斷路器機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)研究

南方電網(wǎng)臨滄供電局 陸佳其 張?jiān)?羅明 張國(guó)林

在斷路器分、合閘操作時(shí)，為對(duì)其產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，選擇搭建振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其檢測(cè)系統(tǒng)要求不僅能測(cè)量在分、合閘操作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并且另一方面還能對(duì)其操作進(jìn)行控制，從而達(dá)到檢測(cè)目的[1]。振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)通常由主機(jī)、控制電路、斷路器和傳感器以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀等五個(gè)主要部分組成。

1 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)裝置

1.1 斷路器的選擇

開(kāi)斷元件是執(zhí)行元件，主要起到閉合、切斷電流的作用。其執(zhí)行閉合、切斷動(dòng)作的能量來(lái)源則為操動(dòng)機(jī)構(gòu)，并具有不可替代的重要作用，根據(jù)能量來(lái)源的不同可將其分為彈簧式和電磁式兩大類(lèi)。對(duì)比這兩種操動(dòng)系統(tǒng)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅對(duì)電源要求較高，并一直存在合閘速度慢的問(wèn)題。相對(duì)來(lái)說(shuō)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)并不存在這兩個(gè)問(wèn)題，因此在眾多科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，其操作方式分為手動(dòng)和電動(dòng)兩種。對(duì)于彈簧操動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，彈簧作為執(zhí)行分、合閘操作的能量來(lái)源，是其最為主要的部件之一[2]。

少油斷路器優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格便宜，但檢修頻繁，且在檢修時(shí)需進(jìn)行解體操作，不僅操作過(guò)程繁瑣且檢修成本耗費(fèi)巨大。除此之外，因滅弧介質(zhì)和觸頭間的絕緣介質(zhì)都是油，因此發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高，安全性較差[3]。

SF6斷路器具有較強(qiáng)的滅弧性能，優(yōu)點(diǎn)是能連續(xù)多次進(jìn)行分合閘操作且噪聲小。SF6氣體不可燃，不具有發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。SF6氣體作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，為保證其密封性不發(fā)生泄露，對(duì)制造工藝及材料的要求更為嚴(yán)格，受此因素的限制，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中并不廣泛[4]。

相對(duì)于上述兩類(lèi)斷路器真空斷路器各方面優(yōu)勢(shì)明顯，基本上結(jié)合了少油斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜與SF6斷路器連續(xù)多次進(jìn)行分合閘操作且噪聲小的共同優(yōu)勢(shì)。除此之外也并不存在這兩種斷路器的缺點(diǎn)，其檢修便捷極大的節(jié)省了檢修成本和精力，此外滅弧和絕緣介質(zhì)均為高真空，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)更為穩(wěn)定且不懼火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。由于真空斷路器在各方面的眾多優(yōu)勢(shì)，因此生產(chǎn)實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用ZW51-12型真空斷路器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的搭建（表1）。

表1 ZW51-12型真空斷路器參數(shù)表

1.2 傳感器的選擇

振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)核心在于對(duì)信號(hào)的采集。信號(hào)的采集需要借助于傳感器，因此影響檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度的一個(gè)重要因素就是傳感器的性能高低。一般來(lái)說(shuō)，在檢測(cè)系統(tǒng)的搭建中，為保障其具有較高的測(cè)量精度，當(dāng)信號(hào)類(lèi)型發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的也需要改選傳感器的類(lèi)型。就速度傳感器而言，因其具有輸出阻抗低且靈敏度較高的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。但由于其傳感器頻帶寬度較窄，通常頻率不超過(guò)1kHz，而斷路器的振動(dòng)信號(hào)頻帶寬度較大，最高頻率甚至可達(dá)數(shù)千Hz，因此速度傳感器在使用條件上具有很大的限制，當(dāng)頻帶寬度不符合條件則無(wú)法有效完成信號(hào)的提取[5]。

對(duì)比于速度傳感器，壓電式傳感器不僅具有較寬的頻帶寬度且自重較小，所以在信號(hào)的測(cè)量上被越來(lái)越廣泛使用。壓電式傳感器工作的原理是利用壓電效應(yīng)，當(dāng)斷路器振動(dòng)時(shí)，壓電晶體在一定方向上會(huì)受到力的作用，且與振動(dòng)的劇烈程度之間成正比關(guān)系。壓電晶體在力的作用下會(huì)發(fā)生形變，從而內(nèi)部會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，同時(shí)表面還會(huì)出現(xiàn)兩種極性不同的電荷；當(dāng)振動(dòng)停止時(shí)力的作用消失，壓電晶體表面的電荷相應(yīng)消失，從而恢復(fù)到開(kāi)始時(shí)不帶電狀態(tài)。信號(hào)的大小可通過(guò)對(duì)引出線上的電荷進(jìn)行測(cè)量及處理后得到。本文搭建的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)選用YD-1型壓電式加速度傳感器（表2）。

1.3 安裝方式的選擇

當(dāng)斷路器振動(dòng)時(shí)，其加速度頻率能夠高達(dá)數(shù)千赫茲，當(dāng)電力系統(tǒng)電壓等級(jí)較低和較高時(shí)，振動(dòng)加速度的瞬時(shí)幅值分別能夠達(dá)到數(shù)百和數(shù)千。由于振動(dòng)加速度的幅值和頻帶寬度與傳感器的安裝方式和位置有關(guān)，其安裝方式和位置的不同會(huì)在一定程度上對(duì)幅值和頻帶寬度產(chǎn)生影響，通常在生產(chǎn)實(shí)際中將略低于出廠設(shè)置中的理想值。

在對(duì)比分析幾種主要的傳感器的安裝方式時(shí)通常要考慮以下問(wèn)題：此位置下的振動(dòng)幅度是否在其承受范圍內(nèi)；傳感器是否會(huì)因分、合閘次數(shù)的增加發(fā)生位置的偏移情況；安裝和拆卸是否會(huì)影響傳感器和斷路器狀況。

一般來(lái)說(shuō)，傳感器主要的固定方式可分為手持探針式、永磁體吸附式、粘合式和螺栓固定式以及粘合與螺栓固定結(jié)合式等五大類(lèi)。手持探針式具有操作便捷的顯著優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用于對(duì)大工作量的多個(gè)位置的測(cè)量，然而其測(cè)量結(jié)果不夠精確，且無(wú)法采集頻率高于10000Hz的振動(dòng)信號(hào)；永磁體吸附式優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)固性好不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，還能將傳感器與斷路器進(jìn)行絕緣。缺點(diǎn)為待測(cè)信號(hào)的頻率會(huì)有一定程度上的損失；粘合式的顯著優(yōu)勢(shì)在于頻率響應(yīng)好，但并不適用于長(zhǎng)期頻繁使用且清潔困難；螺栓固定式的靈敏度與頻率響應(yīng)均較高，但需要在斷路器表面打孔，不僅破壞其結(jié)構(gòu)且會(huì)或多或少的影響其振動(dòng)，削減使用年限。目前粘合與螺栓固定結(jié)合式的使用最為普遍。

1.4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的選擇

振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，通常用于對(duì)機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)加速度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，能夠在變壓器、斷路器和GIS設(shè)備等環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅操作簡(jiǎn)單方便攜帶，且具有很高的靈敏度，對(duì)振動(dòng)信號(hào)因設(shè)備缺陷、零部件松動(dòng)等故障造成的變化，能夠靈敏反映。本文在搭建振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)采用的振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀型號(hào)為ES-HEVM。

2 系統(tǒng)總體方案

在對(duì)斷路器進(jìn)行分、合閘操作時(shí)，首先需要進(jìn)行儲(chǔ)能操作，通過(guò)電機(jī)對(duì)合閘彈簧完成儲(chǔ)能后，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)維持在儲(chǔ)能狀態(tài)；其次，在執(zhí)行合閘操作后，合閘彈簧儲(chǔ)存的能量被全部釋放出來(lái)，其中一小部分被用于保證操作的順利進(jìn)行，剩余大部分能量被用于分閘彈簧儲(chǔ)能操作，以此保證在合閘操作執(zhí)行完后能順利執(zhí)行下一步分閘操作。之后，當(dāng)合閘彈簧釋放能量完成后，再一次進(jìn)行合閘彈簧儲(chǔ)能操作；最后，當(dāng)彈簧操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行分閘操作時(shí)，分閘彈簧將儲(chǔ)存的能量全部釋放，當(dāng)執(zhí)行完后便恢復(fù)到初始儲(chǔ)能狀態(tài)。

已知測(cè)量結(jié)果會(huì)受傳感器安裝位置的影響，通過(guò)對(duì)比其測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，安裝位置與測(cè)量效果之間的關(guān)系為越靠近動(dòng)力源效果越好。因此，相比于其他安裝位置，選擇為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的支架時(shí)，數(shù)據(jù)的保真度更高效果更好。本文亦是將其選擇為最佳安裝位置（圖1）。

圖4 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

在測(cè)量斷路器振動(dòng)信號(hào)之前，首先需要人為進(jìn)行故障設(shè)置，將其分別設(shè)置為鐵芯卡澀、緩沖器無(wú)效超程及絕緣拉桿松動(dòng)等三種故障；之后分別在上述三種故障和正常狀態(tài)下對(duì)斷路器進(jìn)行合閘操作，分別采集100組動(dòng)作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，在振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀將其放大后，傳輸至主機(jī)；最后對(duì)其去噪、特征提取及故障診斷。