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廈門國際航空港集團有限公司  蘇毅兵

摘要：在線監測與故障診斷在電氣設備的故障診斷和智能決策領域受到了越來越多的關注。該文闡述了斷路器的各種監測方法，運用小波理論對高壓斷路器進行振動信號的深入分析。

關鍵詞：斷路器；狀態監測；故障診斷

中圖分類號：TM561.5 文獻標志碼：B 文章編號:1003-0867(2007)01-0011-03

傳感器、計算機、光纖等高新技術以及數學理論的應用，以及人工智能技術的發展，為電氣設備的在線監測和故障診斷提供了進一步發展的空間。在高壓斷路器的操作過程中，機械性能的不正常是引起故障的一個重要因素。為了能準確地測量和檢驗高壓斷路器的機械性能，開發和完善測試系統十分必要。外部監測與診斷技術能夠在線判斷斷路器的機械狀況，是提高高壓斷路器可靠性的重要方法。這種監測與診斷方法的運用，能夠有效地延長高壓斷路器檢修和保養的期限。在監測過程中，狀態判別主要關心的是設備系統的整體狀況；而在故障診斷中，狀態分類則是在發現設備異常后，對故障進行分析，確定故障發生的部位、嚴重程度及其原因，為診斷決策提供依據。

1 斷路器在線監測的意義

在線監測系統用于變電站、開閉所、電廠高壓斷路器的機械性能、電氣絕緣性能、觸頭電壽命及操作回路工作狀態的監測，通過綜合分析在線監測的數據和相關歷史數據，診斷高壓斷路器實時的工作狀態，為電氣設備狀態檢修提供決策依據。由于高壓斷路器數量多、檢修量大、費用高，據有關統計資料表明，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。另外，據統計有10%的斷路器故障是由于不正確的檢修所致，斷路器的大修完全解體，既費時間，費用也很高，而且解體和重新裝配會引起很多新的缺陷。在目前相對保守的計劃檢修中，檢修缺乏一定的針對性。

斷路器在線狀態監測系統，能及時了解斷路器的工作狀態、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和經濟性。

2 高壓斷路器的在線監測

2.1 機械振動信號的監測

高壓斷路器是依靠其機械部件的正確動作來完成其職能的，因而每個組成部件的機械可靠性極為重要。根據統計，1990年全國6 kV以上高壓斷路器的故障中，拒分、拒合和誤動作三類共占46%。因此，加強機械故障的監測手段，提前發現潛在故障，對降低設備故障率，以提高電力系統的安全性和高效性具有十分重要的意義。

機械振動信號是一個豐富的信息載體，包含有大量的設備狀態信息，它由一系列瞬態波形構成，每一個瞬態波形都是斷路器操作期間內部"事件"的反映。振動是對設備內部多種激勵源的響應，對高壓斷路器而言，激勵源包括分合閘電磁鐵、儲能機構、脫扣機構、四連桿機構等內部構件的運動。斷路器機械狀態的改變，將導致振動信號的變化，這是利用振動信號作為故障診斷依據的理論基礎。通過適當的檢測手段和信號處理方法，可以識別振動的激勵源，從而找出故障源。

振動信號合分閘的波形分析：

SN10-10型高壓斷路器在合、分閘過程中的振動信號波形見圖1、圖2。

圖1　合閘振動信號波形

對于合閘過程所對應的重要沖擊振動如下：

t₁：支架上合閘接觸器動作所對應的微弱振動（接觸器關合時刻）；

t₂：合閘鐵芯帶動機構傳動連桿開始運動（觸頭系統開始運動時刻）；

t₃：動靜觸頭接觸時刻（主觸頭接觸時刻）；

t₄：合閘緩沖器接入時刻；

t₅：合閘鐵芯運動到頭，對應著支架合閘過程中最大的一次沖擊；

t₆：機構的連桿運動到頭與維持合閘掣子接觸撞擊。

在操作過程中各個沖擊子波與斷路器的運動狀態有一一對應的關系，這為斷路器監測提供了重要數據，通過選擇適當的部位，就有可能從支架或外殼上的振動信號來判斷內部某一特定動作。

圖2　分閘過程波形

對于分閘操作過程，幾個重要沖擊振動如下：

t₁：分閘脫扣電磁鐵與連桿機構撞擊，對應著一個較微弱的振動；

t₂：機構連桿解列，分閘彈簧開始驅動傳動機構及觸頭系統運動，對應著分閘過程中最大的沖擊振動。

t₃：主觸頭分離時刻；

t₄：動觸頭運動到頭，制動緩沖所對應的沖擊，也是一個比較強烈的振動信號。

在斷路器合閘過程振動波形中，最大值發生的時刻是不同的，可以作出如下的解釋：在實際情況中，當基座螺絲松動時，振動傳感器得到的振動信號包括操作引起和操動機構與機架撞擊引起的振動，這兩種振動疊加起來，使振動信號同正常操作的表現不同，故障振動明顯延后，小波變換將這種不同比較明顯的表現出來。止位墊片對觸頭有緩沖作用，當斷路器合閘時，由于墊片的松動使得動觸頭較快的運動到頭，而產生振動，表現為出現極大值的時間比正常狀態超前的狀態。在實際工程應用中，可以將振動信號的幅值和振動事件發生的時間段作為特征參量進行故障診斷。

2.2 斷路器合、分閘線圈電流的監測

高壓斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第一級控制元件，操動機構中使用的絕大部分是直流電磁鐵。當線圈中通過電流時，在電磁鐵內產生磁通，動鐵芯受磁力吸引，使斷路器分閘或合閘。從能量角度看，電磁鐵的作用是把來自電源的電能轉化為磁能，并通過動鐵芯的動作，再轉換成機械能輸出。合、分閘線圈的電流中含有可作為診斷機械故障用的豐富信息，可以選用補償式電流傳感器監測電流信號。對線圈電流的監測主要是提取事件發生的相對時刻，根據時間間隔來判斷故障征兆，對于診斷拒動、誤動故障有效。

2.3 斷路器行程、速度的監測

位移量采集是靠光電式行程傳感器來實現的。其工作原理如下：把旋轉光柵安裝在斷路器操動機構的主軸上，利用光柵和光電斷續的相對運動，經光電轉換，將速度行程信號轉換為電信號。經數據處理后可得斷路器操作過程中的行程和速度隨時間的變化關系。據此可計算出以下參數：動觸頭行程、超行程、分合及分前10 ms內平均值等。通過觸頭的時間—行程信號，可以提取觸頭運動過程中各個事件發生的時刻。根據事件時間來診斷故障，這種方法可以診斷斷路器機械部分磨損、疲勞老化、變形、生銹、閥的緩慢動作等故障。