直流断路器动作特性在线录波装置开发和应用

金 辉，胡德兆

直流断路器动作特性在线录波装置开发和应用

金 辉，胡德兆

地铁直流断路器在线录波装置通过采集直流断路器动作时的电流、电压、分合闸及位置反馈信号形成录波数据，对波形的关键点和形态特征进行自动分析，输出关键参数，反映断路器的机械特性和电气特性，并将数据存储在历史数据库中。该装置的开发实现了对断路器性能的在线监测、历史数据统计、故障预警及寿命预估等功能。

地铁；直流断路器；在线录波分析装置；在线监测

0 引言

随着地铁建设的快速发展及地铁线路开通里程的迅速增加，地铁供电设备的运维工作量随之激增，采用原有的巡视和检修方式，人员数量和成本费用都成几何级的倍数增加。很多城市地铁线路开通里程在十年内将迅速增加，其维修人员的配置、维修资源的配给、维修体系的运行等问题，成为当前业内研究的重要内容。

从计划检修转变为状态检修是解决该问题的重要途径。实现状态检修，需实现设备状态在线监测，辅以自动化的远程监测系统，使配备数量有限的检修人员最大限度地掌握设备运行状态，并根据设备监测数据对设备的维护检修做出准确的预防性措施及应急计划，从而最大程度地节省维护检修资源。

城市轨道交通供电系统中，直流断路器（额定电压一般为1 500 V和750 V）是保障牵引供电系统安全稳定运行的关键设备，用于牵引供电网的通断电及故障时的快速保护，也是地铁运营维护部门需要重点维护的设备。

目前，地铁直流断路器的维护检修普遍采用日常巡检和计划检修方式，巡视、维修的人工、材料成本较高，且在地铁高密度运行条件下，大部分检测和维修工作需要停电进行，效率非常低，人工巡检也无法判断断路器内部状态，因此，研究断路器在线监测技术非常必要。

本文将研究一种通过在线监测断路器一次回路动作时的电气参数，辅助判断断路器状态优劣的方法。

1 直流断路器常见故障分析

在实际运行中，断路器一次设备的主要故障是操作机构不动作、动作时间超标、灭弧时间长以及由此造成的分合闸失败或烧损。针对这些故障，需要采取针对性的监测方法[1]。

1.1 机械故障

机械故障一方面可能是由于操作机构的速度、力量指标达不到要求，无法快速推动断路器的动触头部分，特别是在电动力较大的情况下；另一方面可能是由于传动件磨损、松动甚至部件脱落引起传动不到位、跳动、延迟等问题。参考高压、超高压、特高压开关机械方面的监测经验，断路器机械特性在线监测一方面是在断路器机械结构中设置传感器，测量机械动作的相关参数（速度、行程等）以判断机械性能是否劣化；另一方面是通过测量合闸线圈和分闸线圈的电压、电流等参数，辅助判断操作机构是否存在电动机构劣化问题[2]。

上述措施在一些开关，特别是大型开关的性能监测中取得了一定效果，但仍存在某些局限性，例如在中低压开关上安装上述装置，最大难点是安装空间有限，对于直流开关，该问题尤为突出。目前广泛采用的1 500 V、750 V各类直流开关，结构较为紧凑，机构、线圈体积较小，而且操作机构的保持方式种类较多，其原理不尽相同，测量分合闸线圈的电气参数意义不大。

1.2 灭弧系统故障

灭弧系统的老化将可能导致电弧无法及时冷却，电弧持续时间长，从而引起设备烧损，甚至分闸失败，造成较为严重的事故。

高压、超高压开关采用油、气体作为灭弧介质，通过监测灭弧介质的成分、状态等参数可以对其灭弧能力作出判断，从而采取相应的预防措施。地铁用直流断路器通常采用由高分子材料、钢片等组成的灭弧系统，但由于其体积小且空间狭小，难以检测实时状态量[2，3]。

2 断路器动作录波判断性能的原理

如前文分析，由于地铁直流断路器的状态监测不适用于大型开关设备，或具有较大的局限性，因此笔者尝试一种新方法，通过实时监测开关动作过程中一次回路的电流电压变化情况来综合反映开关的状态。

断路器动作录波是通过高精度捕捉断路器动作时一次回路的电压电流波形、操作指令时间、状态信号的同步波形，形成综合的动作过程记录，从记录的波形判断断路器动作时的机械参数（分合闸时间）、电气参数（分、合全过程电流电压的实时值）。这些参数可以反映开关动作的时间是否符合出厂值或运营要求值，也可从波形图中发现电弧的变化情况，反映出断路器在灭弧过程和分合闸动作时的优劣状态。

通过进一步积累和叠加其波形历史数据，对断路器运行历史记录、参数进行纵向对比，为分析总体运行趋势提供辅助参考。采用断路器录波技术，既能在故障发生后快速准确地判断和分析故障，便于故障的排查和定位，也能在系统正常运行时，实时录得电流、电压波形，获得各项电气量参数，分析设备的性能。通过分析历史波形数据，方便进行断路器故障预警和寿命预估。

然而，由于断路器每次动作时负荷具有随机性，依据少量的录波数据不能充分反映断路器的性能，所以需要对多次录波的历史数据进行统计，甚至对同一类型设备的大量数据进行统计，才能取得较有价值的结果。获得大量数据需要长时间的样本数据积累和深入探索分析。

3 在线录波分析装置设计原理及组成

3.1 在线录波分析装置设计原理

图1为在线录波分析装置设计原理图。

断路器动作时，在线录波分析装置通过直流变送器测得断路器电流和电压的扰动值，形成扰动数据并存储在录波测控单元中。后台监控上位机包括服务器和客户端电脑，服务器通过专用数据读取软件读取录波数据文件，客户端电脑通过专用录波分析软件显示和分析扰动前后波形，最后得出结果。

3.2 在线录波分析装置的组成

（1）录波测控单元。在断路器动作时，录波测控单元获取断路器的电流、电压扰动值，形成录波数据文件。其主要配置包括：CPU、I/O接口、多路A/D转换通道、按键指示灯、液晶显示模块、电源电路、时钟模块、程序存储器、数据存储器、RS485接口、USB接口和以太网接口（图2）。开关量I/O接口用于获取断路器分闸指令、合闸指令、分位反馈信号、合位反馈信号的4路开关量输入，录波测控单元通过4路开关量输入通道获取断路器的动作信号；A/D转换通道用于获取断路器直流电压测量信号和电流测量信号的2路模拟量输入；录波测控单元CPU时钟周期为15 ns，其A/D转换芯片分辨率为14位；断路器的电流和电压测量输入信号、分合闸指令及合分位反馈信号经过A/D转换和CPU处理后，以录波数据文件的形式存储在存储区。录波数据以标准的Modbus协议通过RS485串口进行通信，并上传到后台。

图1 在线录波分析装置设计原理

（2）上位机服务器、交换机和客户端电脑。上位机服务器读取录波数据文件，并进行存储；客户端电脑通过访问上位机服务器获取储存数据。上位机服务器、客户端电脑及现场设备之间通过交换机进行数据交换。

图2 录波测控单元组成

（3）串口服务器。串口服务器通过RS485总线与录波测控单元相连，录波测控单元的录波数据通过串口服务器RS485串口进行上传。

（4）数据采集软件以轮询扫描的方式读取录波装置中的扰动数据，读取出最新的录波数据，并以rde格式文件存储在实时数据服务器中。

（5）录波分析软件从客户端电脑读取服务器的波形文件并进行显示分析。实际操作中，在客户端电脑的上位界面软件中设置链接按钮，用以调用录波分析软件可执行程序。在录波分析软件的打开菜单中选择要查看的波形，生成波形显示，且具备缩放、测量、向量图生成等功能；同时具备分析功能，如自动分析断路器动作时间、响应时间、拉弧时间、灭弧时间等关键参数，统计分析历史数据，形成报表及曲线，通过历史曲线形成包络图，以判断断路器动作是否异常。

4 测试及分析

为了验证录波装置的性能，分析波形中反映断路器特性的各项时间参数，依据现有条件，以大电流发生器作为电源，采用小电压、大电流的形式提供一次电源，在生产厂家实验室搭建了试验平台，进行直流断路器的录波试验。试验用直流断路器型号为目前国内工程中常用型号，其测试数据具有广泛的代表性。试验原理如图3所示。

4.1 定义时间参数

（1）定义录波测控单元从开关量输入到开关量输出的响应时间为测控单元响应时间t11，根据录波测控单元的参数可知t11=10 ms；

图3 直流断路器录波试验原理

（2）定义接触器K1和K2的动作响应时间为接触器响应时间t21，根据接触器的参数可知t21=28 ms；

（3）定义电流从负载值到零的时间为灭弧时间t1；

（4）定义直流断路器线圈得电吸合，主触头开始动作（此时电流突变）的响应时间为合闸线圈响应时间t31；直流断路器线圈失电释放，主触头开始动作（此时电流突变）的响应时间为分闸线圈响应时间t32；这2个时间参数为断路器固有特性，在实际操作中，合闸需要储能，因此合闸时间长于分闸时间，即t31＞t32；

（5）定义断路器从操作信号或故障跳闸信号产生到主触头开始动作（此时电流突变）的时间为断路器响应时间t2；

（6）断路器从操作信号或故障跳闸信号产生到辅助触点动作完成，整个过程动作的时间定义为断路器动作时间t3；

（7）定义主触头从起点到终点（与辅助触头同步）的动作时间为触头动作时间t4；

（8）主触头和辅助触点为联动结构，理论上同时开合。而在分闸波形中，辅助触点动作相对于灭弧过程存在延时，这是由于触头压簧的存在导致分闸时主辅触头动作不同步，此为断路器固有特性。定义该延时为压簧动作时间t5，根据波形得出t5=20 ms。

4.2 时间参数关系及波形

4.2.1 合闸

直流断路器合闸时具有如下时间关系：

t3=t11+t21+t31+t4

t2=t11+t21+t31

直流断路器合闸波形如图4所示。

图4 直流断路器合闸波形

4.2.2 分闸

直流断路器分闸时具有如下时间关系：

t3=t11+t21+t32+t4

t2=t11+t21+t32

直流断路器分闸波形如图5所示。

图5 直流断路器分闸波形

从图4、图5波形中读取的各项时间参数值如表1所示。从以上波形可以得出：

（1）试验所录得的波形完全可以反映断路器的动作特性及机械特性；

（2）固有特性不可避免，如压簧动作时间和触头动作时间等，均可反映断路器的机械特性；

（3）计算断路器整个动作时间参数时需要减去中间环节（如接触器动作时间）的时间。

表1 直流1 500 V断路器录波波形各时间参数值

5 录波装置现场应用

为了对地铁牵引变电所内直流1 500 V开关柜的直流断路器进行录波在线监测，在直流1 500 V开关柜中安装录波测控单元TDR100。将开关柜内的直流变送器信号及合分闸反馈信号接入到录波测控单元，录波测控单元通过RS485总线连接到串口服务器RS1，再通过交换机连接到上位机。

当断路器发生合分闸动作时，录波测控单元将对断路器的动作进行波形记录，并将录波数据进行存储；录波数据上传到后台监控上位机，通过录波分析显示软件对录波数据进行分析显示，生成的波形具备缩放、测量、向量图生成等功能，同时具备分析功能。

6 结语

直流断路器动作特性在线录波分析装置可以实现轨道交通供电系统直流断路器录波功能。录波装置由波形数据文件生成断路器动作时的电压、电流、分合闸指令及反馈信号的波形，且记录的波形完全可以反映断路器的动作特性及机械特性。通过波形分析软件，可以测算提取反映断路器动作特性及机械特性的各项参数值，并据此发出故障报警。对历史数据进行统计分析，形成报表及曲线，通过大量的数据积累为状态评估提供依据，对断路器性能的劣化程度进行评价，从而实现对断路器寿命的预估。

以上是对直流断路器性能在线监测进行的一些探索，某些细节还需要进一步完善，其应用效果需要在长期的试验和现场运行中加以验证。

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The online recording devices for subway DCcircuit breaker are able to realize theautomatic analysis on the key points and morphological characteristics of waveform by collection of current,voltage,tripping,closing and position feedback signals of DC circuit breaker,and output the key parameters,reflect the mechanical and electrical characteristics of the circuit breaker,and store the data into the historical database.The device’s development realizes thefunctionsof onlinemonitoring,historical datastatistics,failurealarm and servicelifeprediction for circuit breakers.

Subway;DCcircuit breaker;onlinerecording&analysis device;onlinemonitoring

U231.8

A

1007-936X(2017)06-0054-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.014

金 辉.广州地铁集团有限公司，高级工程师；胡德兆.广州白云电器设备股份有限公司，工程师。

2017-04-19