地铁牵引变电所断路器实时在线监测系统研究

地铁牵引变电所断路器实时在线监测系统研究

佟涛

北京市地铁运营有限公司供电分公司100000

摘要：断路器是地铁牵引供电系统中重要的组成部分，其运行可靠性直接关系到地铁列车稳定运行。断路器的绝大部分事故源于机械方面的原因，目前，地铁运营单位每年都要投入大量的人力物力对断路器进行定期检修，这种计划性的预防检修盲目性大,费用高,而且解体拆装容易对断路器造成伤害,降低了利用率和可靠性。高压断路器合分闸时的各机械参量包含了断路器操动机构机械部分的状态信息,实时准确的监测断路器每次动作时的各机械参量数据,为故障诊断以及状态检修提供了大量的数据依据。本文是针对断路器的常见故障类型，提出了一种对高压断路器进行在线监测和诊断的方法。

关键词：断路器，在线监测,诊断

一、断路器的运行状况

断路器是地铁供电系统中最重要的控制和保护设备，它的作用一是：根据供电系统运行的需要，将部分或全部电气设备，以及部分或全部线路投入或退出运行；二是：当供电系统某一部分发生故障时，通过断路器的保护装置将该故障部分从系统中迅速切除，减少停电范围，防止事故扩大，保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统无故障部分安全运行。目前地铁供电系统中运行的断路器的电气性能相对稳定，由于断路器是非常复杂的电气设备，而且地铁变电所内的运行环境非常恶劣，断路器的劣化涉及到热、电、机械、环境等多方面的因素，在运行过程中仍有故障发生，通过多年的断路器运行维护经验及故障汇总分析，断路器的主要故障有机械动作故障、分支铜排与柜体绝缘失效、主回路温升故障及二次控制回路故障。现阶段对断路器的检修形式为定期检修和故障检修，为提高断路器运行的可靠性，应通过科技手段使断路器达到状态检修，从而提高工作效率及可靠性。为此，对地铁牵引变电所断路器实时在线监测系统进行研究。

二、监测系统介绍

断路器实时在线监测系统采用分层分布式系统结构。系统包括分布式监测装置、通信系统、主站系统、远程监控四部分。

图1-1断路器在线监测系统结构图

1、分布监测装置

分布式监测装置又称下位机，由单片微机系统组成，安装在各监测断路器柜体内，采用先进的传感器技术、无线测温技术实现对断路器的关键点温升、二次元件状态、机械特性的数据采集，并通过通讯系统总线，按照特定的通信规约将数据上传给主站系统。

断路器关键点温升监测主要包括触头温度、母排搭接面温度、出线电缆头搭接温度，所监测温度通过安全可靠的无线射频技术传至监测装置。触头温度监测是采用一体化智能触臂，全部元件嵌入触臂，对断路器触臂整体更换；母排及电缆头温度监测是通过开口式测温模块进行监测。

二次元件状态监测的主要有分合闸线圈电压电流、储能电机电压电流、储能时间、辅助点状态、振动波形等，采用完全非介入式的霍尔传感器进行测量，通过线缆传至智能监控单元，与既有设备完全独立，即便是故障的情况下也不会对断路器的运行操作带来任何影响。

同时，对一次电流、电压以及断路器动作时的振动波形进行监测。

2、通信系统

通信系统基于485总线和以太网，主要用于下位机与主站系统的通讯联络。传输控制指令及现场监测数据。

3、主站系统

主站系统是系统的核心，主要完成监测数据的存储、处理、显示和统计等。系统由通信处理程序、数据处理程序、用户界面程序组成。通信处理程序将下位机监测的数据通过通信协议采集后存储到数据库中，并和下位机进行参数设置、实时状态等交互。数据处理程序对采集的数据进行滤波、各种参数计算、以及故障诊断，同时将滤波后数据及各参数存储至数据库。用户界面程序负责进行各种波形及参数的显示、诊断结果的显示、报警、以及用户对下位机定值的修改。

4、远程监控

通过网络将监测数据上传至远方，实现各级管理均有权限对断路器的实时状态进行监控，以便分析，为操作、检修提供准确可靠的现场依据。

三、数据分析与诊断

1、关键点温升

根据关键点温升可提前判断是否存在接触不良、绝缘破损等现象的发生。

2、分合闸线圈电压电流

分合闸线圈电压通过均方根算法获得其有效值(RMS)。可用于监视分合闸控制电源工作状况。合分闸控制电源电压过小可能造成合分闸操作执行失败，交流合分闸控制电源电压过大可能造成控制回路过流。

分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征，电流波形中蕴含丰富的信息。图3-1所示的是一个典型的断路器开断短路电流的跳闸回路电流，T0至T1阶段，线圈从T0时刻开始通电，电流增加，到T1时刻铁心开始运动。在这一阶段的特点是电流上升，铁心没有运动；此阶段与控制电源及线圈电阻有关；T1至T2阶段，铁心运动，电流稍微降低，T2时刻铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻，此阶段表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况；T2至T3阶段，铁心由运动变为停止，电流近似稳定，最后电流开断，T3可视作开关辅助接点断开线圈电路时刻，此阶段可以反映操作传动系统运动的情况。通过以上几个不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械故障趋势，包括拒分、拒合等故障。

图3-1操作线圈电流波形

3、储能电机电流、时间

监测10kV断路器的储能电机工作时电流波形，并获得其有效值即持续时间。可用于监视储能电机电源回路工作状况如电流过大或储能时间过长等。通过对断路器储能电机电流和工作时间的监测，获得储能电机的工作信息，在数据统计及综合分析的基础上来评估储能系统的工作状态，并结合历史运行的数据，推断故障类型如：弹簧机构异常。

4、振动波形

断路器在操作时，对应机构中的每一部件的动作在振动信号时间图上都会有一个振动脉冲，对于不同的操作，各部件的振动脉冲出现的顺序是不变的，振动波形具有良好的重复性，因此用振动信号分析断路器的动作特性是有效的，振动分析法对于断路器机构的变形、润滑故障诊断灵敏度高，也是机构和灭弧室磨损、部件故障、装配失误等的特征表象。

5、开入量

同时可以检测断路器动作的相关节点状态，并将这些节点状态和以上各类传感器的输出信号相结合，用来分析各种机械性能。

通过对以上状态信息采集，经过数据处理后与给定值进行比较，当越限达一定范围后由主站系统给出相应报警信息，并传输至远程监控。

四、结论

地铁牵引变电所断路器实时在线监测系统将从关键点温度、二次元件状态及机械性能等方面全面实现在线监测及数据分析、处理，并迅速将数据至各级管理人员，为操作、检修提供准确可靠的现场依据。这将对断路器的运行维护提供极大方便，将原来定期检修变为有针对性的状态检修，可大大节约现场的检修工作量，提高检修的准确性，缩短检修时间，减少停电次数，降低停电检修给安全运营带来的风险，将产生较大的直接经济效益。系统的在线监测预警功能，能够尽可能提前发现可能存在的隐患，从而及早解决这些问题，避免在紧急情况下出现断路器故障，影响地铁供电的可靠性,断路器是所有地铁变电所中都大量使用的重要设备，所以断路器实时在线监测系统在地铁供电系统，乃至铁路供电系统中都有广阔的推广前景。

参考文献

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[2]常广，王毅.高压断路器机械状态在线监测装置的研究[J].高压电器，2003

[3]郭贤珊，李仲夫，陈轩恕.断路器操动机构在线监测参数的选择[J]，高压电器，2002