10kV真空断路器机械特性及故障诊断方法

10kV真空断路器机械特性及故障诊断方法

张福康

江苏大全高压开关有限公司 江苏南京210000

摘要：10kV真空断路器在电力系统里占据着关键的位置，它的表现会对整个电力系统的安全与平稳产生直观的影响。因此，对真空断路器的机械特性进行深入研究，以及提出有效的故障诊断方法，具有重要的实际意义。真空断路器的机械特性主要包括开断性能、接触电阻、合闸时间等。其中，开断性能是评价真空断路器性能的重要指标，它直接影响到断路器的开断能力和寿命。接触电阻则反映了断路器触头的接触状态，对其性能有着重要影响。合闸时间则是衡量断路器操作速度的重要参数。

关键词：10kV 高压真空断路器；软硬件设计；在线监测；信号处理；故障诊断

引言

由于电力使用的日益丰富，高压断路器的运行周期有了显著的提升，这极大地提升了其机械部件的磨耗速率。所以，探讨断路器的机械属性以及故障检测技术是非常重要的。唯有当我们尽快识别出断路器的问题，并制定出相应的维护方案，我们才能确保高压断路器在整个寿命里都能最大化地利用它的功效。

1、10 kV 真空断路器机械特性及故障诊断方法设计

1.1 10 kV 真空断路器机械特征参数获取

要准确诊断真空断路器是否发生故障，首要步骤就是获取其运行状态的机械特性参数。这五个机械特性参数涵盖了但不仅限于触头的开启距离、触头的接触距离、合闸的弹跳时长、分合闸的速率，以及分合闸的不同周期性。比方说，真空断路器的一个主要特征就是其触点间隔，通过恰当的设计，10kV真空断路器的电力表现会得到优化。另一方面，真空断路器的主要技术指标包括其最大短时（4s）承载电流、最大短路闭锁电流（峰值）、最大短路电流的切换频率等。因此，对这些机械特性参数进行精确测量和分析，能够帮助我们深入理解真空断路器的工作机制，优化其性能，保证电网的安全稳定运行。

大部分的故障诊断方法主要依赖真空断路器显示的数据进行相关分析。然而，这些数据可能无法全面反映真空断路器的实际运行状态。例如，一些潜在的机械磨损或电气问题可能在数据上并未明显显示出来，因此可能导致诊断结果不够准确或灵敏。为了提高故障诊断的准确性和灵敏度，可能需要采用更先进的监测技术和设备，比如使用振动传感器来检测断路器的物理状况，或者利用机器学习等高级算法对大量的运行数据进行深度挖掘和分析。同时，也需要定期对断路器进行维护检查，以发现并解决可能存在的问题。

1.2 10 kV 真空断路器故障诊断

真空断路器的故障诊断主要依据实际运行参数与特征参数之间的关系。比方说，在真空泡中的真空程度下降，有可能引起触点的接触性差，从而产生过热的状态。另一方面，切换操作的回路中断、切换线圈的中断、切换电源的电压下滑、切换线圈的电阻上升，都有可能使切换的力量减弱，甚至是切换顶杆的严重扭曲等状态都有可能引起问题的出现。因此，对于这些潜在故障，诊断方法不仅需要关注显示数据，还需要考虑和分析其他可能的因素。比如定期对断路器进行维护检查，清除内部的污染物以保证触点的良好接触；在遇到分闸失灵等问题时，需要检查分闸回路和分闸线圈是否断线，以及分闸顶杆是否变形。此外，由于真空断路器并未配备用于定性或定量检测其真空度特征的设备，因此，对其运行情况的监控和故障识别显得至关重要。

10kV真空断路器的振动状态参数与输入的电流和电压参数有关。实际的故障诊断函数可以表示为F(t)=f(S)-ft(S)。F(t) 为 10 kV 真空断路器的故障诊断函数；ft(S)为 t 时刻的 10 kV 真空断路器机械特征参数。一般来说，当电流和电压增大时，振动可能会加剧，这是因为电流和电压的增加可能导致电动力增大，从而引发断路器的振动。此外，额定电压、额定短路开断电流、额定峰值耐受电流等也是真空断路器的重要技术参数。这些参数反映了真空断路器承受电动力的能力，对判断其工作状态及寿命具有参考价值。在实际运行中，通过监测和分析这些参数的变化，可以帮助我们及时发现真空断路器可能存在的故障，如触头接触不良、发热等问题。同时，由于真空断路器是户内配电装置中重要的电器设备保护和控制元件，因此对其运行状况的监控和维护尤为重要。

2、测试与分析

2.1测试环境

对比测试环境的设置需要确保所有条件一致，包括真空断路器的型号、额定电流、运行状态等。同时，也需要保证线圈电流信号诊断方法和动态时间规整诊断方法在实施过程中的所有参数设定相同。首先，可以通过人为制造一些故障，如改变输入电流或电压，模拟触头接触不良等情况，然后使用两种不同的诊断方法进行故障检测。通过对比两种方法的检测结果，可以评价其对不同类型故障的识别能力。其次，还可以通过长时间的连续监测，观察两种方法在不同运行状态下的稳定性和准确性。例如，可以比较两种方法在正常状态下的误报率和漏报率，以及在各种故障状态下的识别准确率。最后，根据对比测试的结果，可以对两种方法的应用效果进行评价。如果一种方法在所有测试条件下都表现出较高的准确率和稳定性，那么这种方法就可能更适合在实际环境中使用。反之，如果一种方法在某些特定条件下的性能较差，那么就需要进一步优化或者寻找其他的解决方案。

其中，断路器故障状态随时间变化的现象确实存在，并且有多种可能的原因。例如，触头会随着开合次数的增加而磨损，特别是在频繁进行短路故障分断的情况下，操作机构可能会较快地磨损。此外，过载保护设备，如双金属片的热元件装置，容易受环境条件影响，特别是高温高湿或盐雾环境，可能导致保护特性发生变化。长期通电使用可能对此有所帮助，但如果断路器停用较长时间，双金属片可能会腐蚀，导致保护特性曲线偏移。在实际操作中，可以设置不同的故障异常程度来描述这种变化。例如，可以设置“轻微故障”、“一般故障”和“严重故障”等级别，以展示断路器的当前状况。此外，我们能够观察到断路器的运行状况，并从中获取其动触头行程与时间的相互影响。根据这些信息，可以更准确地评估断路器的性能和预测其寿命。

2.2测试结果与分析

不同方法不同故障异常程度的测试结果对比，分为三种诊断方法：线圈电流信号诊断方法、动态时间规整诊断方法以及通过实际运行参数与特征参数之间的关系进行诊断。线圈电流信号诊断方法和动态时间规整（DTW）诊断方法在许多情况下能有效地诊断断路器的故障，但对于某些特定的故障类型，例如气动机构异常，这两种方法可能无法准确识别。动态时间规整算法，一种以时间规整与间距计算为基础的柔性模式匹配方法，其主要作用在于获取在断路器处于正常状态与发生故障时，控制线圈的电流信号的t-t图。根据这些异常信号与正常信号的时间差异，可以判定断路器的问题。

当断路器运行状态异常程度为30%时，三种方法均实现了对故障状态的有效诊断，说明这三种方法在识别和处理这种程度的故障方面都具有一定的效果。然而，需要注意的是，不同的故障类型可能需要不同的诊断方法。例如，对于一些较为严重的故障，可能需要使用更为复杂和精确的方法进行诊断。此外，随着断路器运行时间的增加，其性能可能会发生变化，因此需要定期对断路器进行检查和维护，以确保其正常运行。

当断路器运行状态异常程度为20%时，通过实际运行参数与特征参数之间的关系进行诊断的应用效果最好。这种方法通常需要对断路器的运行数据进行深入分析，以确定其正常运行和异常运行之间的差异。比如，我们能够通过观察断路器的电流、电压、温度等操作指标来进行监控，并与这些参数在正常状态下的特征值进行比较，来评估断路器的运行状态。如果发现某个参数超出了其正常范围，那么就可以判断断路器可能存在故障。

结束语

为了提高诊断的准确性和灵敏性，可以使用先进的传感器和数据采集设备进行实时监测，并将数据输入到故障诊断系统中进行分析。同时，也需要定期对断路器进行维护检查，以发现并解决可能存在的问题。本文对10kV真空断路器的机械特性进行了深入研究，并提出了有效的故障诊断方法。这些研究成果在提升真空断路器的效率和确保电力系统的安全和稳定运作方面起着关键的作用。

参考文献

[1]杨泽.10kV真空断路器机械特性的在线监测与故障诊断研究[D].湖北民族大学,2023.DOI:10.27764/d.cnki.ghbmz.2023.000174.

[2]赵成柏.10 kV真空断路器故障判断及处理措施探讨[J].通信电源技术,2019,36(06):247-248.DOI:10.19399/j.cnki.tpt.2019.06.114.