1、高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷摘要：在線監(jiān)測(cè)與故障診斷在電氣設(shè)備的故障診斷和智能決策領(lǐng)域受到了越來(lái)越多的關(guān)注。該文闡述了斷路器的各種監(jiān)測(cè)方法，運(yùn)用小波理論對(duì)高壓斷路器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的深入分析。關(guān)鍵詞：斷路器；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷中圖分類(lèi)號(hào)：tm561.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：b 文章編號(hào):1003-0867(2007)01-0011-03傳感器、計(jì)算機(jī)、光纖等高新技術(shù)以及數(shù)學(xué)理論的應(yīng)用，以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，為電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了進(jìn)一步發(fā)展的空間。在高壓斷路器的操作過(guò)程中，機(jī)械性能的不正常是引起故障的一個(gè)重要因素。為了能準(zhǔn)確地測(cè)量和檢驗(yàn)高壓斷路器的機(jī)械性能，開(kāi)發(fā)和完善測(cè)試系統(tǒng)十分必要。外部監(jiān)

2、測(cè)與診斷技術(shù)能夠在線判斷斷路器的機(jī)械狀況，是提高高壓斷路器可靠性的重要方法。這種監(jiān)測(cè)與診斷方法的運(yùn)用，能夠有效地延長(zhǎng)高壓斷路器檢修和保養(yǎng)的期限。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，狀態(tài)判別主要關(guān)心的是設(shè)備系統(tǒng)的整體狀況；而在故障診斷中，狀態(tài)分類(lèi)則是在發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常后，對(duì)故障進(jìn)行分析，確定故障發(fā)生的部位、嚴(yán)重程度及其原因，為診斷決策提供依據(jù)。1 斷路器在線監(jiān)測(cè)的意義在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于變電站、開(kāi)閉所、電廠高壓斷路器的機(jī)械性能、電氣絕緣性能、觸頭電壽命及操作回路工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)綜合分析在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，診斷高壓斷路器實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)，為電氣設(shè)備狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)。由于高壓斷路器數(shù)量多、檢修量大、費(fèi)用高，據(jù)有關(guān)

3、統(tǒng)計(jì)資料表明，變電站維護(hù)費(fèi)用的一半以上是用在高壓斷路器上，而其中60%又是用于斷路器的小修和例行檢修上。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)有10%的斷路器故障是由于不正確的檢修所致，斷路器的大修完全解體，既費(fèi)時(shí)間，費(fèi)用也很高，而且解體和重新裝配會(huì)引起很多新的缺陷。在目前相對(duì)保守的計(jì)劃?rùn)z修中，檢修缺乏一定的針對(duì)性。斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能及時(shí)了解斷路器的工作狀態(tài)、缺陷的部位，減少過(guò)早或不必要的停電試驗(yàn)和檢修，減少維護(hù)工作量，降低維修費(fèi)用，提高檢修的針對(duì)性，可顯著提高電力系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性。2 高壓斷路器的在線監(jiān)測(cè)2.1 機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)高壓斷路器是依靠其機(jī)械部件的正確動(dòng)作來(lái)完成其職能的，因而每個(gè)組成部件的機(jī)械可靠

4、性極為重要。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年全國(guó)6 kv以上高壓斷路器的故障中，拒分、拒合和誤動(dòng)作三類(lèi)共占46%。因此，加強(qiáng)機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)手段，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，對(duì)降低設(shè)備故障率，以提高電力系統(tǒng)的安全性和高效性具有十分重要的意義。機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)豐富的信息載體，包含有大量的設(shè)備狀態(tài)信息，它由一系列瞬態(tài)波形構(gòu)成，每一個(gè)瞬態(tài)波形都是斷路器操作期間內(nèi)部事件的反映。振動(dòng)是對(duì)設(shè)備內(nèi)部多種激勵(lì)源的響應(yīng)，對(duì)高壓斷路器而言，激勵(lì)源包括分合閘電磁鐵、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、脫扣機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)等內(nèi)部構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。斷路器機(jī)械狀態(tài)的改變，將導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的變化，這是利用振動(dòng)信號(hào)作為故障診斷依據(jù)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段和信號(hào)處理方法，可以

5、識(shí)別振動(dòng)的激勵(lì)源，從而找出故障源。振動(dòng)信號(hào)合分閘的波形分析：sn10-10型高壓斷路器在合、分閘過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)波形見(jiàn)圖1、圖2。圖1合閘振動(dòng)信號(hào)波形對(duì)于合閘過(guò)程所對(duì)應(yīng)的重要沖擊振動(dòng)如下：t1：支架上合閘接觸器動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的微弱振動(dòng)（接觸器關(guān)合時(shí)刻）；t2：合閘鐵芯帶動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連桿開(kāi)始運(yùn)動(dòng)（觸頭系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻）；t3：動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)刻（主觸頭接觸時(shí)刻）；t4：合閘緩沖器接入時(shí)刻；t5：合閘鐵芯運(yùn)動(dòng)到頭，對(duì)應(yīng)著支架合閘過(guò)程中最大的一次沖擊；t6：機(jī)構(gòu)的連桿運(yùn)動(dòng)到頭與維持合閘掣子接觸撞擊。在操作過(guò)程中各個(gè)沖擊子波與斷路器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這為斷路器監(jiān)測(cè)提供了重要數(shù)據(jù)，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟课唬?/p>

6、就有可能從支架或外殼上的振動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷內(nèi)部某一特定動(dòng)作。圖2分閘過(guò)程波形對(duì)于分閘操作過(guò)程，幾個(gè)重要沖擊振動(dòng)如下：t1：分閘脫扣電磁鐵與連桿機(jī)構(gòu)撞擊，對(duì)應(yīng)著一個(gè)較微弱的振動(dòng)；t2：機(jī)構(gòu)連桿解列，分閘彈簧開(kāi)始驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)著分閘過(guò)程中最大的沖擊振動(dòng)。t3：主觸頭分離時(shí)刻；t4：動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到頭，制動(dòng)緩沖所對(duì)應(yīng)的沖擊，也是一個(gè)比較強(qiáng)烈的振動(dòng)信號(hào)。在斷路器合閘過(guò)程振動(dòng)波形中，最大值發(fā)生的時(shí)刻是不同的，可以作出如下的解釋?zhuān)涸趯?shí)際情況中，當(dāng)基座螺絲松動(dòng)時(shí)，振動(dòng)傳感器得到的振動(dòng)信號(hào)包括操作引起和操動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)架撞擊引起的振動(dòng)，這兩種振動(dòng)疊加起來(lái)，使振動(dòng)信號(hào)同正常操作的表現(xiàn)不同，故障振動(dòng)明顯延后

7、，小波變換將這種不同比較明顯的表現(xiàn)出來(lái)。止位墊片對(duì)觸頭有緩沖作用，當(dāng)斷路器合閘時(shí)，由于墊片的松動(dòng)使得動(dòng)觸頭較快的運(yùn)動(dòng)到頭，而產(chǎn)生振動(dòng)，表現(xiàn)為出現(xiàn)極大值的時(shí)間比正常狀態(tài)超前的狀態(tài)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以將振動(dòng)信號(hào)的幅值和振動(dòng)事件發(fā)生的時(shí)間段作為特征參量進(jìn)行故障診斷。2.2 斷路器合、分閘線圈電流的監(jiān)測(cè)高壓斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第一級(jí)控制元件，操動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的絕大部分是直流電磁鐵。當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動(dòng)鐵芯受磁力吸引，使斷路器分閘或合閘。從能量角度看，電磁鐵的作用是把來(lái)自電源的電能轉(zhuǎn)化為磁能，并通過(guò)動(dòng)鐵芯的動(dòng)作，再轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。合、分閘線圈的電流中含有可作為診斷機(jī)械

8、故障用的豐富信息，可以選用補(bǔ)償式電流傳感器監(jiān)測(cè)電流信號(hào)。對(duì)線圈電流的監(jiān)測(cè)主要是提取事件發(fā)生的相對(duì)時(shí)刻，根據(jù)時(shí)間間隔來(lái)判斷故障征兆，對(duì)于診斷拒動(dòng)、誤動(dòng)故障有效。2.3 斷路器行程、速度的監(jiān)測(cè)位移量采集是靠光電式行程傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作原理如下：把旋轉(zhuǎn)光柵安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得斷路器操作過(guò)程中的行程和速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。據(jù)此可計(jì)算出以下參數(shù)：動(dòng)觸頭行程、超行程、分合及分前10 ms內(nèi)平均值等。通過(guò)觸頭的時(shí)間行程信號(hào)，可以提取觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻。根據(jù)事件時(shí)間來(lái)診斷故障，這種方法可以診斷斷路

9、器機(jī)械部分磨損、疲勞老化、變形、生銹、閥的緩慢動(dòng)作等故障。2.4 開(kāi)斷電流累計(jì)監(jiān)測(cè)在分閘過(guò)程中，由高壓電流互感器和二次電流傳感器測(cè)量高壓斷路器的主電流波形，通過(guò)測(cè)量觸頭每次開(kāi)斷電流，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到該次開(kāi)斷電流的有效值，然后根據(jù)計(jì)算：當(dāng)為開(kāi)斷電流的加權(quán)累計(jì)值，其值超過(guò)閾值時(shí)，則表明應(yīng)該檢修、更換，從而間接的反映觸頭的磨損情況。2.5 合、分閘時(shí)間同期測(cè)量關(guān)于合分閘時(shí)間及同期的測(cè)量電路原理，如圖3所示。在斷路器斷口上下接線端子接上測(cè)量信號(hào)線，當(dāng)斷路器合上時(shí)，信號(hào)線上有電流流過(guò)，經(jīng)光電隔離器、電壓比較器，輸出高電平信號(hào)；當(dāng)斷路器分開(kāi)時(shí)，信號(hào)線上無(wú)電流通過(guò)，輸出信號(hào)是低電平。測(cè)量系統(tǒng)以一定時(shí)間周期同

10、時(shí)讀取所有斷口的信號(hào)，以操作線圈電流信號(hào)為起點(diǎn)，計(jì)算出各相各斷口的分合閘時(shí)間和相間的同期差。這種技術(shù)只能用于臨時(shí)性監(jiān)測(cè)。圖3離線測(cè)量原理圖2.6 合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測(cè)直接監(jiān)測(cè)：應(yīng)用壓力傳感器，通過(guò)測(cè)量合閘彈簧壓力值的大小，判斷彈簧壓縮狀態(tài)。這種方法需要在機(jī)構(gòu)上安裝壓力傳感器。間接監(jiān)測(cè)：應(yīng)用電流傳感器，通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)能電動(dòng)機(jī)的工作電流變換及工作時(shí)間，監(jiān)測(cè)合閘彈簧的狀態(tài)，通過(guò)分析電流波形得到電流特征參數(shù)的變化，從而反映彈簧狀態(tài)的變化。2.7 動(dòng)態(tài)電阻監(jiān)測(cè)一般的sf6斷路器有主觸頭和弧觸頭，滅弧主要靠弧觸頭，斷路器在閉合狀態(tài)時(shí)，測(cè)得的回路電阻是主觸頭接觸電阻和弧觸頭接觸電阻的并聯(lián)值。一般情況下，主觸頭接觸電

11、阻比弧觸頭接觸電阻小得多，所以所測(cè)回路電阻無(wú)法反映弧觸頭的燒損情況。在分閘過(guò)程中，主觸頭先分離，開(kāi)斷電流轉(zhuǎn)移到弧觸頭上，弧觸頭間先出現(xiàn)電弧，借助滅弧裝置不能發(fā)揮作用，這樣會(huì)導(dǎo)致斷路器燒損。從主觸頭分離到弧觸頭分離這段時(shí)間稱(chēng)為有效接觸時(shí)間，其行程稱(chēng)為有效接觸行程。只有保證弧觸頭有足夠有效接觸行程和時(shí)間才能使斷路器順利滅弧。通過(guò)檢測(cè)斷路器動(dòng)作過(guò)程中的回路電阻變化曲線，可以不用拆開(kāi)斷路器就能得到弧觸頭的有效接觸時(shí)間，這種檢測(cè)方法稱(chēng)為動(dòng)態(tài)回路檢測(cè)，測(cè)得的電阻稱(chēng)為動(dòng)態(tài)回路電阻，用以區(qū)別通常的在斷路器閉合時(shí)測(cè)得的回路電阻，后者稱(chēng)為靜態(tài)回路電阻。2.8 真空度檢測(cè)現(xiàn)有對(duì)真空度測(cè)定的方法主要有：觀察法，僅僅適

12、用于對(duì)玻璃外殼的真空滅弧室，并且只能作為經(jīng)驗(yàn)判斷，參考使用；交流耐壓法，在分閘狀態(tài)下的真空斷路器的觸頭施加交流電壓，根據(jù)電壓施加過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的變化來(lái)判定真空度，但這種方法只能為真空滅弧室的真空狀況提供一個(gè)粗略的判斷，不能判斷真空度的變化趨勢(shì)，只是一個(gè)定性的判斷方法，有時(shí)和實(shí)際結(jié)果并不一致；火花計(jì)法，這種方法也僅適用于玻璃管真空滅弧室，使用時(shí)，讓火花探漏儀在滅弧室表面移動(dòng)，根據(jù)高頻電場(chǎng)作用下不同的發(fā)光情況來(lái)判斷真空度。綜上所述，真空度的測(cè)量，目前僅僅停留在原理的探討上，如果一定要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，尚無(wú)經(jīng)濟(jì)而安全的方法。3 高壓斷路器的振動(dòng)信號(hào)處理斷路器每次的合閘或者分閘操作，都會(huì)引起若干次振動(dòng)事件

13、，每個(gè)振動(dòng)事件都對(duì)應(yīng)著特定的幅值、頻率及衰減指數(shù)。當(dāng)斷路器發(fā)生故障時(shí)，在斷路器的故障信號(hào)中，必然會(huì)引起意外的振動(dòng)事件，這使得整個(gè)振動(dòng)信號(hào)在特定頻段內(nèi)振動(dòng)，頻率、幅值及衰減指數(shù)都可能發(fā)生變化，這些就可以作為判斷的依據(jù)。如果斷路器運(yùn)行正常，變化應(yīng)在有限的幅度和范圍之內(nèi)，并且應(yīng)在平均值的上下隨機(jī)波動(dòng)。在操作中，如果在某些點(diǎn)上的變化大大超出平均值或者在某一方向上有規(guī)律的遷移，就可能檢測(cè)出問(wèn)題。在斷路器的振動(dòng)信號(hào)中，包含許多尖峰和突變部分，而且噪聲也不是平穩(wěn)的，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將信號(hào)的噪聲部分去除，提取有用信號(hào)。由于小波分析能同時(shí)在頻率域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析（且在頻率域內(nèi)分辨率高時(shí)，時(shí)間域內(nèi)分辨則

14、低，在頻率域內(nèi)分辨率低時(shí)，時(shí)間域內(nèi)分辨率則高），所以能有效地區(qū)分信號(hào)中的突變部分和噪聲，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的消噪。4 國(guó)內(nèi)外斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷縱觀國(guó)內(nèi)外電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究和應(yīng)用狀況，已投入使用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置或系統(tǒng)，還存在一些問(wèn)題和不足。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：對(duì)在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目缺乏統(tǒng)一的管理。研制在線監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)的廠商很多，但投放市場(chǎng)的產(chǎn)品缺少統(tǒng)一的考核和認(rèn)證。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身存在可靠性問(wèn)題。主要表現(xiàn)在裝置自身性能不穩(wěn)定、抗干擾能力差、測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，甚至起不到狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)有的作用。現(xiàn)場(chǎng)工作人員缺乏對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作、管理的相關(guān)知識(shí)，也是造成系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的原因。供貨單位對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量缺乏應(yīng)有的監(jiān)督機(jī)制，售后服務(wù)不完善，排除故障不及時(shí)，造成系統(tǒng)癱瘓或不能正常運(yùn)作。以下是對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究的幾點(diǎn)看法：針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動(dòng)和誤動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和二次部分的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置自身的電磁兼容、抗干擾性能。系統(tǒng)自身的可靠性研究，監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)具備自診斷功能。一個(gè)系統(tǒng)具有多狀態(tài)、多設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能，減少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和監(jiān)測(cè)裝置的冗余。規(guī)范接口、通信標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)放性和其他監(jiān)測(cè)裝置的兼容性。充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理和人工智能技術(shù)，使下一代狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置向著高靈敏度、高可靠性、智能價(jià)廉