广东深圳供电局有限公司 赖天德、李元开、黄锦、王世祥、黄潇恺、叶雪映 518000
摘要：断路器储能回路故障时，断路器无法实现多次动作。储能回路故障时，储能机构不能提供足够的储能能量，断路器因此无法动作于跳闸、合闸。当前在，实际运维当中，缺少一种对储能回路故障状态的监测，使得上述问题无法解决。本文提出一种利用故障录波装置检测判断断路器储能回路故障的方法，通过记录储能回路的运行电流波形，实时对比历史电流波形，通过趋势性变化判断出储能回路故障的可能性，并且作出故障预测的判断。
关键字：断路器储能; 故障录波; 故障预测
1引言
断路器储能回路是为断路器的储能电机供电的回路，一般由储能电机电源、控制接点、分压限流电阻和储能电机组成。储能过程由断路器储能压力低接点导通启动，由储能压力低接点断开结束。储能电机在运行达到一定年限时，内部绕组因老化发生电阻增大、绕组匝间短路等故障。储能回路中的储能接点、分压限流电阻因老化，发生绝缘破坏、电阻增加或断路的故障。无论是储能电机故障还是储能回路中的元器件发生故障，断路器的储能机构都无法正常工作，从而使断路器失去分合闸操作的功能，严重时导致电力设备短路下断路器拒动的严重。断路器储能回路故障时，储能回路会流经的故障电流与正常运行情况下的电流不同，对于老化性故障，储能电机通常会表现出电流减小的现象，对于短路性故障，储能电机通常会表现为电流增大的现象。
因为储能回路的运行是在断路器进行分合闸动作的情况下启动的，所以对储能回路的检查与试验会导致断路器的分合闸。在运维工作中，对储能回路的检查需要对断路器进行停电，也因此降低了供电可靠性。
故障录波装置是通过接入电流量、电压量和开关量，并加以分析，从而得到电力设备故障信息的设备，是继电保护运维人员用于分析电力设备故障的一种辅助手段。因为故障录波装置可以接入电流量、电压量和开关量。可以通过故障录波装置监视断路器储能回路运作时的电流、电压、储能接点等电气量，通过分析得到储能回路中储能电机和其他元器件的运行状况，最终实现断路器储能回路的不停电检验。[1]
2储能回路的故障特征
储能回路的故障包括短路故障和断路故障。两种故障有各自的特征，其故障发生的电流、电压变化量与正常运行时不同。但同一类型的故障在故障发生时，其电气量的运行特征相似，存在规律性特征。因此，可以通过采集储能回路运行时的电气量来与正常运行、故障运行的特征进行比较，当判定为故障特征时，可以将其与短路故障特征和断路故障特征进行比较。
2.1短路故障
短路故障是指储能回路的电源因回路中存在短路点而发生的电流激增的故障，通过由储能电源空气开关跳闸来隔离故障。在断路器储能电机长期运行下，电机内部绕组因绝缘老化发生破坏，造成匝间短路。或因外壳图层老化，发生绝缘降低，导致绕组对地放电，形成接地短路。
在正常运行与短路故障间还存在中间过程，即非金属性短路。此类故障使储能电机能够正常转动，但是工作电流较正常运行时大，严重时可导致储能电机漏电。
短路故障的主要特征是工作电流增加，且一般表现为电流突变增加。根据该故障特征，在故障录波装置中可以设定突变量和突变率两个变量，通过对两个变量的计算判断，监视储能回路的短路故障。
2.2断路故障
断路故障是除短路故障外，另一种常见的储能回路故障类型。
断路故障的发生分为两大类型，一种是运行老化问题，另一种是弱接触性问题。对于前者，在储能回路元件配合度设计中，电机绕组电阻的老化增长问题经常被忽略，这使得在储能回路的设计中串入了过多电阻。在储能电机和储能回路接触器长期运行下，储能回路整体阻抗增大，储能电机的启动电压增加,在储能电源电压维持不变的情况下，储能电机无法启动运转，从而使断路器操作机构失去储能功能。
而对于弱接触性问题，常见的储能回路故障包括启动接点锈蚀断开、回路连接点接触不良等。启动电机的接触器在长期运行的情况下，内部接点接触面经长期氧化，产生铜锈，在接触器导通励磁时，接点无法完全闭合，使储能电机回路无法通电。在储能电机运转情况下，电机转动产生的震动动能传导至控制箱中，使控制箱中的电机接触器和转接端子螺丝松动，从而导致回路连接点接触不良。
断路故障的主要特征是工作电流的减小，与短路故障的特性性质不同，断路故障发展下的电机工作电流是逐步减小的，直至完全性的断路故障。根据该故障特征，在故障录波装置中可以设定稳态量变量，通过对该变量的记录和比较，得出每一次工作电流稳态量的变化情况，通过线性函数判断其运行电流是否满足断路故障的发展特征，从而监视储能回路的断路故障。
3储能回路故障电流录波原理
通过把储能回路的工作电流接入故障录波装置的模拟量通道，可以实现对储能回路电流变化的监视。接入原理图如图1。
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图中，+KM代表储能回路的直流电源正极，-KM代表储能回路的直流电源负极，Ikm+代表接入故障录波装置的储能回路靠正极侧，Ikm-代表接入故障录波装置的储能回路靠负极侧，HA代表合闸按钮，TA代表分闸按钮，HQ代表合闸直流接触器线圈，TQ代表分闸直流接触器线圈。
3.1电流变化率特征判别方法
通过接入故障录波装置的模拟量通道，在通道频率10000Hz的采样下，储能回路运行电流的突变量可被实时监测到。如储能回路运行时发生短路故障，其监测波形图如图2。
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其中，t1为储能回路未启动时间，t2为储能回路运行时间，t3为储能回路短路时间。
储能回路断路故障电流波形如图3所示。
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其中，t1为储能回路未启动时间，t2为储能回路运行时间，t3为储能回路断路时间。
从图2、图3中，可以得出，储能回路短路故障时的突变量是递增，这使得突变率为正。即
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储能回路短路故障时的突变量是递减，这使得突变率为负。即
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通过（1）、（2），可以得出判别短路和断路故障的特征条件。
3.2历史电流变化量预测方法
通过对比历史记录的电流大小和波形，可以预判储能回路的故障，也可以预测出回路故障的时间。例如，图4是对短路故障而言的电流波形发展图。
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I1、I2、I3分别为有记录以来第一次、第二次和第三次的储能电流波形，If短路故障电流波形模型，是该储能回路理论下的短路电流波形（实际中可以通过试验测定）。
根据短路故障的发展，回路绝缘逐渐破坏导致的阻抗减小，电容电流增大的特性。实际电流波形的发展是逐步增加的，可以计算从I1发展到I2的时间t1-2，I2发展到I3的时间t2-3，通过t1-2和t2-3的加权计算，可以预测出发展到If的时间。
又如图5，对断路故障而言，因为储能回路的阻抗受氧化等因素影响而逐步增大。回路电流逐渐减小，直至无法启动回路导致断路。
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图5中，I1、I2、I3分别为有记录以来第一次、第二次和第三次的储能电流波形，Ilowest为储能回路最低启动电压对应的启动电流，图5是该储能回路理论下的断路电流波形（实际中可以通过试验测定）。
根据断路故障的发展，回路元器件氧化导致阻抗增加，电容电流减小的特性。实际电流波形的发展是逐步减小的，同样可以计算从I1发展到I2的时间t1-2，I2发展到I3的时间t2-3，通过t1-2和t2-3的加权计算，可以预测出发展到Ilowest的时间。
4总结
结合基于突变率的储能回路故障电流录波原理和历史电流变化量预测方法，本方法可以实时监视储能回路的运行状态，不仅可以快速判断储能回路故障情况，还可以简单预测储能回路故障的发展趋势和时间。对电力行业的断路器储能回路运维有较大的效益。[2]
作者简介赖天德（1991-）：硕士，工程师，从事继电保护相关研究工作。
参考文献
[1]刘宽,赵文东,潘光辉等. 开关柜机构二次回路故障快速定位装置的设计[J]. 电工技术. 2020,(15)
[2]顾沈卉,王学英,霍西锋等.110kV线路故障引发的继电保护动作分析[J]. 电工技术. 2019,(23)