高压断路器在线监测与故障诊断11

高压断路器在线监测与故障诊断摘要：在线监测与故障诊断在电气设备的故障诊断和智能决策领域受到了越来越多的关注。

该文阐述了断路器的各种监测方法，运用小波理论对高压断路器进行振动信号的深入分析。

关键词：断路器；状态监测；故障诊断传感器、计算机、光纤等高新技术以及数学理论的应用，以及人工智能技术的发展，为电气设备的在线监测和故障诊断提供了进一步发展的空间。

在高压断路器的操作过程中，机械性能的不正常是引起故障的一个重要因素。

为了能准确地测量和检验高压断路器的机械性能，开发和完善测试系统十分必要。

外部监测与诊断技术能够在线判断断路器的机械状况，是提高高压断路器可靠性的重要方法。

这种监测与诊断方法的运用，能够有效地延长高压断路器检修和保养的期限。

在监测过程中，状态判别主要关心的是设备系统的整体状况；而在故障诊断中，状态分类则是在发现设备异常后，对故障进行分析，确定故障发生的部位、严重程度及其原因，为诊断决策提供依据。

1 断路器在线监测的意义在线监测系统用于变电站、开闭所、电厂高压断路器的机械性能、电气绝缘性能、触头电寿命及操作回路工作状态的监测，通过综合分析在线监测的数据和相关历史数据，诊断高压断路器实时的工作状态，为电气设备状态检修提供决策依据。

由于高压断路器数量多、检修量大、费用高，据有关统计资料表明，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60%又是用于断路器的小修和例行检修上。

另外，据统计有10%的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。

在目前相对保守的计划检修中，检修缺乏一定的针对性。

断路器在线状态监测系统，能及时了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济性。

2 高压断路器的在线监测2.1 机械振动信号的监测高压断路器是依靠其机械部件的正确动作来完成其职能的，因而每个组成部件的机械可靠性极为重要。

根据统计，1990年全国6 kV以上高压断路器的故障中，拒分、拒合和误动作三类共占46%。

因此，加强机械故障的监测手段，提前发现潜在故障，对降低设备故障率，以提高电力系统的安全性和高效性具有十分重要的意义。

机械振动信号是一个丰富的信息载体，包含有大量的设备状态信息，它由一系列瞬态波形构成，每一个瞬态波形都是断路器操作期间内部事件的反映。

振动是对设备内部多种激励源的响应，对高压断路器而言，激励源包括分合闸电磁铁、储能机构、脱扣机构、四连杆机构等内部构件的运动。

断路器机械状态的改变，将导致振动信号的变化，这是利用振动信号作为故障诊断依据的理论基础。

通过适当的检测手段和信号处理方法，可以识别振动的激励源，从而找出故障源。

振动信号合分闸的波形分析：SN10-10型高压断路器在合、分闸过程中的振动信号波形见图1、图2。

图1 合闸振动信号波形对于合闸过程所对应的重要冲击振动如下：t1：支架上合闸接触器动作所对应的微弱振动（接触器关合时刻）；t2：合闸铁芯带动机构传动连杆开始运动（触头系统开始运动时刻）；t3：动静触头接触时刻（主触头接触时刻）；t4：合闸缓冲器接入时刻；t5：合闸铁芯运动到头，对应着支架合闸过程中最大的一次冲击；t6：机构的连杆运动到头与维持合闸掣子接触撞击。

在操作过程中各个冲击子波与断路器的运动状态有一一对应的关系，这为断路器监测提供了重要数据，通过选择适当的部位，就有可能从支架或外壳上的振动信号来判断内部某一特定动作。

图2 分闸过程波形对于分闸操作过程，几个重要冲击振动如下：t1：分闸脱扣电磁铁与连杆机构撞击，对应着一个较微弱的振动；t2：机构连杆解列，分闸弹簧开始驱动传动机构及触头系统运动，对应着分闸过程中最大的冲击振动。

t3：主触头分离时刻；t4：动触头运动到头，制动缓冲所对应的冲击，也是一个比较强烈的振动信号。

在断路器合闸过程振动波形中，最大值发生的时刻是不同的，可以作出如下的解释：在实际情况中，当基座螺丝松动时，振动传感器得到的振动信号包括操作引起和操动机构与机架撞击引起的振动，这两种振动叠加起来，使振动信号同正常操作的表现不同，故障振动明显延后，小波变换将这种不同比较明显的表现出来。

止位垫片对触头有缓冲作用，当断路器合闸时，由于垫片的松动使得动触头较快的运动到头，而产生振动，表现为出现极大值的时间比正常状态超前的状态。

在实际工程应用中，可以将振动信号的幅值和振动事件发生的时间段作为特征参量进行故障诊断。

2.2 断路器合、分闸线圈电流的监测高压断路器一般都以电磁铁作为操作的第一级控制元件，操动机构中使用的绝大部分是直流电磁铁。

当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，动铁芯受磁力吸引，使断路器分闸或合闸。

从能量角度看，电磁铁的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过动铁芯的动作，再转换成机械能输出。

合、分闸线圈的电流中含有可作为诊断机械故障用的丰富信息，可以选用补偿式电流传感器监测电流信号。

对线圈电流的监测主要是提取事件发生的相对时刻，根据时间间隔来判断故障征兆，对于诊断拒动、误动故障有效。

2.3 断路器行程、速度的监测位移量采集是靠光电式行程传感器来实现的。

其工作原理如下：把旋转光栅安装在断路器操动机构的主轴上，利用光栅和光电断续的相对运动，经光电转换，将速度行程信号转换为电信号。

经数据处理后可得断路器操作过程中的行程和速度随时间的变化关系。

据此可计算出以下参数：动触头行程、超行程、分合及分前10 ms内平均值等。

通过触头的时间—行程信号，可以提取触头运动过程中各个事件发生的时刻。

根据事件时间来诊断故障，这种方法可以诊断断路器机械部分磨损、疲劳老化、变形、生锈、阀的缓慢动作等故障。

2.4 开断电流累计监测在分闸过程中，由高压电流互感器和二次电流传感器测量高压断路器的主电流波形，通过测量触头每次开断电流，经过数据处理得到该次开断电流的有效值，然后根据计算：当为开断电流的加权累计值，其值超过阈值时，则表明应该检修、更换，从而间接的反映触头的磨损情况。

2.5 合、分闸时间同期测量关于合分闸时间及同期的测量电路原理，如图3所示。

在断路器断口上下接线端子接上测量信号线，当断路器合上时，信号线上有电流流过，经光电隔离器、电压比较器，输出高电平信号；当断路器分开时，信号线上无电流通过，输出信号是低电平。

测量系统以一定时间周期同时读取所有断口的信号，以操作线圈电流信号为起点，计算出各相各断口的分合闸时间和相间的同期差。

这种技术只能用于临时性监测。

图3 离线测量原理图2.6 合闸弹簧状态监测直接监测：应用压力传感器，通过测量合闸弹簧压力值的大小，判断弹簧压缩状态。

这种方法需要在机构上安装压力传感器。

间接监测：应用电流传感器，通过测量储能电动机的工作电流变换及工作时间，监测合闸弹簧的状态，通过分析电流波形得到电流特征参数的变化，从而反映弹簧状态的变化。

2.7 动态电阻监测一般的SF6断路器有主触头和弧触头，灭弧主要靠弧触头，断路器在闭合状态时，测得的回路电阻是主触头接触电阻和弧触头接触电阻的并联值。

一般情况下，主触头接触电阻比弧触头接触电阻小得多，所以所测回路电阻无法反映弧触头的烧损情况。

在分闸过程中，主触头先分离，开断电流转移到弧触头上，弧触头间先出现电弧，借助灭弧装置不能发挥作用，这样会导致断路器烧损。

从主触头分离到弧触头分离这段时间称为有效接触时间，其行程称为有效接触行程。

只有保证弧触头有足够有效接触行程和时间才能使断路器顺利灭弧。

通过检测断路器动作过程中的回路电阻变化曲线，可以不用拆开断路器就能得到弧触头的有效接触时间，这种检测方法称为动态回路检测，测得的电阻称为动态回路电阻，用以区别通常的在断路器闭合时测得的回路电阻，后者称为静态回路电阻。

2.8 真空度检测现有对真空度测定的方法主要有：观察法，仅仅适用于对玻璃外壳的真空灭弧室，并且只能作为经验判断，参考使用；交流耐压法，在分闸状态下的真空断路器的触头施加交流电压，根据电压施加过程中相关参数的变化来判定真空度，但这种方法只能为真空灭弧室的真空状况提供一个粗略的判断，不能判断真空度的变化趋势，只是一个定性的判断方法，有时和实际结果并不一致；火花计法，这种方法也仅适用于玻璃管真空灭弧室，使用时，让火花探漏仪在灭弧室表面移动，根据高频电场作用下不同的发光情况来判断真空度。

综上所述，真空度的测量，目前仅仅停留在原理的探讨上，如果一定要实现在线监测，尚无经济而安全的方法。

3 高压断路器的振动信号处理断路器每次的合闸或者分闸操作，都会引起若干次振动事件，每个振动事件都对应着特定的幅值、频率及衰减指数。

当断路器发生故障时，在断路器的故障信号中，必然会引起意外的振动事件，这使得整个振动信号在特定频段内振动，频率、幅值及衰减指数都可能发生变化，这些就可以作为判断的依据。

如果断路器运行正常，变化应在有限的幅度和范围之内，并且应在平均值的上下随机波动。

在操作中，如果在某些点上的变化大大超出平均值或者在某一方向上有规律的迁移，就可能检测出问题。

在断路器的振动信号中，包含许多尖峰和突变部分，而且噪声也不是平稳的，因此应当对信号进行预处理，将信号的噪声部分去除，提取有用信号。

由于小波分析能同时在频率域中对信号进行分析（且在频率域内分辨率高时，时间域内分辨则低，在频率域内分辨率低时，时间域内分辨率则高），所以能有效地区分信号中的突变部分和噪声，从而实现信号的消噪。

4 国内外断路器在线状态监测与故障诊断纵观国内外电气设备状态监测的研究和应用状况，已投入使用的状态监测装置或系统，还存在一些问题和不足。

主要表现在以下几个方面：•对在线监测项目缺乏统一的管理。

研制在线监测装置和系统的厂商很多，但投放市场的产品缺少统一的考核和认证。

•监测系统本身存在可靠性问题。

主要表现在装置自身性能不稳定、抗干扰能力差、测得的数据准确度不高，甚至起不到状态监测系统应有的作用。

•现场工作人员缺乏对监测系统操作、管理的相关知识，也是造成系统不能正常运行的原因。

•供货单位对产品质量缺乏应有的监督机制，售后服务不完善，排除故障不及时，造成系统瘫痪或不能正常运作。

以下是对电气设备状态监测研究的几点看法：•针对执行机构拒动和误动，加强对操动机构和二次部分的状态监测。

•提高状态监测装置自身的电磁兼容、抗干扰性能。

•系统自身的可靠性研究，监测装置应具备自诊断功能。

•一个系统具有多状态、多设备的监测功能，减少监测系统的复杂性和监测装置的冗余。

•规范接口、通信标准，增强监测系统的开放性和其他监测装置的兼容性。

•充分利用先进的计算机技术、通信技术、信号处理和人工智能技术，使下一代状态监测装置向着高灵敏度、高可靠性、智能价廉的方向发展。