综述：弹簧储能式断路器触头状态监测技术研究进展

《Energies》：Review of Contact-Point State Monitoring Technologies for Spring-Energy-Storage Circuit Breakers Lei Sun, Hanyan Xiao, Ke Zhao, Shan Gao, Xining Li, Ziyi Zheng and Hongwei Mei

　　

研究人员针对弹簧储能式断路器触头劣化引发电网故障的问题，系统梳理了触头状态监测的技术体系。现有监测方法存在稳态温升响应滞后、振动信号信噪比低及电弧参数现场测量困难等局限。为突破上述瓶颈，研究人员首先引入动态温度上升指数（Temperature Rise Index, TRI），通过γT·(Ir/I)2量化接触电阻突变导致的异常温升率，解决了松动连接等突发故障的早期预警难题。其次，对比分析了红外热成像（Infrared Thermography, IRT）与光纤光栅测温（Fiber Optic Temperature Sensing, FOTS）两类主流技术的适用性：IRT基于焦耳热公式ΔT = I2Rct/(Cm)间接反演触头温度，但受灭弧室结构遮挡存在热传导延迟；FOTS虽可直接埋设于触头臂实现±2℃精度监测，却面临在运设备改造难题。进一步，研究人员采用改进动态时间规整（Dynamic Time-Warping, DTW）算法处理振动信号，通过构建累积距离矩阵D(i,j) = d(ti,tj) + min{D(i-1,j), D(i-1,j-1)}捕捉机构刚度变化特征，结合时频熵Ht= -Σpilogpi（其中pi= ai2/Σai2）提取特征向量，使支持向量机（Support Vector Machine, SVM）分类器对弹簧故障的诊断准确率达94.2%。此外，电气参数监测通过线圈电流波形关联机械负载变化，并提出加权电流开断累积模型Wtotal= Σi=1NWiωi量化电磨损，结合霍尔传感器检测的燃弧时间（10-30 ms）评估剩余寿命（Remaining Useful Life, RUL）。最后，机械特性监测依托行程-时间曲线s(t)，定义开断速度vopen= ds/dt|S=0.8Smax，通过位移传感器或高速摄像获取动触头运动轨迹，为触头接触状态提供间接判据。研究表明，多物理场监测技术的融合与迁移适配是提升弹簧储能断路器状态感知可靠性的核心路径。

3.2. 温度监测

温度监测是评估触头接触状态的基础手段。传统稳态温升方法通过计算理论健康温度T_a并与实测值对比，当实测温度持续高于理论值时触发预警。然而，针对松动连接等快速发展型缺陷，稳态方法存在响应延迟。为此，Mohsen Taghizadeh Kejani等研究人员提出基于温度上升指数（Temperature Rise Index, TRI）的动态监测方法，其核心公式为TRI = γT·(I_r/I)²。式中γT为实时升温速率（K/min），I_r为额定电流，I为实际负荷电流。当接触条件突然恶化时，即使负荷电流未显著变化，温升速率也会异常增大。TRI通过归一化处理，可灵敏捕捉接触电阻突变引起的异常温升，实现松动连接等紧急缺陷的快速检测。当前温升监测主要依赖红外热成像（Infrared Thermography, IRT）与光纤测温（Fiber Optic Temperature Sensing, FOTS）两类技术。IRT利用物体红外辐射特性，通过红外相机将辐射能转换为可视化的温度分布图，实现设备运行中的非接触测温。触头温升ΔT、接触电阻R_c与电流I的关系可由焦耳热公式描述：ΔT = I²R_ct/(Cm)，其中C为材料比热容，m为接触质量，t为通电时间。该方法操作便捷且无需改动设备结构，但受断路器内部灭弧室结构限制，无法直接测量灭弧室内动弧触头的温度，需通过导电杆、套管等外部部件温度间接推算，存在热传导延迟与路径衰减，限制了测量精度。FOTS则依托特种光纤材料的温度敏感光学特性（如荧光寿命、布拉格光栅波长、拉曼散射），传感器探头为绝缘材料并通过光纤连接远程解调设备，具备强抗电磁干扰能力，适用于高压、强电磁场环境。其优势在于可直接安装于开关柜母线、触臂甚至触头附近，实现关键点温度的直接精准在线监测。但传感器需在设备内部预装，在运设备改造难度大。上述技术在GIS设备及高压隔离开关温升监测中已获初步验证。应用于弹簧储能断路器时，IRT需选取与触头热耦合度高的外部测点（如导电杆、触头座）并进行环境温度与发射率补偿；FOTS可借鉴SF₆断路器传感器布置方案，将光纤布拉格光栅传感器嵌入触头臂与静触头座，已实现10 kV弹簧储能断路器工程试点，测温误差可控制在±2 ℃以内。

3.3. 振动与声学监测

断路器分合闸操作伴随剧烈机械运动，产生的振动与声学信号蕴含操动机构及触头运动丰富信息，可用于间接评估触头状态。振动信号可视为瞬态响应，加速度信号a(t)经傅里叶变换可转换至频域：A(f) = ∫_-∞^+∞a(t)e^-j2πftdt。式中A(f)为频域加速度幅值（g/Hz），f为频率（Hz），j为虚数单位。振动监测通过在断路器基座或操动机构外壳安装加速度计采集分合闸过程信号。正常状态下振动信号重复性高，当发生螺栓松动、部件磨损、弹簧断裂或触头异常时，系统质量、刚度或阻尼特性改变，导致振动信号的波形、幅值及频谱产生差异。通过时域分析、频域分析（FFT）或时频分析提取故障特征，可诊断弹簧储能机构及触头相关故障。但振动信号属于非平稳瞬态信号，成分复杂且信噪比低，需依赖先进信号处理与特征提取技术，且不同断路器型号及安装基础的振动信号差异显著，对诊断模型的泛化能力构成挑战。研究人员M. Landry等提出采用改进动态时间规整（Dynamic Time-Warping, DTW）算法检测操动机构机械异常。DTW通过构建累积距离矩阵D(i,j)，表征测试序列T前i个点与参考序列R前j个点的最小扭曲距离，其递推关系为：D(i,j) = d(t_i,t_j) + min{D(i-1,j), D(i-1,j-1)}。式中d(t_i,t_j)为序列点i与j间的局部距离，通常采用欧氏距离|t_i-t_j|，最终DTW值为D(n,m)（n、m为序列长度）。该研究通过引入加权和斜率约束改进DTW，增强了对微小关键偏差的敏感性，实验表明该方法可有效检测机械摩擦增加或错位导致的早期异常，诊断灵活性与灵敏度优于传统固定时间窗特征分析方法。赵树涛等研究人员从振动信号中提取时域熵H_t与频域熵作为特征：H_t= -Σp_ilogp_i，p_i= a_i²/Σa_i²。式中p_i为第i区间概率密度，a_i为第i区间振动信号幅值。结合支持向量机（Support Vector Machine, SVM）分类器，弹簧故障诊断准确率达94.2%。Feizifar B.团队在弹簧储能壳体安装多个加速度计，采集正常储能、满储能及模拟弹簧断裂状态下的振动信号，利用小波包变换提取不同频段能量作为特征向量，SVM分类区分不同状态的准确率超过95%。声发射（Acoustic Emission, AE）技术通过贴附于设备表面的高频传感器捕获塑性变形及裂纹扩展释放的弹性波，对微观损伤（如裂纹萌生）灵敏度高，可实现接触疲劳或局部绝缘局部放电监测。但在断路器触头监测中，AE面临信号微弱与环境噪声强的挑战，尚未实现工程应用突破。振动与声发射监测技术在中压真空断路器及SF₆断路器机构故障诊断中研究广泛，其信号采集与特征提取方法可直接迁移至弹簧储能断路器。鉴于该类断路器操动机构为弹簧驱动，振动信号包含更显著的弹簧疲劳与机构卡滞特征，使其成为触头状态间接监测的首选方法之一。声发射技术虽已应用于高压设备局部放电监测，但在弹簧储能断路器触头监测中仍处于实验室研究阶段，因触头烧蚀磨损产生的声发射信号强度弱，易受设备机械振动及现场环境噪声干扰，需进一步优化传感器选型与信号去噪算法。

3.4. 电气参数监测

断路器开断电流时产生的电弧电压、电弧能量及燃弧时间等特性与开断电流大小、触头材料及触头磨损状态密切相关，通过监测此类电气参数可间接评估触头电磨损。电气参数监测是触头状态监测的核心手段，主要包括关键电信号波形监测与电弧特性监测两类。关键电信号波形监测采用高精度传感器采集分合闸过程中的线圈电流、母线电压等波形。例如，操动线圈电流波形可间接反映电磁铁铁心运动轨迹及机械负载变化，有助于检测机构卡滞等异常，为触头状态评估提供机械关联依据。胡求生等研究人员探讨了积分电流系数的特性，指出不同电流水平对触头磨损贡献度不同，简单按操作次数累加无法准确评估寿命，进而提出改进加权电流开断累积法，定义触头总磨损量W_total为各次开断磨损量的累积和：W_total= Σ_i=1^NW_iω_i。式中W_i为第i次操作的磨损量，N为总操作次数，ω_i为第i次开断电流的权重系数。结合理论、实验及LMM-BP神经网络算法，实现了触头磨损的动态预测，性能良好。电弧特性监测直接关联触头电气寿命：触头寿命主要由电弧烧蚀决定，烧蚀程度与累积电弧能量直接相关。通过同步测量电弧电压与电弧电流可计算电弧功率，实际应用中，在线监测每次分合闸的电弧电压与电流，可精确计算电弧能量与燃弧时间，通过累积历史能量并与触头失效能量阈值比较，可科学评估剩余使用寿命（Remaining Useful Life, RUL）。该方法针对性强，直接关联触头失效核心物理过程，但现场直接测量电弧电压难度较大，尤其在高压侧场景中，测量精度易受环境与设备结构限制。胡求生研究团队设计的真空断路器燃弧时间检测装置为电弧特性监测提供了工程参考。该系统采用霍尔电流传感器测量主回路电流，通过分析电流波形变化识别电弧起止时刻：当分闸电流波形由工频正弦波转变为含高频分量的非正弦波形时，判定为电弧点燃；电流过零后不再重燃，波形归零，判定为电弧熄灭。燃弧时间即为两时刻之差。本小节所述的电弧参数监测与操动线圈电流波形监测方法源于真空断路器及SF₆断路器的电气寿命评估与机构故障诊断研究。迁移至弹簧储能断路器时，核心技术要素可直接复用，仅需针对其特有的分合闸电弧特性及操动机构电气控制参数进行适配：电弧能量计算方面，弹簧储能断路器燃弧时长通常为10–30 ms，需将采样频率提升至50 kHz以上，以确保电弧电压与电流同步采集精度；操动线圈电流监测方面，需根据弹簧储能断路器线圈额定电压及电阻参数调整电流传感器的量程与采样分辨率，以准确识别线圈电流波形中“卡滞”、“啮合不良”等特征。

3.5. 机械特性监测

分合闸速度、超程、开距等参数是断路器机械性能的核心指标，其异常变化通常源于操动机构润滑不良、部件磨损或弹簧性能退化，最终影响触头接触状态与开断性能。机械特性监测是间接评估触头状态的重要手段，行程-时间曲线s(t)是机械特性分析的基础。该曲线通常通过安装于断路器操动机构连杆或动触头侧的位移传感器在线测量获取，亦可借助高速摄像机采集操作过程图像序列分析得到。分闸速度v_open定义为行程-时间曲线在特定区间的斜率：v_open= ds/dt|_S=0.8Smax，其中S_max为触头最大开距。通过精确获取动触头的运动轨迹，可计算分合闸速度、超程、开距等关键参数，进而判断操动机构的驱动性能与触头的接触稳定性。当机械特性参数偏离正常范围时，往往预示着触头接触压力不足、传动部件磨损或弹簧储能异常，这些隐患均会加速触头劣化进程。因此，机械特性监测为触头状态的间接评估提供了重要的物理依据，尤其适用于检测由机械原因引发的触头接触问题。在实际工程应用中，需根据弹簧储能断路器的具体结构特点，优化位移传感器的安装位置与固定方式，确保所测行程-时间曲线的准确性与可靠性，从而为触头状态的综合诊断提供有效输入。