斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)分/合閘彈簧的狀態(tài)診斷

郭博文 李 楠 李松原 李 琳 趙 聰

斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)分/合閘彈簧的狀態(tài)診斷

郭博文 李 楠 李松原 李 琳 趙 聰

（國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300392）

為保證斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行，本文提出一種針對彈簧操動機(jī)構(gòu)分/合閘彈簧的狀態(tài)診斷方法。通過分析彈簧在斷路器儲能過程和分/合閘動作過程中的動作特性，提取儲能過程中電機(jī)有效輸出功和分/合閘過程中的動作速度作為診斷彈簧性能的特征參數(shù)，分析闡述基于對特征參數(shù)判斷的分/合閘彈簧狀態(tài)診斷流程，設(shè)計(jì)分/合閘彈簧狀態(tài)診斷系統(tǒng)，并結(jié)合CT20彈簧操動機(jī)構(gòu)對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過對新舊分/合閘彈簧進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，證明所提出的分/合閘彈簧狀態(tài)診斷方法簡單、準(zhǔn)確，具有良好的診斷效果。

彈簧操動機(jī)構(gòu)；特征參數(shù)；電機(jī)有效輸出功；分/合閘速度；彈簧狀態(tài)；診斷方法

0 引言

彈簧操動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，是高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)中最常見且使用最廣泛的形式。在長期的運(yùn)行過程中，彈簧操動機(jī)構(gòu)中的核心部件——分/合閘彈簧長時間處于壓縮或拉伸的狀態(tài)[2]。隨著服役時間的增長，彈簧會出現(xiàn)疲勞、蠕變、應(yīng)力松弛等現(xiàn)象[3]，導(dǎo)致斷路器分/合閘速度減小，分/合閘時間增長，嚴(yán)重時甚至造成斷路器拒動，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用操動機(jī)構(gòu)的多種特征信號對斷路器的機(jī)械故障進(jìn)行了診斷研究。文獻(xiàn)[5]提出一種合閘彈簧動態(tài)特性及儲能狀態(tài)檢測方法，對合閘過程中彈簧的加速度信號進(jìn)行分段分析，求取空間距離和本征頻率的加權(quán)歐氏距離，作為合閘彈簧儲能狀態(tài)的特征參數(shù)，該方法可以對合閘彈簧進(jìn)行檢測，但其無法對分閘彈簧進(jìn)行檢測診斷。文獻(xiàn)[6]通過監(jiān)測斷路器的分合閘速度、時間、同期性等參數(shù)對斷路器的整體性能進(jìn)行評判，但沒有對彈簧狀態(tài)進(jìn)行評判，且監(jiān)測過程復(fù)雜，不適宜在現(xiàn)場使用。上述研究雖然取得了一定成果，但尚未有有效診斷斷路器分/合閘彈簧狀態(tài)的方法。

為解決上述問題，本文提出一種斷路器分/合閘彈簧狀態(tài)的診斷方法。通過分析彈簧操動機(jī)構(gòu)的動作特性，提取電機(jī)有效輸出功、分/合閘速度作為診斷彈簧狀態(tài)的特征參數(shù)，提出基于特征參數(shù)的診斷流程。以CT20彈簧操動機(jī)構(gòu)作為模擬實(shí)驗(yàn)平臺，選取新舊分/合閘彈簧作為實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行診斷驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提出的方法可以不使用壓力參數(shù)就能對彈簧狀態(tài)進(jìn)行有效診斷。

1 彈簧操動機(jī)構(gòu)動作特性

彈簧操動機(jī)構(gòu)是一種以彈簧作為儲能元件的機(jī)械式操動機(jī)構(gòu)。彈簧操動機(jī)構(gòu)的動作過程如圖1所示[7]。

圖1 彈簧操動機(jī)構(gòu)的動作過程

合閘動作時，合閘線圈接收到合閘控制信號，鎖扣借助磁力脫扣，合閘彈簧釋放能量，經(jīng)過機(jī)械傳遞單元使觸頭運(yùn)動。合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能。合閘動作結(jié)束后，儲能電機(jī)立即起動工作，為合閘彈簧儲能。分閘動作時，分閘線圈接收到分閘信號，鎖扣借助磁力脫扣，分閘彈簧釋放能量，經(jīng)過機(jī)械傳遞單元使觸頭運(yùn)動[8]。

1.1 合閘彈簧儲能過程

斷路器合閘動作后，限位開關(guān)閉合，接通電動機(jī)回路，使儲能電機(jī)起動，帶動合閘儲能彈簧儲能，儲能完畢后，經(jīng)過鎖扣系統(tǒng)使其保持在儲能狀態(tài)。以CT20為例分析合閘彈簧在儲能動作過程中的受力情況，如圖2所示。

點(diǎn)代表儲能電機(jī)驅(qū)動的主動軸，為合閘彈簧的位置，為合閘彈簧活動端。儲能時，搖臂隨軸順時針旋轉(zhuǎn)，拉動彈簧導(dǎo)程桿運(yùn)動，合閘彈簧壓縮儲能。合閘彈簧活動端點(diǎn)在軸上隨著旋轉(zhuǎn)角的變化而運(yùn)動，當(dāng)為0°時，彈簧處于釋能狀態(tài)，當(dāng)為180°時，彈簧處于儲能狀態(tài)。儲能電機(jī)的動作帶動點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，使完成0°～180°旋轉(zhuǎn)，彈簧的受力過程可用式（1）～式（4）表示[9]。

圖2 斷路器儲能過程受力示意圖

式中：D為的距離；為的長度；為的長度；為的距離；D*為力在上動作的距離；D為力在上動作的距離；為電機(jī)出力；為彈簧系數(shù)。

在CT20的彈簧操動機(jī)構(gòu)中，為50mm，為600mm，為150mm。根據(jù)式（1）～式（4）和操動機(jī)構(gòu)中各部件的實(shí)際長度及圖2中與的三角幾何關(guān)系，可得電機(jī)出力和轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 電機(jī)出力F和轉(zhuǎn)角a的關(guān)系曲線

儲能電機(jī)出力所做的功轉(zhuǎn)化到合閘彈簧中儲存起來，表明電機(jī)有效輸出功可以反映合閘彈簧儲能時的狀態(tài)性能。根據(jù)式（5）積分計(jì)算可得電機(jī)在合閘過程中的輸出功。

在合閘彈簧運(yùn)動過程中，儲能電機(jī)有效輸出電流-時間曲線如圖4所示[10]。根據(jù)能量守恒定律，儲能電機(jī)所消耗的電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)壓縮彈簧所輸出的功，由此可得

式中：為儲能電機(jī)消耗的電能；為儲能電機(jī)的額定電壓；()為儲能電機(jī)電流；2～4為儲能電機(jī)的有效工作時間。

因此，可以把電機(jī)有效輸出功作為判斷斷路器合閘彈簧狀態(tài)的特征參數(shù)。

圖4 儲能電機(jī)電流-時間曲線

1.2 分/合閘動作過程

根據(jù)彈簧運(yùn)動過程中的能量變化，具體分析分/合閘動作過程。

式中：S為儲能電機(jī)存儲在合閘彈簧上的能量；0為斷路器分閘彈簧所儲存的能量；1為斷路器合閘彈簧用來合閘的能量。斷路器合閘時，合閘彈簧釋放的一部分能量驅(qū)動操動機(jī)構(gòu)和絕緣拉桿運(yùn)動，使動靜觸頭接觸，完成合閘操作；另一部分能量用來壓縮分閘彈簧，使分閘彈簧儲能。斷路器分閘時，存儲在分閘彈簧內(nèi)的能量釋放，使動靜觸頭分開，完成分閘操作。

利用“功能關(guān)系”分析彈簧能量與彈簧速度之間的關(guān)系。在物理學(xué)中，質(zhì)量為的物體在驅(qū)動力的作用下，克服阻力z、運(yùn)動行程后，速度從1增加至2，可得

如果在運(yùn)動過程中，與z都在變化，則式（8）改寫為

根據(jù)斷路器操動過程中的彈簧運(yùn)動特性，彈簧的負(fù)載等效質(zhì)量()為一變量，其值隨彈簧的形變量而變化，()為彈簧儲能高度為時負(fù)載部件的等效質(zhì)量[11]。彈簧與負(fù)載的受力示意圖如圖5所示。

圖5 彈簧與負(fù)載的受力示意圖

由運(yùn)動學(xué)方程可知，()也為一變量，其值同樣隨彈簧的形變量而變化，則有

式中：為彈簧剛度；()為彈簧儲能高度為時彈簧的力值。

根據(jù)()、()與彈簧形變量的關(guān)系，可以將式（9）改寫為

計(jì)算斷路器彈簧運(yùn)動速度時，運(yùn)動部分總是由靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動，因此在=0行程開始處1=0。任一行程處的運(yùn)動速度可由下式計(jì)算，即

由式（13）得出，只要知道彈簧力值()與彈簧負(fù)載等效質(zhì)量()的變化情況，即能計(jì)算出任一行程的物體運(yùn)動速度。

因此，可以用分閘彈簧的運(yùn)動速度f來反映分閘彈簧的狀態(tài)性能，用合閘彈簧的運(yùn)動速度h來反映合閘彈簧的狀態(tài)性能。同時，依據(jù)分/合閘彈簧能量傳遞關(guān)系，合閘彈簧的運(yùn)動速度h也可以來反映分閘彈簧的儲能狀態(tài)。所以，選取分閘速度（包括剛分速度和平均分閘速度）、合閘速度（包括剛合速度和平均合閘速度）作為特征參數(shù)。

2 診斷方法

2.1 特征參數(shù)的采集和提取

根據(jù)分/合閘彈簧的運(yùn)動和儲能過程，采用電流互感器獲取儲能電機(jī)在斷路器儲能過程中的電流-時間曲線，采用角位移傳感器獲得分/合閘動作行 程-時間曲線。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算分析，提取反映分/閘彈簧狀態(tài)的特征參數(shù)。

1）電機(jī)有效輸出功

對于交流儲能電機(jī)得到的電流-時間曲線，對其進(jìn)行希爾伯特變換，提取包絡(luò)線，并進(jìn)行濾波去噪處理后，選取電機(jī)在有效工作時間內(nèi)的波形，根據(jù)式（6）進(jìn)行積分運(yùn)算，得到電機(jī)有效輸出功。對于直流儲能電機(jī)得到的曲線，可直接對其進(jìn)行積分運(yùn)算，得到電機(jī)有效輸出功。

2）分/合閘速度

在斷路器合閘動作行程曲線中，去掉首尾各10%的行程后，利用剩余80%的行程曲線段計(jì)算合閘彈簧平均速度，觸頭合閘行程曲線如圖6所示。

圖6 觸頭合閘行程曲線

式中：P1為合閘彈簧的平均速度（m/s）；為斷路器合閘的有效行程；D為0.8行程對應(yīng)的時間。

將合閘行程曲線微分后得到合閘速度-時間曲線，該曲線配合斷路器觸頭的分?jǐn)鄷r間可得到斷路器的剛合速度。

同理，從斷路器分閘動作行程-時間曲線和分閘速度-時間曲線中可得斷路器平均分閘速度和剛分速度。

2.2 分/合閘彈簧狀態(tài)診斷方法

通過對彈簧儲能過程和分/合閘過程的分析，可利用電機(jī)有效輸出功、分閘速度和合閘速度作為特征參數(shù)來診斷分/合閘彈簧狀態(tài)。

分/合閘彈簧狀態(tài)診斷流程如圖7所示，分為以下幾個步驟：

1）操動斷路器完成分/合閘動作和儲能動作過程，采集和提取電機(jī)有效輸出功、分/合閘速度等特征參數(shù)。

2）電機(jī)有效輸出功反映合閘彈簧的狀態(tài)，通過分析儲能電機(jī)輸出功對合閘彈簧進(jìn)行第一次診斷。儲能電機(jī)輸出功在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，合閘彈簧的狀態(tài)良好，進(jìn)行下一步診斷；未在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，合閘彈簧的狀態(tài)已不能滿足斷路器動作要求，診斷結(jié)束，診斷結(jié)果為合閘彈簧需要及時維修或更換。

圖7 分/合閘彈簧狀態(tài)診斷流程

3）分閘速度反映分閘彈簧的狀態(tài)，通過分析分閘速度對分閘彈簧進(jìn)行第一次診斷。分閘速度在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，分閘彈簧的狀態(tài)良好，進(jìn)行下一步診斷；未在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，分閘彈簧的狀態(tài)已不能滿足斷路器動作要求，診斷結(jié)束，診斷結(jié)果為分閘彈簧需要及時維修或更換。

4）合閘速度大小可以反映分/合閘彈簧的狀態(tài)。通過合閘速度對分/合閘彈簧的狀態(tài)進(jìn)行二次診斷驗(yàn)證。二次診斷可以有效避免由于測量誤差引起的一次誤診。合閘速度在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，診斷結(jié)束，診斷結(jié)果為分/合閘彈簧的狀態(tài)良好；未在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，分/合閘彈簧狀態(tài)異常，診斷結(jié)束，診斷結(jié)果為分/合閘彈簧已不能滿足斷路器動作要求，需要及時維修或更換。

3 診斷裝置的設(shè)計(jì)

3.1 診斷裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)分/合閘儲能彈簧狀態(tài)診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。上位機(jī)為工控計(jì)算機(jī)，通過USB總線控制下位機(jī)CPU的工作。停電檢修時，上位機(jī)控制CPU完成分/合閘、儲能動作過程。在該過程中，數(shù)據(jù)采集卡采集各個傳感器的輸出值，并上傳至上位機(jī)進(jìn)行特征參數(shù)的提取，通過上位機(jī)對分/合閘彈簧的狀態(tài)進(jìn)行有效診斷。

圖8 狀態(tài)診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 傳感器的選擇與安裝位置的設(shè)計(jì)

根據(jù)CT20系列彈簧操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械特點(diǎn)選擇設(shè)計(jì)安裝傳感器。

1）角位移傳感器的選擇及安裝位置的設(shè)計(jì)

為有效地獲取分/合閘行程曲線，系統(tǒng)使用角位移傳感器監(jiān)測主傳動軸的轉(zhuǎn)速[12]。在斷路器動作過程中，角位移傳感器隨著主軸以相同速度轉(zhuǎn)動，其輸出信號直接反映了斷路器動觸頭運(yùn)動的速度大小。通過A/D采集卡的采集，后在上位機(jī)中進(jìn)行信號處理，得到分/合閘行程-時間曲線，再經(jīng)微分處理后得到分/合閘彈簧的速度-時間曲線。

2）電流互感器的選擇

CT20彈簧操動機(jī)構(gòu)采用的單相交流電機(jī)，其額定功率300W，額定電壓AC 220V，額定電流為4A。采用穿心式電流互感器對儲能電機(jī)電流進(jìn)行測量[13-14]，其量程為100A，電機(jī)電源線安放在電流互感器的穿心孔中進(jìn)行測量。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺

模擬實(shí)驗(yàn)平臺為CT20型彈簧操動機(jī)構(gòu)。使用自主研發(fā)制造的斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)分/合閘彈簧狀態(tài)診斷系統(tǒng)進(jìn)行診斷，操動機(jī)構(gòu)配備與LW25—126斷路器負(fù)載等重的模擬負(fù)載，現(xiàn)場測試如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場測試

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取同一廠家生產(chǎn)的兩組CT20彈簧操動機(jī)構(gòu)及配套分/合閘彈簧，如圖10所示。

圖10 CT20斷路器彈簧

其中，A組為全新彈簧，分/合彈簧結(jié)構(gòu)完整，彈簧表面無裂紋、光滑且無銹蝕，彈簧出廠參數(shù)見表1和表2。B組為運(yùn)行17年的舊彈簧，舊分/合閘彈簧同樣結(jié)構(gòu)完整，但運(yùn)行時間較長，動作次數(shù)多，且彈簧表面有一定程度的銹蝕，可能會有疲勞、應(yīng)力松弛等現(xiàn)象。對A、B兩組的分/合閘彈簧狀態(tài)特征參數(shù)分別進(jìn)行檢測，得到新舊分/合閘彈簧的實(shí)驗(yàn)診斷數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)本文所提出的方法對彈簧狀態(tài)進(jìn)行診斷，A組分/合閘彈簧的力學(xué)性能參數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，性能優(yōu)良；B組電機(jī)有效輸出功在正常范圍內(nèi)，說明其合閘彈簧的性能良好，而分閘彈簧的剛分速度和平均分閘速度低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明分閘彈簧已不能滿足斷路器動作要求，需要及時更換或處理。

表1 新舊分/合閘彈簧的實(shí)驗(yàn)診斷數(shù)據(jù)

CT20型彈簧操動機(jī)構(gòu)分閘彈簧參數(shù)見表2。為了進(jìn)一步驗(yàn)證B組分閘彈簧的狀態(tài)，在彈簧壓力試驗(yàn)機(jī)上將B組分閘彈簧壓縮至儲能高度342mm，測得彈簧壓力值為15 800N，對比分析表2中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，可得B組分閘彈簧壓縮后的儲能力值減小，彈簧本身出現(xiàn)應(yīng)力松弛、儲能不足的現(xiàn)象，因此，導(dǎo)致分閘速度降低。

表2 CT20型彈簧操動機(jī)構(gòu)分閘彈簧參數(shù)

通過上述結(jié)果可以看出，斷路器的分、合閘彈簧狀態(tài)與系統(tǒng)診斷所得的狀態(tài)結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了診斷方法的有效性。

5 結(jié)論

本文主要對斷路器分/合閘彈簧的狀態(tài)診斷進(jìn)行了研究：

1）根據(jù)斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)的動作特性，分析了電機(jī)輸出功與合閘彈簧儲能的關(guān)系，以及分/合閘速度與分/合閘彈簧壓縮能量的關(guān)系。

2）使用角位移傳感器和電流互感器對分/合閘動作和儲能過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行特征參數(shù)提取。

3）在CT20彈簧操動機(jī)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺上對兩組新舊分/合閘彈簧分別進(jìn)行了狀態(tài)診斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，本文所提出的診斷方法能夠有效評估高壓斷路器的分/合閘彈簧的狀態(tài)，為斷路器彈簧的狀態(tài)檢修提供了依據(jù)。

[1] IEEE guide for the selection of monitoring for circuit breakers: IEEE Std. C37.10.1—2000[S]. IEEE, 2001.

[2] SU S, LI K K, CHAN W L, et al. A practical circuit breaker monitoring system[C]//2005 Industry Appli- cations Conference: Fourtieth IAS Annual Meeting, Hong Kong, China, 2005, 2: 867-872.

[3] 周爽. 交流高壓斷路器[M]. 北京: 中國電力出版社, 2015.

[4] 張國寶, 楊為, 朱勝龍, 等. 一起CT20型彈簧機(jī)構(gòu)斷路器拒分故障原因分析及處理[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(12): 91-93.

[5] 李鵬飛, 周文俊, 曾國, 等. 高壓斷路器合閘彈簧動態(tài)特性及儲能狀態(tài)檢測方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(3): 104-112.

[6] 張國棟. 高壓斷路器分合閘周期在線檢測裝置研究[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(7): 37-41, 51.

[7] 徐國政. 高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000.

[8] MEI Fei, MEI Jun, ZHENG Jianyong, et al. Research on a modified judgment method of the closing moment for on-line monitoring system of high voltage circuit breaker[C]//2012 International Conference on Com- puter Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring, Zhangjiajie, 2012: 551-555.

[9] 陳保倫, 文亞寧. 斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)介紹[J]. 高壓電器, 2010, 46(10): 75-80.

[10] 黃新波, 陶晨, 劉斌. 智能斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測技術(shù)和狀態(tài)評估[J]. 高壓電器, 2015, 51(3): 129- 134, 139.

[11] 賈延超, 劉廣斧. 高壓真空斷路器分閘速度計(jì)算[J]. 電氣制造, 2012(7): 58-60, 73.

[12] 馬存樂, 楊得泉. 基于加速度傳感器測量高壓斷路器速度、位移特性的研究[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(1): 58-62, 67.

[13] 楊秋玉, 阮江軍, 張燦, 等. 基于定量遞歸分析的高壓斷路器機(jī)械缺陷辨識及應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(18): 3848-3859.

[14] 程學(xué)珍, 朱曉林, 杜彥鑌, 等. 基于神經(jīng)模糊Petri網(wǎng)的高壓斷路器故障診斷研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(11): 2535-2544.

State diagnosis for closing/opening spring in the spring operating mechanism of circuit breaker

GUO Bowen LI Nan LI Songyuan LI Lin ZHAO Cong

(Electric Power Research Institute of Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300392)

In order to ensure safe and reliable operation of the spring operating mechanism, a method of spring’s state diagnosis in spring operating mechanism is proposed. Through analyzing the spring’s operation characteristic in storing process and in closing/opening process, the effective output of motor in storing process and the closing/opening speed are extracted, which are used as characteristic parameters to diagnose spring’s state. The diagnosis process of closing/opening spring’s state is specifically analyzed and described based on the judgment of characteristic parameters. The diagnosis system of closing/opening spring’s state is designed, and it is verified by combining with the CT20 spring operating mechanism. Through the contrast experiment of old and new closing/opening spring, the proposed diagnosis method for opening/closing spring is validated to be simple and accurate, and the result of the diagnosis is very well.

spring operating mechanism; characteristic parameters; the effective output of motor; the opening or closing speed; state of spring; diagnosis method

2021-01-19

2021-03-10

郭博文（1992—），男，天津人，碩士，工程師，從事高壓試驗(yàn)、設(shè)備故障診斷技術(shù)等工作。