（高电压与绝缘技术专业论文）高压断路器开合过程在线监测的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 实时监测高压断路器的工作状态对提高供电可靠性有重要意义。本论文致力于 寻找一种有效的电气特性参数检测方法判断断路器的工作状态。根据断路器不同工 作状态时出线套管电场分布的差异性，提出了电容分压法监测断路器开合状态；进 行了单相试验和三相试验，验证了该方法判断断路器开合状态的有效性。根据开关 电弧电流表现为瞬时脉冲群的特点，提出了电流法监测开关开合过程。在开关接有 不同性质负载的情况下进行开合试验，试验结果表明，该法既可直观判断断路器开 合状态，又能进一步分析断路器的工作性能。基于小波变换的信号奇异性检测理论， 实现了开关电弧的准确定位，获取了断路器开断燃弧时间和关合预击穿时间。 关键词：断路器，电气参数，在线监测，电容分压法，电流法 a b s t r a c t r e a l t i m em o n i t o r i n go fh v c b ( h i 曲v o l t a g ee i r e u i tb r e a k e r ) h a sd e t e r m i n a t i v e i m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y t h et h e s i sa i m sa ts e a r c h i n ga n e f 托c t i v em e t h o dm o n i t o r i n gc o n d i t i o no fh v c bb ye l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i c am e t h o d w a sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h eb u s h i n gh a st h ed i f f e r e n te l e c t r i c a if i e l dd i s t r i b u t i o n si n d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n ， n a m e l yc a p a c i t a n c e p a n i a l 1 v 6 l t a g e 7 i e c h n i q u e t h e e f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o dw a sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t s a n o t h e rm e t h o dw a sp u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h es w i t c h i n ga r cc u r r e n tp a t t e m so ft h et i m ed o m a i nb u r s t ，n a m e l y m o n i t o r i n g7 r e c h n i q u e t h ee x p e r i m e n t a lc i r c u i tw a sd e s i g n e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h i sm e t h o dc o u l dv i s u a l l yj u d g ec o n d i t i o no fh v c ba n d ，f u r t h e re s t i m a t ew o r k c a p a b i l i t yo fh v c ba sw e n u s i n gt h es i g n a ls i n g u l a r i t yd e t e c t i o nt h e o r yb a s e do n w a v e l e tt r a n s f o r m ，t h ea c c u r a t el o c a l i z a t i o no ft h es w i t c h i n ga r cc a nb er e a l i z e d ，a r c i n g t i m ea n dp r e s t r i k i n gt i m ec a na l s ob eo b t a i n e d x ux u e q i n ( h i g h1 v b l t a g ea n di n s u l a t i o n i e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s p r o fz h a n gz h o n g y u a n k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r e l e c t r i c i 哆c h a r a c t e r i s t i c ，o n - l i n em o n i t o r i n g ， c a p a c i t a n c ep a r t i a lv b l t a g e i e c h n i q u e ，b u r s tc u r r e n t7 i e c h n i q u e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 实时监测高压断路器的工作状态对提高供电可靠性有重要意义。本论文致力于 寻找一种有效的电气特性参数检测方法判断断路器的工作状态。根据断路器不同工 作状态时出线套管电场分布的差异性，提出了电容分压法监测断路器开合状态；进 行了单相试验和三相试验，验证了该方法判断断路器开合状态的有效性。根据开关 电弧电流表现为瞬时脉冲群的特点，提出了电流法监测开关开合过程。在开关接有 不同性质负载的情况下进行开合试验，试验结果表明，该法既可直观判断断路器开 合状态，又能进一步分析断路器的工作性能。基于小波变换的信号奇异性检测理论， 实现了开关电弧的准确定位，获取了断路器开断燃弧时间和关合预击穿时间。 关键词：断路器，电气参数，在线监测，电容分压法，电流法 a b s t r a c t r e a l t i m em o n i t o r i n go fh v c b ( h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r ) h a sd e t e r m i n a t i v e i m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fp o 、e rs u p p l y t h et h e s i sa i m sa ts e a r c h i n ga n e f f e c t i v em e t h o dm o n i t o r i n gc o n d i t i o no fh v c bb ye l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i c am e t h o d w a sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h eb u s h i n gh a st h ed i f f e r e n te l e c t r i c a l6 e l dd i s t r i b u t i o n si n d i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n ， n a m e l yc a p a c i t a n c e p a n i a l v b l t a g e r e c h n i q u e t h e e f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o dw a sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t s a n o t h e rm e t h o dw a sp u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h es w i t c h i n ga r cc u r r e n tp a t t e m so ft h et i m ed o m a i nb u r s t ，n a m e l y m o n i t o r i n g7 r e c h n i q u e t h ee x p e r i m e n t a lc i r c u i tw a sd e s i g n e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h i sm e t h o dc o u l dv i s u a l l yj u d g ec o n d i t i o no fh v c ba n d ，f h r r t h e re s t i m a t ew o r k c a p a b i l i t yo fh v c ba sw e u u s i n gt h es i g n a ls i n g u l a r i t yd e t e c t i o nt h e o r yb a s e do n w a v e le tt r a n s f o m ，l h ea c c u r a t el o c a l i z a t i o no ft h es w i t c h i n ga r cc a nb er e a l i z e d ，a r c i n g t i m ea n dp r e s t r i k i n gt i m ec a na l s ob eo b t a i n e d x ux u e q i n ( h i g hv b l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s p r o z h a n gz h o n g y u a n k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r e l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i c ，o n - l i n em o n i t o r i n g ， c a p a c i t a n c ep a r t i a lv b l t a g e1 c h n i q u e ，b u r s tc u r r e n t7 r e c h n i q u e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压断路器开合过程在线监测的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：监垦勤日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：至咀! ! ：f g 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景与研究意义 第一章绪论 断路器是能开断、闭合和承载运行状态的正常电流，并能在规定时间内承载、 闭合和开断异常电流( 如短路电流) 的电器设备【l 】。i e c 标准的定义是：所设计的分、 合装置应能关合、导通和开断正常状态电流，并能在规定的短路等异常状态下，在 一定时间内进行关合、导通和开断。3 k v 及以上电力系统中使用的断路器称为高压 断路器i 2 j ，它是电力系统中最重要的控制和保护设备。高压断路器在电网中起着两 方面的作用：第一，控制作用。根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设 备或线路投入或退出运行。第二，保护作用。高压断路器还可以在电力线路或设备 发生故障时将故障部分从电网中快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。 电力系统统运行电压的提高和短路容量的不断扩大，以及目前电力部门大力 推行的变电站综合自动化【3 】，对高压断路器的运行可靠性提出了更高的要求。但电 力系统中的高压断路器种类多、数量大、操作频繁，而且由于制造安装质量、运行 维护水平、外界环境、设备老化等许多因素的影响，高压断路器的故障时有发生， 造成相当的经济损失及其他方面的损失。这种损失往往比单纯某个断路器的损坏带 来的损失大的多【训，直接影响着电力系统的可靠运行和经济运行。提高高压断路器 的可靠性，一种办法是提高设备的质量，力求在工作寿命内不发生故障，但这样会 导致制造成本增加。另一种就是在设备发生故障以前，对设备进行必要的检查和维 修，采取措施避免故障发生。 早期对高压断路器等电力设备发生故障后进行维修称为事故检修【5 j ( b m ， b r e a km a i n t e n a n c e ) ，亦称故障检修( c m ，c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) 。但是为了避免突 发性事故所造成巨大损失，就发展成为了定期试验和维修，即预防性维修。我国的 电力设备监测诊断维修技术，从上个世纪5 0 年代以来，基本做法是临时性维修和定 期维修，且以定期维修为主、这种检修方式是以时间为基础的周期性检修( t i m e b a s e dm a i n t e n a n c e ) ，即“到期必修，修必修好”，它严格执行事先明确规定的检修 项目。这种传统的检修模式，实际上就是不管被检修设备的实际工况，一律“到期 必修”。当然这在一定程度上起到了消除设备隐患，保证设备安全运行的作用，但 也易造成过度维修和产生新的隐患。由此可见定期维修是“粗放 型经营方式的表 现，应逐步向状态维修过渡，才能向“集约型经营方式转变。在2 0 世纪7 0 年代美 国杜邦公司首先提出了状态检修( c b m ，c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 。在1 9 9 2 年 我国国务院经贸办也指出， “要破除单纯以时间为基础的设备维修制度，建立以状 态监测为基础的设备维修制度，即要推行状态检修的管理制度。状态检修是基于 华北电力大学硕士学位论文 设备的实际运行工况，根据其在运行状态下的各种技术参数和特性现状，通过分析 比较而确定设备是否需要检修，检修哪些部件和内容，“当修必修：不做无为检修”， 所以具有极强的实时性和针对性，比传统的周期性检修更为合理和更加科学。 目前高压断路器的检修主要是以周期性检修为主，离线对断路器的各个项目进 行试验、检测和调试。但是由于断路器的型号多、数量大，往往要花费大量的检修 费用，而其中一半以上的费用又是用于断路器的小修和例行检修。另据统计，1 0 以上的故障是由于不正确的检修所致。断路器的大修完全解体，既费时费力，费用 也高，而且解体和重新装配也会带来很多故障。因此能够及时全面的了解断路器的 状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，做到“当修必修”，对提高电力系统 的可靠性和经济性意义重大。 状态检修的基础是状态监测【6 】( c m ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ) 。高压断路器器的 在线状态监测就是对高压断路器的某些重要参数进行长期连续的在线监测，而且对 这些重要参数的变化趋势进行比较分析，提供设备现有的运行状态，判断有无故障 的先兆，为状态检修提供依据。目前己有可能通过诸如传感技术、光纤技术、计算 机技术、红外技术及通信技术等多种技术手段，对“电 、“热”、“声”、“化”、 “光”等参数进行检测，获得设备的状态信息。国内外相关科研单位也己开发出了 一系列的高压断路器状态监测装置( 系统) ，并投入生产实践。但是从这些装置( 系 统) 的工作可靠性和正确性来看，还有待实践的证实和不断总结提高。信息的采集、 测量的精确度、数据传输的准确性和装置工作的可靠性等各个环节都存在一些尚须 进一步研究解决的问题。总的来说高压断路器的在线监测技术与监测装置或系统的 研发仍处于探索阶段。 目前对高压断路器的重要参数一一燃弧时间的在线监测，存在可靠性不高、操 作复杂和易受干扰缺点，这都不利于电力系统高压断路器状态检修的普及和发展。 本文根据高压断路器开断及关合时开关电弧对线路电流的影响，提出了利用在线检 测断路器开断燃弧时间的新方法，为状态检修提供依据。运用此方法只需对断路器 开合时的电流进行数字录波，运用现代数字信号处理技术，即可实现对燃弧时间的 在线检测，具有较高的可靠性和准确性。 1 2 当前国内外的研究现状 1 2 1 高压断路器的状态监测 高压断路器的全部使命，归根结底是体现在触头的分合动作上。断路器的全部 性能参数归根结底也是为了保证高压断路器可靠的分合。因此高压断路器的状态监 测必须是以开断性能为中心，所监测的状态量能够直接或间接的反映高压断路器的 2 华北电力大学硕士学位论文 开断性能，以保证能够反映高压断路器的实时状态，为状态检修提供依据。 i e e e 开关设备技术委员会对使用中的高压断路器的故障进行了两次国际性调 查【。”，1 9 7 4 年的调查结果表明高压断路器运行中的绝大多数故障( 7 0 ) 是机械方面 的原因；1 9 是辅助电路和控制电路上的电故障；而绝缘问题引起的故障占所有故 障的8 3 。1 9 8 6 年调查的结果显示机械方面的原因占主要，其次是电气控制和辅助 回路故障。从高压断路器的动作过程看来，操动机构的工作性能和质量的优劣，直 接影响着高压断路器的开断性能和可靠性【弘1 0 l 。它不但要保证断路器长期的动作可 靠性，而且要满足灭弧特性对操动机构的要求。因此对能够直接或间接反映或影响 操动机构性能及开断性能的状态量进行在线状态监测是对高压断路器进行状态监 测核心问题。 1 2 2 高压断路器监测技术综述 世界各国对状态监测都比较重视，i e e e 的开关委员会对高压断路器的监测选型 已有指导标准。高压断路器在线状态监测的研究工作在国内外也都非常热门，研究 范围涉及到各种类型高压断路器故障的机理、故障类型的分布、故障特征的提取、 故障分析诊断的方法以及在线状态监测装置的研制。研究对象包括油断路器、s f 6 断路器、真空断路器、g i s 封闭式组合电器。研究方向主要有以下几个方面l l 卜邛】： 机械性能的监测、触头行程和速度监测、电寿命监测、s f 6 气体监测、绝缘监测、温 度监测、真空断路器的真空度的监测、二次电气部分以及监测装置或系统的研制技 术等等。 文献 11 】一 1 4 】介绍了利用断路器开断时机械振动信号对机械性能进行在线监 测方法。断路器在合( 分) 闸过程中，由于操动机构、连动机构、动触头等的运动、 撞击，在断路器外壳上产生一系列的冲击振动响应信号，这些振动信号的波形反映 了断路器在合( 分) 闸过程中的内部机构的运动过程。根据这一点，选用操作过程中 的外部振动信号作为检测断路器内部状态的特征信号，运用信号处理技术，可以从 振动信号波形中检测断路器机构运动的状态和有关的时间参数等。断路器的机械特 性参数比较容易实现，对高压断路器操作时机械振动信号的研究成果也很多，但是 由于振动信号重复性差，由孤立的振动信号很难判断断路器的机械性能。 文献 1 5 】介绍了利用传感器测量分合闸触头行程及分合速度的技术。把直线式 光电编码器安装在操动机构的直线运动的连杆上，或把增量式旋转光电编码器安装 在断路器操动机构的转动轴上，来测量操作动触头的运动信号。通过获得的动触头 的行程波形，可以计算得到触头的运动时间、动触头的行程、动触头运动的平均速 度和最大速度与速度曲线等。 文献 1 6 卜一【1 9 】介绍了断路器触头电寿命的监测技术及改进方法。断路器的电寿 华北电力大学硕士学位论文 命主要就是触头的电寿命，目前通用的方法是通过开断电流加权累计值别y i 2 t ，估 计断路器触头烧损、喷口腐蚀和绝缘劣化程度，但由于没有考虑各相的差别和实际 燃弧时间，会有较大的误差。 文献【2 0 一【2 3 】介绍了利用超声传播特性、进行耐压试验以及射频等技术对s f 6 断路器及g i s 封闭式组合电器的监测技术。这些技术主要是针对高电压等级中使用 的断路器的绝缘、局部放电以及s f 6 气体的泄漏等故障进行的监测。 文献 2 4 一 2 6 】介绍了真空断路器常见故障以及真空泡真空度的监测诊断技术。 真空断路器与其他断路器相比较，具有安全可靠、寿命长、开断次数多及维修工作 量小等优点，目前对真空断路器的监测主要集中在灭弧室真空度以及触头的电磨损 等方面。 文献 2 7 】一 2 8 】介绍了利用传感器或红外测温仪等测量仪器对断路器导电接触 部位的发热情况进行监测的技术。测量导电接触部位的温度主要是防止由于温度过 高而引起的零部件电气或机械性能下降，最后导致断路器工作故障。 文献 2 9 】一 3 1 介绍了断路器二次电气部分的监测技术。主要是通过分析分合匝 线圈电流波形和二次回路电压，来监测断路器的二次电气部分是否工作正常。 文献 3 2 】一 3 8 分别介绍了几种断路器在线监测系统的研制技术及监测仪器的 应用。在高压断路器在线状态监测装置( 系统) 方面，较多的情况是针对高压断路器 的机械特性、机械振动、触头电寿命、绝缘性能的某一个或几个方面进行监测，这 种监测装置的工作可靠性和正确性，还有待于实践的证实和不断的总结提高。 目前，对电力设备包括高压断路器实施状态监测的装置( 系统) ，大致可以分为： 集中式在线监测系统和便携式在线监测系统。电力设备包括高压断路器要进行在线 监测状态检修，就必须有相应的投入。但是考虑到可靠性( 监测装置到底能有多大 程度的可信度) 、可行性( 是否己有可靠适用的监测诊断设备和手段，设备有多大程 度的可诊断性) 和经济性( 及时发现设备故障安排检修所避免的损失是否大于对设 备购置监测诊断装置的投入，对老旧设备进行监测装置的投入是否值得，对低值易 耗品的一些设备是否值得对它的状态进行监测投资等) ，并不是所有的用户都愿意 采用状态监测装置( 系统) ，这就大大限制了状态检修的普及和发展。总体来说我 国目前电力设备包括高压断路器的在线监测的技术和产品的研发及应用都处在探 索发展阶段。 1 3 高压断路器燃弧时间检测技术 高压断路器的开断时间包括分闸时问和燃弧时间。它们随操动机构的工作状态 和开断性能的不同而不同，集中体现了操动机构的工作状态和断路器的整体开断性 能。因此对分闸时间和燃弧时间进行在线状态检测，可帮助我们实现对操动机构的 4 华北电力大学硕七学位论文 在线状态监测，是实现对高压断路器的状态监测的关键。但是对分闸时问和燃弧时 间进行准确的测量并不容易。测量分闸时间和燃弧时间的关键点在于实现对开断电 流时首开相燃弧初始时间点的测量。只要实现了对首开相燃弧初始时间点的测量， 分闸时间和燃弧时间的确定则迎刃而解。因此国内外对开断时间测量的研究工作大 都咀测量断路器开断燃弧时间的形式出现的，其代表性的技术文献如下： 文献【1 】巾提到了关于合分闸时间及同期的测量电路原理，如图i - i 所示。在断 路器断口上下接线端子接上测量信号线当断路器舍上时，信号线上有电流流过， 经光电隔离器、电压比较器，输出高电平信号。当断路器分开时，信号线上无电流 通过，输出信号是一低电平。测量系统以一定时间周期同时读取所有断口的信号， 以操作线圈电流信号为起点，计算出各个相的各断口的分合闸时间和相间与相内的 同期差。这种技术只能用于临时性监测。 图l 一】离线测量原理图 文献1 6 1 阐述了利用空间磁场信号在线测定开断电流的然弧时刻。这种方法是 利用高压断路器在开断电流时，由于触头分离后的击穿过程，产生较强的高频电磁 辐射，利用近场天线来检测起弧信号的技术，如图卜2 所示。这种方法可以实现对首 开相的起弧时刻检测，但是对于后开两相则误差很大，这是由于三相开断时信号互 相干扰的结果。利用空间磁场信号对起弧时刻进行检测需要附加测量装置成本 高，操作复杂，而且测量过程易受电磁干扰，因此在实际应用中推一价值不高。 图卜2 断口电压与触发信号波彤 文献【3 9 阐述了对于分相操作的高压断路器燃弧时问的检测技术。这种方法在 同步采集到分闸线圈电流波形和开断电流波形条件下，综合分析确定触头始分点。 这种方法实际上是把断路器的辅助触点动作时刻作为触头始分时刻，如图1 3 所示 肇 华北电力大学硕士学位论文 但实际上辅助触点动作只是粗略反映了断路器开断完成的结果，因此存在很大的不 确定性，造成的误差甚大。 o t ot i t lt 2 t 3 t 4t 5 图卜3 离线测量原理图 以上所介绍的测量技术是目前国内外对断路器开断燃弧时间检测最有代表性 的。但是它们还不同程度的有很多缺陷，如测量误差过大、可靠性和实时性不高、 操作繁琐和易受干扰等缺点。因此需要寻找新的在线实时检测方法以满足高压断路 器状态监测的需求。 1 4 论文的主要工作 针对高压断路器在线监测技术的发展以及现有监测装置的工作可靠性和j 下确 性问题，本文将着重研究以下几个方面的内容： 1 提出电容分压法判断高压断路器开合状态 考虑高压断路器在开断状态与关合状态出线套管外部电场分布差异较大，通过 在出线套管接近下法兰的伞裙处安装截流环，测量出套管在不同工作状态时的局部 电压来判断高压断路器开合状态。基于这样的设想，进行单相试验和三相试验。 2 利用电流传感器监测高压断路器开合过程 ( 1 ) 从断路器开断的物理过程入手，总结开关电弧对暂态电气量影响变换规律。 ( 2 ) 研究r o g o w s k i 线圈测量原理，制作适合监测开关关合过程的r o g o w s k i 型电流传 感器。对传感器进行动态特性参数测试和静态特性参数测试，使其既有较宽的频带，又 有较高的灵敏度。 ( 3 ) 利用r o g o w s k i 型电流传感器监测开关在开合电阻、电容及电感负载情况下电 流变化过程，并对所得波形进行理论分析。 3 采用小波变换检测高压断路器开断燃弧时间和关合预击穿时间 介绍采用小波变换进行信号消噪和奇异点检测原理，研究提取高频电流信号的 方法，并对试验波形进行仿真，证明此法在信号消噪和奇异点检测上的有效性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电容分压法判断高压断路器开合状态 运行在电力系统中的高压断路器在开合有电流的电路过程中，伴随着丰富的物 理现象。这些现象从不同角度直接或间接地反映着断路器地的开断、关合性能和工 作状态。本章根据断路器开断及关合状态时出线套管电场分布的差异性，提出电容 分压法，通过检测出线套管局部电压来判断断路器开合状态。 2 1 试验方法简介 电力系统中应用的高压断路器型号多样、数量庞大，通常可分为油断路器( 其 中包括多油和少油) 、六氟化硫( s f 6 ) 断路器等。高压断路器的典型结构【lj 如图2 1 所 示。图中开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常电流和故障电流的执行 元件，它包括触头、导电部分及灭弧室等，这是断路器的本体。触头的分合动作是 靠操动机构来带动的，常用的操动机构根据能量形式的不同，可分为手动操动机构 ( c s ) 、电磁操动机构( c d ) 、弹簧操动机构( c t ) 、电动机操动机构( c j ) 、气动操动机 构( c q ) 和液压操动机构( c y ) 等。 开断元件放在绝缘支柱上，如图2 1 ( a ) ，使处于高电位的触头、导电部分及灭弧 室与地电位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基座上。这类结构称为外壳带电断路器， 也称为绝缘支柱式断路器。 ( a ) 带电壳体( b ) 接地箱壳 图2 1 高压断路器典型结构图 l 一开断元件；2 一绝缘支柱；3 一基座；4 一操动机构； 5 一绝缘套管；6 一接地外壳 另一类结构的断路器为外壳接地断路器( 又称落地罐式) 如图2 1 ( b ) 所示。开断 元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体( 压缩空气或六氟化硫) 或液体( 变 压器油) 来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳定，常在额定电压高的高压和 超高压断路器中使用。本文主要针对罐式断路器进行开合状态的在线监测。 7 华北电力大学硕士学位论文 高压断路器在不同的工作状态时，绝缘套管电场分布不同。根据这一特性，选 择绝缘套管接近下法兰的某一伞裙位置安装截流环，通过并联电容，检测这一位置 的电压值。从电压幅值大小判断出现套管是否带电，进而判断高压断路器的开合状 态，本文称这种方法为电容分压法。 2 2 单相试验 2 2 1 试验内容 首先，对绝缘套管进行单相试验。第一步，模拟绝缘套管带电情况，按图2 2 ( a ) 电路图接线，对l o o k v 出线套管施加工频电压，在靠近下法兰处的第一个伞裙处安 装截流环，并联0 1 “f 电容，示波器t d s 2 0 2 4 测量并联电容电压。第二步，模拟绝 缘套管不带电情况，按图2 2 ( b ) 电路图接线，移出1 0 0 k v 出线套管，回路中接入阀型 避雷器，示波器测量并联电容电压。电压值由o v 匀速升至1 5 k v ，当电压值为5 k v 、 1 0 k v 、1 5 k v 时，读取示波器测量值，结果如表2 1 所示。 ( a ) 带电情况 ( b ) 不带电情况 图2 2 单相出线套管试验电路 彳r 一调压器；丁一试验变压器；弼一出线套管；c d 一并联电容： 锨d 一示波器t d s2 0 2 4 ：脱一阀型避雷器 表2 1 出线套管不同情况检测电压值 电压( k v )带电情况奶( v )不带电情况( v )u l | u 2 51 8 60 3 75 0 3 1 03 4 20 6 75 0 5 1 55 181 0 35 0 2 然后，对支柱绝缘子进行单相试验。按图2 3 电路图接线，在两个型号相同的 1 1 0 k v 支柱绝缘子的相同位置安装截流环，均并上o 0 1 虾的电容及示波器。对其中 之一绝缘子施加电压，模拟支柱绝缘子带电情况：另外个支柱绝缘子不加电压， 模拟支柱绝缘子不带电情况。电压值由0 v 匀速升至5 0 k v ，当电压值为1 0 k v 、2 0 k v 、 8 华北电力大学硕士学位论文 3 0 k v 、4 0 k v 、5 0 k v 时，读取两个并联电容的电压值，结果如表2 2 所示。 彳r 图2 3 实验原理图 g 彳r 一调压器；丁一试验变压器：r ，尺2 一保护电阻：研、奶一1 1 0 k v 支柱绝缘子； c d 一并联电容：d 一示波器t d s2 0 2 4 ：g 一球隙 表2 2 支柱绝缘子不同情况检测电压 电压( k v )带电情况u ( v )不带电情况( v )u l | u 2 l01 2 8 o 8 81 4 5 2 0 2 1 6 1 4 91 4 5 3 03 2 32 2 41 4 4 4 04 3 43 0 11 4 4 5 0 5 3 13 6 9 l 。4 3 从试验结果可以看出，出线套管带电情况与不带电情况电压比值较大，随着施 加电压的增大，带电情况与不带电情况矾的比值保持在5 倍左右；支柱绝缘子 奶的比值为1 4 倍，较出线套管比值小。说明出线套管带电情况和不带电情况的 电压幅值有较大区分度，采用电容分压法可有效地监测断路器的开合状态。 2 2 2 试验分析 从出线套管和支柱绝缘子的等效电路入手分析试验结果的差异性。在忽略边缘 效应的条件考虑套管的电场分布，等效电路如图2 4 ( a ) 所示。在交流套管结构中， 可以忽略电感和电阻只考虑电容的作用，等效电路可简化成为一个电容链，如图 2 - 4 ( b ) 所示。图中c v 为介质单位面积对导杆的体积电容，g ，为体积电导，c 。为单位 面积的表面电容，凡为单位面积的表面电阻。 9 z 华北电力大学硕士学位论文 g ( a ) 等效电路( b ) 简化后的等效电路 图2 4 套管等效电路图 出线套管单相试验等效电路图如图2 5 所示，图中c d 为并联电容，g 为高压端 到出线套管截流环的等效电容；c 口为高压端到出线套管截流环的等效电容。带电情 况下，等效电容g 既包含体积电容c v ，又包含表面电容c ；不带电情况下，电容 c 口为空间等效电容。由试验数据可计算得出等效电容g 及c 口，如表2 3 所示。从 表中可以看出，带电情况下等效电容g 的值是不带电情况下等效电容巳值的5 倍 大，说明体积电容g 对等效电容g 有较大影响。因此，采用电容分压法来判断出 线套管带电情况和不带电情况有明显的区分度。 e ( c 口) 巳 图2 5 出线套管单相试验等效电路图 表2 3 出线套管不同情况等效电容值 电压( k v ) 带电情况g ( p f )不带电情况c 口( p f ) c x | c o 53 7 27 。45 0 3 1o3 4 2 6 7 5 1 0 1 5 3 4 5 6 9 5 0 3 在忽略边缘效应的条件下，与出线套管等效电路相比，支柱绝缘子的等效电路 中没有了介质单位面积对导杆的体积电容g 及体积电导g ，只有单位面积的表面 电容g ，单位面积的表面电阻风。交流结构中只考虑电容作用，等效电路图如图 2 6 所示。 l o 华北电力大学硕士学位论文 叫h h 白h 哇 图2 6 支柱绝缘子简化等效电路图 支柱绝缘子单相试验等效电路图如图2 7 所示，图中g 为高压端到支柱绝缘子 酗截流环的等效电容；c 口为高压端到支柱绝缘子巩截流环的等效电容。带电情况 下，等效电容g 只包含表面电容c ，；不带电情况下，电容c 口为空间等效电容。由 试验数据可计算得出等效电容g 及c 口，如表2 4 所示。从表中可以看出，带电情况 下等效电容g 的值只是不带电情况下等效电容c 口值的1 4 倍，说明表面电容g 与 空间等效电容c 口相差不大。因此，采用电容分压法来判断支柱绝缘子带电情况和不 带电情况不具有明显的区分度。 图2 7 支柱绝缘子出线套管单相试验等效电路图 表2 4 出线套管不同情况等效电容值 电压( k v )带电情况g ( p f )不带电情况c 口( p f )c 0 c a 1 0 1 2 8 0 8 81 4 5 2 01 0 8o 7 41 4 6 3 01 0 8o 7 51 4 4 4 01 0 8o 7 51 4 4 5 01 0 6o 7 41 4 3 2 3 三相试验 在单相试验的基础上，进行三相试验，接线图与图2 2 ( a ) 相同，试验变压器变 为三相自耦变压器，变比为2 3 0 v ：1 0 k v 。实验步骤：使三相自耦调压器高、低压 侧呈星形接线，低压侧接调压器，高压侧空载；在三相高压侧出线套管相同的 位置安装截流环，并上0 1 p f 电容，示波器测量其电压值：当低压侧电压为2 0 0 v 、 华北电力大学硕十学位论文 2 5 0 v 、3 0 0 v 、3 5 0 v ，即高压侧为8 7 k v 、1 0 8 7 5 k v 、1 3 0 5 k v 、1 5 2 2 5 k v 时，记录 波形。 三相试验分为三部分：一是，三相同时加压试验；二是，两相同时加压试验； 三是，一相加压试验。下面分别对每一部分进行分析。 2 4 1 三相同时加压试验 a 、b 、c 三相同时加压，当高压侧为8 7 k v 、1 0 8 7 5 k v 、1 3 0 5 k v 、1 5 2 2 5 k v 时，测量并联电容电压，波形如图2 8 所示。 之 坦 罂 乏 趔 粤 ( a ) 高压侧8 7 k v 时电压波形( b ) 高压侧l o 8 7 5k v 时电压波形 ( c ) 高压侧1 3 0 5 k v 时电压波形( d ) 高压侧1 5 2 2 5 k v 时电压波形 图2 8 三相同时加压试验波形 从图2 8 中可以看出，a 、b 、c 三相相位互差1 2 0 。，随着电压的增高，波形 发生畸变，谐波分量增大，对各电压等级各相电压进行傅立叶分析，如图2 9 所示。 纵向比较，由于铁心磁化曲线非线性，每一相电压波形都是随着电压的增高，基波 分量减少，高次谐波分量增大。横向比较，各相3 次谐波分量缓慢上升；a 相5 次、 7 次谐波分量增加，b 相保持不变，c 相减少；a 相9 次谐波分量增长缓慢，b 、c 相涨幅较大。各相变压器铁心磁化曲线非线性程度的不同，造成各相高次谐波分量 存在一定的差异，但总体趋势是一致的。 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) a 相基波与谐波百分比( b ) b 相基波与谐波百分比 ( c ) c 相基波与谐波百分比 图2 9 各相电压波形基波与谐波百分比曲线 三相试验等效电路图与图2 5 相同。三相电压波形含有较大谐波分量，先对电 压波形进行滤波，再提取基波分量，最后计算出高压端到截流环的基波等效电容g ， 如表2 5 所示。表中，各相等效电容g 随着电压增加，有较小幅度的增长，但变换 不大。 表2 5 三相同时加压各相等效电容值 g ( p f ) 高压侧电压( k v ) abc 8 72 1 72 2 83 0 7 1 0 8 7 52 2 32 3 53 1 3 1 3 0 52 3 02 4 03 2 0 1 5 2 2 52 3 72 4 33 2 6 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 两相同时加压试验 两相同时加压试验分为三组：a 、b 相同时加压；a 、c 相同时加压；b 、c 相 同时加压。本文以a 、b 相同时加压进行分析说明。当高压侧为8 7k v 、1 0 8 7 5 k v 、 1 3 0 5 k v 、1 5 2 2 5 k v 时，并联电容电压分压所得波形如图2 1 0 所示。 之 测 罂 之 i 四 罂 乏 理 罂 ( a ) 高压侧8 7 k v 时电压波形 ( b ) 高压侧1 0 8 7 5k v 时电压波形 乏 迥 罂 ( c ) 高压侧1 3 0 5 k v 时电压波形( d ) 高压侧15 2 2 5 k v 时电压波形 图2 1 0 两相同时加压试验波形 从图2 1 0 中可以看出，a 、b 两相相位互差l8 0 。，随着电压的增高，a 、b 两 相电压幅值增大，电压波形发生没有畸变；c 相电压幅值几乎为零，且含有大量高 频成分。同样对各电压等级a 、b 、c 三相电压波形进行傅立叶变换分析，如图2 1 1 、 2 1 2 所示。图2 1 l ( a ) 和( b ) 中，a 、b 相基波分量基本保持不变，3 次谐波分量随着 电压的增大而减少，5 、7 次谐波分量缓慢增加。与三相加压试验相比，两相加压试 验中3 次谐波分量大大降低，这是因为两相加压时，另外一相悬空，3 次谐波电流 在a 、b 两相低压侧中流通，因此改善了高压侧电压波形。图2 1 2 中，随着电压增 加，c 相电压基波幅值有微小增大，但仍然叠加到多个幅值较大的高次谐波分量。 1 4 o 8 6 4 2 o 2 4 6 8 0 司 ，o o o o o o o o o 1 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) a 相基波与谐波百分比 x 丑 求 垃 鲻 = 晡 l ( b ) b 相基波与谐波百分比 图2 1 la 、b 相基波与谐波百分比曲线 频韵他 ( a ) 低压侧2 0 0 v 时c 相傅立叶变换( b ) 低压侧为3 5 0 v 时c 相傅立叶变换 图2 1 2c 相傅立叶变换 用三相试验的方法计算出a 、b 相高压端到截流环的基波等效电容g ，如表2 6 所示。与三相同时加压等效电容g 相比，a 、b 相等效电容g 趋于平缓，且数值小 于三相同时加压等效电容，这是由于截流环处缺少了c 相耦合电压。 表2 6a 、b 相等效电容值 g ( p f ) 高压侧电压( k v ) ab 8 71 8 21 9 9 l o 8 7 51 8 82 0 3 1 3 0 51 9 32 0 8 1 5 2 2 51 9 l 2 0 5 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 4 3 一相加压试验 单相加压试验时，为了使试验电路形成回路，需将低压侧中性点接地，试验变 压器形成y ，y n 联结。对a 相做单相加压试验，当高压侧为8 7 k v 、1 0 8 7 5 k v 、1 3 0 5 k v 、 1 5 2 2 5 k v 时，测得并联电容电压波形，如图2 1 3 所示。 趔 孥 趔 坚 ( a ) 高压侧8 7 k v 时电压波形 之 趔 罂 趔 罂 ( b ) 高压侧1 0 8 7 5k v 时电压波形 ( c ) 高压侧1 3 0 5 k v 时电压波形( d ) 高压侧1 5 2 2 5 k v 时电压波形 图2 1 3 一相加压试验波形 从图2 13 中可以看出，a 相电压幅值较大，b 、c 相电压幅值较小，且大小几 乎相等，相位重合；电压中性点发生了偏移，这是因为，三相变压器y ，y n 联结带不 对称负载时，低压侧有零序电流，而高压侧没有，形成零序激磁电流，产生零序磁 通。同时由于零序激磁阻抗较大，产生较大的零序电动势，从而产生严重的中性点 偏移现象。 对各电压等级a 相电压波形进行傅立叶变换分析，如图2 1 4 所示，与三相试 验，两相试验相比，3 、9 次谐波分量大幅增加，正是由于这些零序分量的激增造成 了中性点地严重偏移。 1 6 o 8 6 4 2 o 2 4 6 8 o 旬 1 o n o o o n n n n 华北电力大学硕士学位论文 一基、捩分量 用同样方法计算出a