高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的研究

秦文姬，馬麗麗，魏聰明

(西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 引言

高壓斷路器是系統(tǒng)一次設(shè)備中檢修維護(hù)工作量最大的設(shè)備，近十年來(lái)，眾多研究者致力于高壓斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有70%的高壓開(kāi)關(guān)故障原因在于操作機(jī)構(gòu)的性能不良［1-6］，所以監(jiān)測(cè)操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)是反映其運(yùn)行狀態(tài)的必要和有效手段。最初，電力設(shè)備檢修方式是在故障發(fā)生后進(jìn)行改正性檢修，稱為事故檢修;之后發(fā)展為固定時(shí)間間隔的預(yù)防性定期檢修。隨著我國(guó)電力體制改革的推進(jìn)，電力市場(chǎng)的發(fā)展需要更為科學(xué)的檢修模式一狀態(tài)檢修，通過(guò)各種手段對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行評(píng)估、診斷，給出有針對(duì)性的維修建議。狀態(tài)檢修機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是能夠防止惡性事故發(fā)生。避免維修過(guò)?；蛘呔S修不足，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行［7］。目前現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)功能較簡(jiǎn)單，診斷能力也存在不足，因此研制具有綜合監(jiān)測(cè)功能的監(jiān)測(cè)裝置是目前在線監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向，具有較大的發(fā)展前景。

高壓斷路器實(shí)施實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解其運(yùn)行狀況。掌握其運(yùn)行特性及變化趨勢(shì)，以便盡早發(fā)現(xiàn)潛在故障，及時(shí)采取預(yù)防措施或進(jìn)行維修，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行。實(shí)施高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)減少了過(guò)早或不必要的檢修，降低維修費(fèi)用，提高檢修的針對(duì)性;其次，提高了開(kāi)關(guān)設(shè)備本身的使用壽命，顯著提高電力系統(tǒng)的可靠性。再者，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)為設(shè)備的狀態(tài)檢修機(jī)制提供了依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)從計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了有利條件，具有重大意義。

2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

對(duì)高壓斷路器的機(jī)械性能監(jiān)測(cè)，需要考慮以下主要因素［8，9］:監(jiān)測(cè)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(tài)(匝間短路等)、分合閘輔助接點(diǎn)狀態(tài)與轉(zhuǎn)換時(shí)間等信息;監(jiān)測(cè)觸頭的行程、速度等特性。行程、速度特性反映機(jī)構(gòu)的工作狀況，通過(guò)直接或問(wèn)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(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)等項(xiàng)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(jí)控制元件。當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，動(dòng)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(tài)(匝間短路等)、分合閘輔助接點(diǎn)狀態(tài)與轉(zhuǎn)換時(shí)間等信息，因而可根據(jù)線圈電流波形來(lái)分析高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械狀態(tài)，預(yù)測(cè)高壓短路器偷跳、拒動(dòng)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(cè)量開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)流過(guò)分(合)閘線圈的電流波形。通過(guò)對(duì)線圈電流波形的分析和歷史比較，可對(duì)線圈直流電阻、鐵芯行程等狀態(tài)分析，進(jìn)而判斷分(合)閘線圈是否斷線，斷路器操作過(guò)程是否卡澀等。以彈簧操動(dòng)結(jié)構(gòu)為例，在同一時(shí)域，高壓斷路器分合閘過(guò)程中線圈電流如圖1所示［4］。

圖1 分閘操作時(shí)的測(cè)試波形

表1 斷路器分閘時(shí)線圈電流變化過(guò)程

2.2 觸頭行程一時(shí)間特性

行程一時(shí)間特性曲線是斷路器工作狀態(tài)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(dòng)觸頭速度對(duì)斷路器的開(kāi)斷性能有至關(guān)重要的影響。通過(guò)在動(dòng)觸頭下或觸頭的絕緣拉桿下安裝位移傳感器，再經(jīng)過(guò)采樣濾波后，可得到斷路器動(dòng)觸頭行程隨時(shí)間的變化關(guān)系，來(lái)發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障的隱患，斷路器機(jī)械部分由于磨損、疲勞老化、變形、生銹、裝配不當(dāng)?shù)扔绊懻C(jī)械性能的原因都可從該特性中反映出來(lái)。通過(guò)對(duì)行程位移的監(jiān)測(cè)可以有效地分析斷路器操作機(jī)構(gòu)的觸頭運(yùn)行過(guò)程，從而計(jì)算出斷路器的行程、觸頭分合閘速度，進(jìn)而判斷斷路器操作機(jī)構(gòu)健康狀況［10，11］。

對(duì)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的行程數(shù)據(jù)采集部分來(lái)說(shuō)，最重要的是對(duì)合、分閘過(guò)程中動(dòng)觸頭在各個(gè)時(shí)刻位置的檢測(cè)，主要的要求是:在不改動(dòng)斷路器主體結(jié)構(gòu)以及帶電的條件下，既不能影響機(jī)構(gòu)原有的機(jī)械特性和絕緣特性，又要真實(shí)地反映其機(jī)械特性，且適應(yīng)性要強(qiáng)。最直接的方法是，在開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)部件上裝設(shè)絕對(duì)位移傳感器.檢測(cè)開(kāi)關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)的行程曲線。通過(guò)相應(yīng)各點(diǎn)的速度參數(shù)。如剛分、剛合速度，平均速度等，可以反映動(dòng)觸頭在各段所受到的推動(dòng)力和阻力特性。

如圖2所示［12］，以高壓斷路器合閘時(shí)行程一時(shí)間的曲線關(guān)系為例，定義斷路器的主要機(jī)械特性參數(shù)如下:t0為斷路器分、合動(dòng)作計(jì)時(shí)起點(diǎn);t1為鐵芯開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻;t2為代表鐵芯已經(jīng)觸動(dòng)操作機(jī)械的負(fù)載因而顯著減速或停止運(yùn)動(dòng)。

圖2 斷路器合閘時(shí)行程時(shí)間特性

表2 合閘時(shí)斷路器機(jī)械特性參數(shù)

2.3 機(jī)械振動(dòng)的監(jiān)測(cè)

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CICRE)對(duì)高壓斷路器可靠性所作的兩次世界范圍的調(diào)查以及國(guó)內(nèi)電力科學(xué)院對(duì)我國(guó)高壓斷路器事故的統(tǒng)計(jì)分析表明，相當(dāng)比例的事故皆源于機(jī)械原因［13］。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，振動(dòng)信號(hào)中包含豐富的機(jī)械狀態(tài)信息，即便是機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上某些細(xì)微變化也可以從振動(dòng)信號(hào)上發(fā)現(xiàn)出來(lái)。因此，可通過(guò)監(jiān)測(cè)斷路器的機(jī)械振動(dòng)情況來(lái)分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)和時(shí)間，判斷斷路器內(nèi)部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。由于斷路器在分合閘操作中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)沒(méi)有規(guī)則，再加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境嘈聲的影響，使得分析處理起來(lái)比較困難。我們可以通過(guò)在斷路器具有較大振動(dòng)強(qiáng)度或者較大信嘈比的部位安裝加速度振動(dòng)傳感器，當(dāng)斷路器進(jìn)行分、合操作時(shí)，采集振動(dòng)信號(hào)以便處理之后作為診斷的依據(jù)。另外，大量試驗(yàn)表明加速度傳感器安裝位置的微小移動(dòng)或更換相同的傳感器對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有明顯影響。因此，可以使用振動(dòng)信號(hào)分析斷路器動(dòng)作的特性［14］。

因此，振動(dòng)信號(hào)的辨識(shí)是斷路器振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的重要前提。振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)是具有高強(qiáng)度沖擊和高速度等特點(diǎn);振動(dòng)信號(hào)的采集不涉及電氣測(cè)量，振動(dòng)信號(hào)受電磁干擾小;振動(dòng)信號(hào)具有瞬時(shí)非平穩(wěn)性，不具有周期性。傳感器安裝在斷路器的外部，對(duì)斷路器沒(méi)有任何影響。而傳感器本身又具備尺寸小、可靠性高、低價(jià)廉、抗干擾好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)存的主要問(wèn)題和發(fā)展方向

隨著我國(guó)電力事業(yè)的不斷發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)作為狀態(tài)檢修機(jī)制得到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，，雖然有關(guān)單位開(kāi)發(fā)出了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是在線監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品相對(duì)較少，使用規(guī)模有限。根據(jù)前一階段對(duì)國(guó)內(nèi)的斷路器在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的調(diào)研情況分析，現(xiàn)在的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在以下問(wèn)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(jù)有賴于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)，從在線監(jiān)測(cè)裝置提供的有關(guān)動(dòng)作參數(shù)、性能參數(shù)，或者比較歷史記錄，分析運(yùn)行特性的變化趨勢(shì)，可以進(jìn)行斷路器狀態(tài)判斷;

(2)在線監(jiān)測(cè)的內(nèi)容多，投資大，要能熟練的運(yùn)用于設(shè)備維修仍需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)革新和經(jīng)驗(yàn)的積累;

(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，功能簡(jiǎn)單，缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)管理;

(4)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在可靠性問(wèn)題，主要表現(xiàn)在在線監(jiān)測(cè)裝置自身穩(wěn)定性和抗干擾能力差，使得測(cè)量所得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高。

斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，但從實(shí)際應(yīng)用情況看，今后應(yīng)該會(huì)向以下幾個(gè)方向發(fā)展［6］［11］［15，16］:

(1)集成性。機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)功能模塊能具備實(shí)時(shí)的采集信號(hào)，并能及時(shí)處理信號(hào)以及能及時(shí)快速地故障診斷的能力。集高壓斷路器將多項(xiàng)監(jiān)測(cè)功能于一體，有利于多種信息的融合技術(shù)，支持網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理;

(2)通用性。由于斷路器類型和電壓等級(jí)不同，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和實(shí)現(xiàn)方法也不一樣。系統(tǒng)應(yīng)具有多狀態(tài)、多設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)軟件時(shí)，采用中文組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同類型斷路器相關(guān)機(jī)械參數(shù)的設(shè)定;

(3)可靠性。裝置系統(tǒng)本身的可靠性至關(guān)重要，應(yīng)具備自診斷功能。斷路器動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈放電和機(jī)械振動(dòng)，對(duì)整個(gè)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)模塊都會(huì)造成特別強(qiáng)的電磁干擾。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，硬件要采用屏蔽和濾波。軟件需對(duì)行程等信號(hào)采用非線性數(shù)字濾波技術(shù);

(4)擴(kuò)充性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)的斷路器的個(gè)數(shù)不受限制;考慮斷路器就地采樣單元與變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容，能為變電站綜合自動(dòng)化提供信息;

(5)智能化。機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)單元作為高壓斷路器的重要組成部分，能實(shí)時(shí)地檢測(cè)斷路器機(jī)械特性參數(shù)的變化信息。充分利用快速發(fā)展的計(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)，使得下一代在線監(jiān)測(cè)裝置向著高靈敏度、高可靠性、高智能和性價(jià)比高的方向發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展，斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)近年來(lái)受到了高度重視，但現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)裝置功能不全，缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累，故障診斷分析能力也存在不足，不能滿足電力系統(tǒng)的要求，仍需加強(qiáng)基礎(chǔ)性的研究。同時(shí)還應(yīng)借鑒和引入小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)，使得斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。

［1］陳圍榮，宋永華，等.電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的概念及現(xiàn)狀［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，21(11):12.

［2］關(guān)永剛，黃瑜瓏，等.基于振動(dòng)信號(hào)的高壓斷路器機(jī)械故障診斷［J］.高電壓技術(shù)，2000，26(3):66.

［3］劉全義，師明義，等.高壓斷路器在線狀態(tài)檢測(cè)與診斷技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2001，27(5):27-29.

［4］易慧，尹項(xiàng)根，胡文平，等.斷路器綜合在線監(jiān)測(cè)分析［J］.水電能源科學(xué)，2006，24(6):87-91.

［5］郭賢珊.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)用技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［6］王艷霞.邵在虎，等.高壓斷路器的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2009，192.

［7］李煜華.高壓短路器在線檢測(cè)技術(shù)綜述［J］.農(nóng)村電工，2009，12:22-23.

［8］陳建志.高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究［J］.電測(cè)與儀表，2007，44(5):27-29.

［9］徐文淵.高壓斷路器狀態(tài)檢修的探索［J］.北京電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，7:112.

［10］李衛(wèi)良.高春雷，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的綜合研究［J］.江蘇電機(jī)工程，27(1)，2008，46-48.

［11］唐專敏，范興明，黃知超，等.高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)的評(píng)估與診斷方法［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(1):78-81.

［12］張磊.中低壓真空斷路器的在線監(jiān)測(cè)［J］.北京:華北電力大學(xué)，2009.

［13］吳忠良.高壓斷路器在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展［J］.電氣開(kāi)關(guān)，2011，1.

［14］殷鳴，王泉，等.SF6高壓斷路器狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)介紹［J］.江蘇電機(jī)工程，2009，28(3):83-84.

［15］徐建源，郎福成，林莘.高壓斷路機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.華通技術(shù)，2005，2:17-22.

［16］高壓斷路器在線檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性及變化分析［EB/OL］.