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廈門國際航空港集團(tuán)有限公司  蘇毅兵

摘要：在線監(jiān)測與故障診斷在電氣設(shè)備的故障診斷和智能決策領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。該文闡述了斷路器的各種監(jiān)測方法，運(yùn)用小波理論對高壓斷路器進(jìn)行振動(dòng)信號的深入分析。

關(guān)鍵詞：斷路器；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

中圖分類號：TM561.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號: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)確地測量和檢驗(yàn)高壓斷路器的機(jī)械性能，開發(fā)和完善測試系統(tǒng)十分必要。外部監(jiān)測與診斷技術(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)測與診斷方法的運(yùn)用，能夠有效地延長高壓斷路器檢修和保養(yǎng)的期限。在監(jiān)測過程中，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)分類則是在發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常后，對故障進(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)測的意義

在線監(jiān)測系統(tǒng)用于變電站、開閉所、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，通過綜合分析在線監(jiān)測的數(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)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。在目前相對保守的計(jì)劃檢修中，檢修缺乏一定的針對性。

斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測系統(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

2.1 機(jī)械振動(dòng)信號的監(jiān)測

高壓斷路器是依靠其機(jī)械部件的正確動(dòng)作來完成其職能的，因而每個(gè)組成部件的機(jī)械可靠性極為重要。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年全國6 kV以上高壓斷路器的故障中，拒分、拒合和誤動(dòng)作三類共占46%。因此，加強(qiáng)機(jī)械故障的監(jiān)測手段，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，對降低設(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)是對設(shè)備內(nèi)部多種激勵(lì)源的響應(yīng)，對高壓斷路器而言，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)信號的變化，這是利用振動(dòng)信號作為故障診斷依據(jù)的理論基礎(chǔ)。通過適當(dāng)?shù)臋z測手段和信號處理方法，可以識(shí)別振動(dòng)的激勵(lì)源，從而找出故障源。

振動(dòng)信號合分閘的波形分析：

SN10-10型高壓斷路器在合、分閘過程中的振動(dòng)信號波形見圖1、圖2。

圖1　合閘振動(dòng)信號波形

對于合閘過程所對應(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)連桿開始運(yùn)動(dòng)（觸頭系統(tǒng)開始運(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，對應(yīng)著支架合閘過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)有一一對應(yīng)的關(guān)系，這為斷路器監(jiān)測提供了重要數(shù)據(jù)，通過選擇適當(dāng)?shù)牟课唬陀锌赡軓闹Ъ芑蛲鈿ど系恼駝?dòng)信號來判斷內(nèi)部某一特定動(dòng)作。

圖2　分閘過程波形

對于分閘操作過程，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，分閘彈簧開始驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，對應(yīng)著分閘過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)緩沖所對應(yīng)的沖擊，也是一個(gè)比較強(qiáng)烈的振動(dòng)信號。

在斷路器合閘過程振動(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：在實(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，使振動(dòng)信號同正常操作的表現(xiàn)不同，故障振動(dòng)明顯延后，小波變換將這種不同比較明顯的表現(xiàn)出來。止位墊片對觸頭有緩沖作用，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

高壓斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第一級控制元件，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自電源的電能轉(zhuǎn)化為磁能，并通過動(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)械故障用的豐富信息，可以選用補(bǔ)償式電流傳感器監(jiān)測電流信號。對線圈電流的監(jiān)測主要是提取事件發(fā)生的相對時(shí)刻，根據(jù)時(shí)間間隔來判斷故障征兆，對于診斷拒動(dòng)、誤動(dòng)故障有效。

2.3 斷路器行程、速度的監(jiān)測

位移量采集是靠光電式行程傳感器來實(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)的相對運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度行程信號轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得斷路器操作過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。通過觸頭的時(shí)間—行程信號，可以提取觸頭運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻。根據(jù)事件時(shí)間來診斷故障，這種方法可以診斷斷路器機(jī)械部分磨損、疲勞老化、變形、生銹、閥的緩慢動(dòng)作等故障。