一種用于高壓斷路器故障診斷的振動檢測裝置設計

摘要：本文設計了一種振動檢測裝置，該裝置基于電磁變化與感應原理，結合機械結構的合理設計，實現了對機械振動信號的短時檢測。實驗證明：本裝置工作性能可靠，檢測精度高，可運用于中型及大型高壓斷路器的故障診斷系統，為系統提供振動模態。本文網絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/245926.htm

關鍵詞： 高壓斷路器；故障診斷；預測；機械振動；振動檢測

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.4.004

引言

高壓斷路器是電力系統中重要、典型的電氣設備，有著巨大的市場需求和容量，斷路器發生故障造成的損失，遠超出其本身的價值。有關統計表明，變電站維護費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，而且斷路器的解體修理既費時間，費用也很高，另外解體和重新裝配會引起很多新的缺陷?？梢?，高壓斷路器可靠性的提高、維修費用的降低，對電力設備產業將會有非常明顯的帶動與促進作用，并將推動機械制造業、檢測儀表業等相關行業的飛速發展，克服高壓斷路器定期檢修的盲目性，從現行的計劃檢修向故障預測檢修轉變已成為必然趨勢。利用振動分析對發電機和感應電動機等大型連續旋轉設備進行故障診斷，國內外已有大量的研究成果和應用實例。振動指紋分析在高壓斷路器中的應用尚處于探索階段，但國內外學者普遍認為該方法是極具潛力的一種新的研究思路。

1 基于振動分析結合人工免疫算法的高壓斷路器故障診斷、預測系統介紹

一般來說，斷路器發生故障都是由兩方面原因造成的，一方面是電氣故障，另一方面是機械故障[1]。高壓斷路器分、合閘操作時，產生的一系列振動信號中含有設備工作狀態信息，且對同一位置相同情況下的操作，高壓斷路器的振動信號具有重復性和獨特性，所以目前高壓斷路器的故障診斷方法大多以振動信號為特征信號。實驗已經表明同類型的斷路器動作時所產生的振動信號相似，這就使通過比較同種類型不同斷路器的振動信號檢測斷路器故障成為可能，使基于振動信號所進行的斷路器狀態檢測和故障診斷推廣性與實用性得到進一步提高[2]。

針對電力系統中高壓斷路器的故障診斷、預測，筆者提出了一種針對不同斷路器的機械特性和振動信號的特點，通過選用適合的振動檢測裝置及其它外圍電路，利用上位計算機和下位機（信息采集卡）的數據處理能力，采取必要的、有效的抗干擾算法，提取振動信號，然后采用人工免疫算法，對高壓斷路器振動指紋信號進行識別，實現高壓斷路器故障診斷、預測的有效可行的系統設計方法[3]。本系統能及時了解斷路器的工作狀態和缺陷的部位，減少過早或不必要的停電試驗和檢修，減少維護工作量，降低維修費用，提高檢修的針對性，可顯著提高電力系統可靠性。在系統設計實現時，短時機械振動檢測又是其核心檢測內容。目前，振動檢測多用壓電式加速度傳感器，背景噪聲較大，且壓電材料的輸出對溫度的響應除受材料本身特性影響之外，也受到生產工藝的直接影響，故壓電式加速度傳感器的輸出對環境溫度較敏感，靈敏度溫度系數通常為0.02%～0.5%/℃；另外，盡管壓電式加速度傳感器測量量程范圍較大，但由于是測量振動的加速度值，在相同的位移幅值條件下，加速度值與信號的頻率平方成正比，不同頻段的加速度信號大小相差甚大，大型結構的低頻振動的振動量的加速度值可能會相當小，故低頻時傳感器的信噪比會顯著下降；而且由于壓電材料自身特性，傳感器在測試時具有明顯的方向性，不可避免地對橫向振動也產生輸出信號，這些因素使得壓電式加速度傳感器的測量精度有限。最常用的振動測量壓電式加速度計靈敏度，電壓輸出型（IEPE型）為50～100mV/ g，電荷輸出型為10～50pC/g。

為了解決“基于振動分析結合人工免疫算法的高壓斷路器故障診斷、預測系統”設計中提出的高壓斷路器振動信號提取的現有技術問題，本文設計了一種短時機械振動檢測裝置，該裝置基于電磁變化與感應原理，結合機械結構的合理設計，實現振動信號檢測功能。

2 振動檢測裝置設計

在振動腔體中設置含有相互垂直兩個繞組的定板，及含有兩對相互垂直繞組的動板，定板固定于腔體上，動板安裝于慣性塊上。通過檢測定板和動板之間的相對運動，可測得斷路器在X和Z方向的振動模態。在進行故障診斷時，定板輸入被放大了的正弦信號，用于激勵，而動板依據振動強弱和模態，在其兩對繞組上感應出相應的正弦和余弦兩相輸出信號。輸出信號被電路板上的功率放大電路放大，可直接輸出至專用儀器、單片機和計算機等設備。

本振動檢測裝置還在機械結構上采用如下設計方案，以保證振動信號的有效傳遞和采集，同時降低系統的背景噪聲：設置空心彈性連桿，其一端固定于振動腔體上，另一端安裝有慣性塊，水平放置，在慣性塊上再安裝動板，該類結構可對振動信號進行機械“放大”，并延長模態信號的持續時間，便于檢測。裝置的結構和主要部件的位置布置如圖1所示，整個裝置主要由電路板1、腔體外殼2、底座3、慣性塊4、動板5、定板6、彈性連桿7、線排8和線排9組成。動板絕緣固定于慣性塊上，定板固定于腔體一側，動板與定板平行且保持1～2mm間距。彈性連桿中空，水平放置，其一端固定于腔體一壁，另一端與慣性塊連接。定板和動板的引線穿過連桿引出。定板和動板均由覆銅板制成，其上繞組采用光刻、腐蝕制版而成。定板含節距相同的兩個垂直繞組，動板含節距相同的兩對垂直繞組，每對繞組有正弦和余弦繞組各一個，動板與定板節距相同，應為2mm。動板的正弦繞組與定板繞組對齊時，動板的余弦繞組應與定板繞組錯開正好1/4節距。動板和定板繞組上方可涂以防護薄層。

本振動檢測裝置具體實施時，電路板由一個正弦信號激勵電路、兩個功率放大電路組成。正弦信號激勵電路采用TC1878芯片，其器件型號及連接由圖3所示。兩個功率放大電路均采用AD827芯片，完成對動板輸出信號的放大，其器件型號及連接由圖 4（a、b）所示。外來標準正弦函數信號接到電路板上圖3所示Vi1端，經由所示電路板板上的Vo1，通過線排8接到定板的對應端，以進行激勵。動板的Vi1sin、Vi1cos、Vi2sin和Vi2cos通過線排9，分別接到圖4所示的電路板對應輸入端，經過功率放大電路放大產生Vo1sin、Vo1cos、Vo2sin和Vo2cos4路輸出，該類輸出信號可直接用于各類專用儀器、單片機和上位計算機[4]。

3 結語

高壓斷路器是電力傳輸系統的關鍵設備，其運行可靠性至關重要，故常設故障診斷系統，以及時預防和發現設備故障。本文針對高壓斷路器故障診斷、預測系統設計實現時的高壓斷路器的短時機械振動檢測的問題，提出并實現了一種基于電磁變化與感應原理的新型的振動檢測裝置，以裝置機械結構為保障，實現了對機械振動信號的短時檢測。相對于目前常用的壓電式加速度傳感器測振裝置，本方案系統背景噪聲較小，檢測輸出的溫度響應系數較小，檢測頻帶范圍寬，檢測精度較高。經對裝置的檢測實驗表明，本振動檢測裝置的測試結果誤差都在 4%以內，能適用于各類中大型高壓斷路器的故障診斷。