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河北工业大学科研人员提出低压断路器机械特性状态监测与诊断的新方法
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低压断路器是低压配电系统中重要的控制和保护设备，其可靠运行对电力系统极其重要。随着操作次数的增加，断路器承受的电气应力和机械应力会导致机构内部机械部件的性能退化，最终无法正常运行，因此，如何有效且准确地监测断路器内外部信号并在线诊断断路器性能退化部件和退化程度是目前亟须解决的问题。
其中，通过监测断路器机械特性对其性能进行评估是最常用的方法。断路器的机械特性主要包括触头开距、触头超程、合分闸时间、合分闸速度和操作力矩等。其中，触头超程是非常关键的特征量，它不仅影响其他机械特性，还会影响回路电阻、断路器机械寿命以及电寿命。
目前，断路器的状态监测一般包括线圈电流信号监测、振动信号监测和声音信号监测三类。其中，断路器分合闸线圈中的电流信号包含大量的断路器运行信息，梅飞和倪建军等通过分析断路器机构故障对分合闸线圈电流信号的影响，实现断路器状态的在线监测与故障诊断。
近年来，国内外学者在利用振动信号监测断路器性能方面已取得了许多有价值的成果，在监测断路器触头超程方面的成果也颇为丰富。但是，关于机械部件和触头超程性能退化对断路器操作性能影响机理的研究较少，且状态监测方法的主要研究对象为高压断路器。同时框架断路器在实际使用过程中常会出现零部件磨损、变形、断裂等故障，这些故障会导致断路器运行性能降低，严重时会造成断路器合分闸失败等事故。
为了准确监测低压断路器的机械特性，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学）的研究人员胡博凯、李奎、牛峰、赵成晨，在2022年第13期《电工技术学报》上撰文，提出基于操作机构运动特性的低压断路器机械特性状态监测方法。
图1 框架断路器操作性能监测与评估过程
他们首先根据操作机构的运动特性分析机构合分闸过程中的旋转特征，并选取能够反映操作机构性能的特征量；其次，定量分析触头磨损、机构磨损和分闸弹簧断裂对机构性能的影响，通过实时监测特征量的变化实现机械部件性能的诊断；最后，通过定量计算触头超程性能退化对分闸能量和机构性能的影响，实现触头超程状态的监测。
图2 实验平台示意图
研究人员指出，框架断路器机械部件和触头超程发生性能退化时会导致操作机构的运动规律发生改变，根据操作机构运动特性，可选取机构合、分闸过程中的特征量，能够有效地反映机械部件和触头超程的状态。
另外，他们的研究结果表明：根据合分闸过程中操作机构各部件间的运动关系，能够定量计算触头磨损、操作机构磨损和分闸弹簧断裂对机构运动波形中特征量的影响，通过实时监测特征量的变化，实现框架断路器性能退化部件和退化程度的诊断；根据操作机构分闸过程中的能量关系，能够定量计算触头超程性能退化对分闸能量和分闸阶段斜率的影响，通过实时监测斜率的变化，完成框架断路器触头超程状态的监测以及操作性能的评估。
本文编自2022年第13期《电工技术学报》，论文标题为“低压断路器机械特性状态监测方法研究”。本课题得到国家自然科学基金和河北省自然科学基金的支持。
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