通過(guò)系統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、計(jì)算。監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成原理如圖2所示。

圖1 真空斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 真空斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成原理圖

1.2 監(jiān)測(cè)裝置的安裝及安全性分析

真空斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置安裝在ZN42-27.5型真空斷路器本體上，該安裝位置與斷路器的高壓部分完全隔離，與斷路器的操作機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)對(duì)斷路器的正常運(yùn)行及操作造成影響。

該裝置采用的拉線式位移傳感器是反應(yīng)斷路器分（合）閘過(guò)程中動(dòng)觸頭位移變化的關(guān)鍵元件，其安裝必須滿足2個(gè)要求：

（1）拉線式位移傳感器的移動(dòng)拉繩需要連接在與動(dòng)觸頭相連的部件上，以精確反映動(dòng)觸頭的位移變化。

（2）拉線式位移傳感器的移動(dòng)拉繩必須與動(dòng)觸頭相連的帶電部件高電壓可靠絕緣。

所以，該裝置設(shè)計(jì)了符合上述要求的拉線式位移傳感器的安裝方式。位移傳感器固定安裝在斷路器車架底座上。采用環(huán)氧樹脂絕緣材料制作了Г形絕緣連接拉桿。其中，橫向拉桿一端通過(guò)螺栓固定在動(dòng)導(dǎo)電桿的末端；縱向拉桿一端與位移傳感器的移動(dòng)拉繩相連。該安裝方式保證了位移傳感器移動(dòng)拉繩與動(dòng)觸頭的聯(lián)動(dòng)。對(duì)該安裝方式進(jìn)行了工頻耐壓試驗(yàn)，在斷路器導(dǎo)電體與地之間分別加工頻電壓25，50，70 kV，持續(xù)時(shí)間均為2 min，未發(fā)生導(dǎo)電體沿Г形絕緣連接拉桿對(duì)地的放電現(xiàn)象，說(shuō)明該安裝方式具有可靠的絕緣性能。

該裝置采用的振動(dòng)傳感器是反應(yīng)斷路器在分（合）閘操作過(guò)程中開關(guān)振動(dòng)情況的關(guān)鍵元件，是確定斷路器分（合）閘時(shí)間的重要依據(jù)。振動(dòng)傳感器的安裝位置必須滿足2個(gè)要求：

（1）充分反映斷路器縱向上動(dòng)、靜觸頭在分離或碰撞時(shí)刻的振動(dòng)情況。

（2）與斷路器帶電部分要可靠絕緣。

所以，符合上述要求的安裝位置在斷路器車架底座上，靠近電流互感器瓷外殼旁。

可見，監(jiān)測(cè)裝置及各種傳感器安裝在真空斷路器本體上，不僅可保證各種電氣狀態(tài)量（電流、電壓）以及機(jī)械狀態(tài)量（位移、振動(dòng)）的精確變換采集，而且保證與斷路器的高壓帶電部分的可靠絕緣，不會(huì)對(duì)斷路器的正常操作及運(yùn)行造成影響。

1.3 監(jiān)測(cè)分析軟件

監(jiān)測(cè)分析軟件是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)該軟件可對(duì)被監(jiān)測(cè)的真空斷路器的健康狀況進(jìn)行判定。當(dāng)變電所某臺(tái)被監(jiān)測(cè)的真空斷路器進(jìn)行分（合）閘操作后，該斷路器的在線監(jiān)測(cè)裝置將分（合）閘時(shí)直流控制回路的電流、電壓采樣數(shù)據(jù)，合閘時(shí)儲(chǔ)能電機(jī)的電樞電流、電壓采樣數(shù)據(jù)，動(dòng)觸頭位移采樣數(shù)據(jù)以及斷路器振動(dòng)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)測(cè)分析軟件將根據(jù)該采樣數(shù)據(jù)生成采樣錄波數(shù)據(jù)文件和波形文件，繪制電流、電壓、位移、振動(dòng)的錄波曲線（圖3—圖5）。計(jì)算出該次分（合）閘操作的電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)，從而對(duì)斷路器控制回路的異常和故障進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)，對(duì)斷路器的機(jī)械性能是否滿足要求進(jìn)行分析；計(jì)算出儲(chǔ)能電機(jī)運(yùn)行過(guò)程的電氣特性參數(shù)，從而對(duì)儲(chǔ)能電機(jī)、儲(chǔ)能彈簧的故障進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)。

圖3 合閘錄波曲線圖

圖4 分閘錄波曲線圖

1.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

在線監(jiān)測(cè)裝置與后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間組建的通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線通信形式。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性，抗干擾能力強(qiáng)。考慮到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所運(yùn)行的牽引變電所裝有動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置（SVC）,所內(nèi)電磁干擾較強(qiáng)，所以在該系統(tǒng)中，CAN總線的通信介質(zhì)采用光纖，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)的抗干擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖5 儲(chǔ)能電機(jī)錄波曲線圖

2 在線監(jiān)測(cè)分析原理

監(jiān)控計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)分析軟件將依據(jù)各監(jiān)測(cè)裝置上傳來(lái)的采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算出斷路器分（合）閘操作的電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)，并根據(jù)該參數(shù)的變化判斷斷路器可能出現(xiàn)的異常和故障。

2.1 分（合）閘電氣特性參數(shù)

斷路器每次分（合）閘操作時(shí)所表現(xiàn)出的電氣特性參數(shù)如下：

（1）電流特征值I1及對(duì)應(yīng)時(shí)間T1，對(duì)應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的第1個(gè)峰值點(diǎn)。

（2）電流特征值I2及對(duì)應(yīng)時(shí)間T2，對(duì)應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的第1個(gè)谷值點(diǎn)。

（3）電流特征值I3及對(duì)應(yīng)時(shí)間T3，對(duì)應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的第2個(gè)峰值點(diǎn)。

（4）電流特征值I4及對(duì)應(yīng)時(shí)間T4，對(duì)應(yīng)圖3、圖4中電流曲線的最早零值點(diǎn)。

（5）電流上升率k，k = I1/ T1。

（6）電流峰谷差I(lǐng)12，I12= I1- I2。

（7）電壓特征值 U，對(duì)應(yīng)圖3、圖 4中的電壓曲線。

2.2 分（合）閘機(jī)械特性參數(shù)

斷路器每次分（合）閘操作時(shí)所表現(xiàn)出的機(jī)械特性參數(shù)如下：

（1）分（合）閘時(shí)間tf（th）。綜合圖3、圖4中位移曲線和振動(dòng)曲線，通過(guò)位移曲線所反應(yīng)的位移變化，確定振動(dòng)信號(hào)處理的區(qū)段，在該區(qū)段中對(duì)振動(dòng)信號(hào)采用短時(shí)能量法[3]進(jìn)行處理，從振動(dòng)信號(hào)中準(zhǔn)確地提取斷路器的分（合）閘時(shí)間。

（2）動(dòng)觸頭行程S，對(duì)應(yīng)圖3、圖4中位移曲線的首末之差。

（3）分（合）閘速度 V，由動(dòng)觸頭行程與分（合）閘時(shí)間計(jì)算得出。

（4）合閘動(dòng)觸頭彈跳次數(shù)n及彈跳時(shí)間Th，由圖3中位移曲線的波動(dòng)情況確定。

（5）分閘動(dòng)觸頭反彈幅度Hf，對(duì)應(yīng)圖4中位移曲線的第1個(gè)反彈點(diǎn)。

2.3 儲(chǔ)能電機(jī)電氣特性參數(shù)

（1）電流特征值I1及對(duì)應(yīng)時(shí)間T1，對(duì)應(yīng)圖5中電流曲線的第1個(gè)峰值點(diǎn)。

（2）電流特征值I2及對(duì)應(yīng)時(shí)間T2，對(duì)應(yīng)圖5中電流曲線的第1個(gè)谷值點(diǎn)。

（3）電流特征值I3及對(duì)應(yīng)時(shí)間T3，對(duì)應(yīng)圖5中電流曲線的第2個(gè)峰值點(diǎn)。

（4）電流特征值I4及對(duì)應(yīng)時(shí)間T4，對(duì)應(yīng)圖5中電流曲線的最早零值點(diǎn)。

（5）電壓特征值U，對(duì)應(yīng)圖5中的電壓曲線。

（6）儲(chǔ)能電機(jī)帶載運(yùn)行做功W，依據(jù)圖5中電流i和電壓u，計(jì)算W = ∑uit。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，特對(duì)被監(jiān)測(cè)的ZN42-27.5型真空斷路器的直流控制回路及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置一些異常和故障，以檢驗(yàn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該異常和故障的反應(yīng)能力，特別是通過(guò)試驗(yàn)找出不同的故障與斷路器各種電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。以下是其中的一些試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論：

（1）斷路器直流控制回路異常試驗(yàn)（控制回路卡滯）。在斷路器合閘線圈上增加彈簧，以增大線圈吸合的阻力，模擬卡滯問(wèn)題。進(jìn)行斷路器合閘操作，從監(jiān)測(cè)分析軟件提取斷路器合閘過(guò)程的電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)，比較測(cè)取參數(shù)與正常合閘參數(shù)發(fā)生變化的情況，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

通過(guò)對(duì)卡滯試驗(yàn)結(jié)果與正常試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可得：合閘控制回路發(fā)生卡滯后，I1增大，T1增大，I2增大，T2增大，k減小，I12減小，th增大，V減小。所以，以上特性參數(shù)的變化可作為斷路器直流控制回路發(fā)生卡滯故障的判斷依據(jù)。

表1 直流控制回路異常試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比表

（2）斷路器機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)異常試驗(yàn)（分閘摯子調(diào)低）。將斷路器的分閘摯子調(diào)低。進(jìn)行斷路器分閘操作，從監(jiān)測(cè)分析軟件提取斷路器分閘過(guò)程的電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)，比較測(cè)取參數(shù)與正常分閘參數(shù)發(fā)生變化的情況，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)異常試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)分閘摯子調(diào)低試驗(yàn)結(jié)果與正常試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可得：分閘摯子調(diào)低后，tf減小，V增大，其他特性參數(shù)變化不大。所以，單純的分閘時(shí)間tf減小，V增大，可作為斷路器分閘摯子位置不合適，需要進(jìn)行調(diào)整的判斷依據(jù)。

（3）儲(chǔ)能彈簧變軟試驗(yàn)。將斷路器正常的儲(chǔ)能彈簧更換為拆舊回來(lái)的老化彈性不足的彈簧 A和B，分別進(jìn)行斷路器合閘操作后，儲(chǔ)能電機(jī)運(yùn)行，從監(jiān)測(cè)分析軟件提取儲(chǔ)能電機(jī)的電氣特性參數(shù)，比較換彈簧前的參數(shù)與換彈簧后的參數(shù)發(fā)生變化的情況，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 儲(chǔ)能彈簧變軟試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)換彈簧前的試驗(yàn)結(jié)果與換彈簧后的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可得：I2減小，I3減小，W減小。儲(chǔ)能電機(jī)在每次運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)電樞電流特征值I2和I3的變化趨勢(shì)，以及電機(jī)做功的變化趨勢(shì)，特別是重點(diǎn)關(guān)注其下降減小的趨勢(shì)，對(duì)于判斷斷路器的合閘儲(chǔ)能彈簧是否老化很有幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)ZN42-27.5型真空斷路器所研究開發(fā)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正意義的牽引供電系統(tǒng)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與管理，斷路器不論是在試驗(yàn)位置還是在運(yùn)行位置的每次分（合）閘操作后，其過(guò)程的各種電流、電壓、位移、振動(dòng)等狀態(tài)量均以文件的形式被實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、管理，依據(jù)這些狀態(tài)量計(jì)算出的電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)對(duì)當(dāng)前斷路器的健康狀況給與量化說(shuō)明，使運(yùn)行人員能準(zhǔn)確地了解斷路器的運(yùn)行狀況。檢修人員可根據(jù)電氣特性參數(shù)和機(jī)械特性參數(shù)以及這些參數(shù)的變化趨勢(shì)判斷斷路器的異常和故障，有針對(duì)性的合理的安排檢修，避免了大量的盲目檢修，這對(duì)保證牽引供電系統(tǒng)高壓設(shè)備的可靠運(yùn)行具有重要的意義。

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[2]鄢備. 鐵路牽引變電所在線檢測(cè)系統(tǒng)方案的探討[J]. 電氣化鐵道，2009，（5）：15-17.

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