高壓斷路器機械特性在線監測的研究

秦文姬，馬麗麗，魏聰明

(西安工程大學計算機學院，陜西 西安 710048)

1 引言

高壓斷路器是系統一次設備中檢修維護工作量最大的設備，近十年來，眾多研究者致力于高壓斷路器的狀態監測研究。據統計，約有70%的高壓開關故障原因在于操作機構的性能不良［1-6］，所以監測操作機構的相關參數是反映其運行狀態的必要和有效手段。最初，電力設備檢修方式是在故障發生后進行改正性檢修，稱為事故檢修;之后發展為固定時間間隔的預防性定期檢修。隨著我國電力體制改革的推進，電力市場的發展需要更為科學的檢修模式一狀態檢修，通過各種手段對正在運行的設備進行評估、診斷，給出有針對性的維修建議。狀態檢修機制的優點是能夠防止惡性事故發生。避免維修過剩或者維修不足，延長設備的使用壽命，優化設備的運行［7］。目前現有的監測裝置監測功能較簡單，診斷能力也存在不足，因此研制具有綜合監測功能的監測裝置是目前在線監測的重要發展方向，具有較大的發展前景。

高壓斷路器實施實時在線監測，可以及時了解其運行狀況。掌握其運行特性及變化趨勢，以便盡早發現潛在故障，及時采取預防措施或進行維修，保障系統可靠運行。實施高壓斷路器在線監測減少了過早或不必要的檢修，降低維修費用，提高檢修的針對性;其次，提高了開關設備本身的使用壽命，顯著提高電力系統的可靠性。再者，高壓斷路器在線監測技術為設備的狀態檢修機制提供了依據，為實現從計劃檢修到狀態檢修的轉變創造了有利條件，具有重大意義。

2 系統監測的主要內容

對高壓斷路器的機械性能監測，需要考慮以下主要因素［8，9］:監測分、合閘線圈電流。線圈電流波形反映了鐵芯行程、鐵芯卡滯、線圈狀態(匝間短路等)、分合閘輔助接點狀態與轉換時間等信息;監測觸頭的行程、速度等特性。行程、速度特性反映機構的工作狀況，通過直接或問接的方法獲得速度、加速度、行程等曲線以及平均速度、最大速度;機械振動監測等項目。

2.1 分、合閘線圈電流

高壓斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第一級控制元件。當線圈中通過電流時，動鐵心受磁力吸引，使斷路器分閘或合閘。線圈電流波形反映了鐵芯行程、鐵芯卡滯、線圈狀態(匝間短路等)、分合閘輔助接點狀態與轉換時間等信息，因而可根據線圈電流波形來分析高壓斷路器操動機構的機械狀態，預測高壓短路器偷跳、拒動等情況。采用的方法直接利用串接在直流操作電源電氣回路的穿芯電流傳感器可測量開關動作時流過分(合)閘線圈的電流波形。通過對線圈電流波形的分析和歷史比較，可對線圈直流電阻、鐵芯行程等狀態分析，進而判斷分(合)閘線圈是否斷線，斷路器操作過程是否卡澀等。以彈簧操動結構為例，在同一時域，高壓斷路器分合閘過程中線圈電流如圖1所示［4］。

圖1 分閘操作時的測試波形

表1 斷路器分閘時線圈電流變化過程

2.2 觸頭行程一時間特性

行程一時間特性曲線是斷路器工作狀態的重要表征。高壓斷路器分、合閘速度，尤其是斷路器合閘前、分閘后的動觸頭速度對斷路器的開斷性能有至關重要的影響。通過在動觸頭下或觸頭的絕緣拉桿下安裝位移傳感器，再經過采樣濾波后，可得到斷路器動觸頭行程隨時間的變化關系，來發現機械故障的隱患，斷路器機械部分由于磨損、疲勞老化、變形、生銹、裝配不當等影響正常機械性能的原因都可從該特性中反映出來。通過對行程位移的監測可以有效地分析斷路器操作機構的觸頭運行過程，從而計算出斷路器的行程、觸頭分合閘速度，進而判斷斷路器操作機構健康狀況［10，11］。

對機械特性在線監測的行程數據采集部分來說，最重要的是對合、分閘過程中動觸頭在各個時刻位置的檢測，主要的要求是:在不改動斷路器主體結構以及帶電的條件下，既不能影響機構原有的機械特性和絕緣特性，又要真實地反映其機械特性，且適應性要強。最直接的方法是，在開關運動部件上裝設絕對位移傳感器.檢測開關觸頭運動的行程曲線。通過相應各點的速度參數。如剛分、剛合速度，平均速度等，可以反映動觸頭在各段所受到的推動力和阻力特性。

如圖2所示［12］，以高壓斷路器合閘時行程一時間的曲線關系為例，定義斷路器的主要機械特性參數如下:t0為斷路器分、合動作計時起點;t1為鐵芯開始運動的時刻;t2為代表鐵芯已經觸動操作機械的負載因而顯著減速或停止運動。

圖2 斷路器合閘時行程時間特性

表2 合閘時斷路器機械特性參數

2.3 機械振動的監測

國際大電網會議(CICRE)對高壓斷路器可靠性所作的兩次世界范圍的調查以及國內電力科學院對我國高壓斷路器事故的統計分析表明，相當比例的事故皆源于機械原因［13］。斷路器機械狀態的改變將導致振動信號的變化，振動信號中包含豐富的機械狀態信息，即便是機械系統結構上某些細微變化也可以從振動信號上發現出來。因此，可通過監測斷路器的機械振動情況來分析結構的動作狀態和時間，判斷斷路器內部機構的運動過程。由于斷路器在分合閘操作中所產生的振動信號沒有規則，再加上現場環境嘈聲的影響，使得分析處理起來比較困難。我們可以通過在斷路器具有較大振動強度或者較大信嘈比的部位安裝加速度振動傳感器，當斷路器進行分、合操作時，采集振動信號以便處理之后作為診斷的依據。另外，大量試驗表明加速度傳感器安裝位置的微小移動或更換相同的傳感器對測量結果沒有明顯影響。因此，可以使用振動信號分析斷路器動作的特性［14］。

因此，振動信號的辨識是斷路器振動信號監測的重要前提。振動信號的特點是具有高強度沖擊和高速度等特點;振動信號的采集不涉及電氣測量，振動信號受電磁干擾小;振動信號具有瞬時非平穩性，不具有周期性。傳感器安裝在斷路器的外部，對斷路器沒有任何影響。而傳感器本身又具備尺寸小、可靠性高、低價廉、抗干擾好等優點，特別適用于高壓斷路器在線監測系統。

3 在線監測技術現存的主要問題和發展方向

隨著我國電力事業的不斷發展，在線監測作為狀態檢修機制得到越來越多的關注。目前，，雖然有關單位開發出了在線監測系統，但是在線監測的產品相對較少，使用規模有限。根據前一階段對國內的斷路器在線監測產品的調研情況分析，現在的在線監測系統普遍存在以下問題［9］［11］［15，16］:

(1)故障診斷闌值的確定。故障閡值的確定是正確診斷的前提，以前故障診斷的依據有賴于實際經驗或標準，從在線監測裝置提供的有關動作參數、性能參數，或者比較歷史記錄，分析運行特性的變化趨勢，可以進行斷路器狀態判斷;

(2)在線監測的內容多，投資大，要能熟練的運用于設備維修仍需要長時間的技術革新和經驗的積累;

(3)監測系統存在監測點少，功能簡單，缺乏統一的系統化和網絡化監測管理;

(4)在線監測系統存在可靠性問題，主要表現在在線監測裝置自身穩定性和抗干擾能力差，使得測量所得的數據準確度不高。

斷路器在線監測系統經歷了漫長的發展歷程，但從實際應用情況看，今后應該會向以下幾個方向發展［6］［11］［15，16］:

(1)集成性。機械特性在線監測功能模塊能具備實時的采集信號，并能及時處理信號以及能及時快速地故障診斷的能力。集高壓斷路器將多項監測功能于一體，有利于多種信息的融合技術，支持網絡化統一管理;

(2)通用性。由于斷路器類型和電壓等級不同，監測的項目和實現方法也不一樣。系統應具有多狀態、多設備的監測功能。在硬件設計時應考慮足夠多的采樣通道，保證采樣板的通用性，可滿足不同類型的斷路器要求。在設計軟件時，采用中文組態技術實現不同類型斷路器相關機械參數的設定;

(3)可靠性。裝置系統本身的可靠性至關重要，應具備自診斷功能。斷路器動作時會產生強烈放電和機械振動，對整個機械特性在線監測模塊都會造成特別強的電磁干擾。因此，在系統設計時，硬件要采用屏蔽和濾波。軟件需對行程等信號采用非線性數字濾波技術;

(4)擴充性。監測系統對監測的斷路器的個數不受限制;考慮斷路器就地采樣單元與變電站在線監測系統的兼容，能為變電站綜合自動化提供信息;

(5)智能化。機械特性在線監測單元作為高壓斷路器的重要組成部分，能實時地檢測斷路器機械特性參數的變化信息。充分利用快速發展的計算機技術、通信技術、信號處理和人工智能技術，使得下一代在線監測裝置向著高靈敏度、高可靠性、高智能和性價比高的方向發展。

4 結束語

隨著電力事業的不斷發展，斷路器機械特性在線監測與診斷技術近年來受到了高度重視，但現有的在線監測裝置功能不全，缺乏足夠的數據積累，故障診斷分析能力也存在不足，不能滿足電力系統的要求，仍需加強基礎性的研究。同時還應借鑒和引入小波變換、神經網絡、人工智能等技術，使得斷路器機械特性在線監測技術進入一個新的發展階段。

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