高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其展望

南網(wǎng)昆明供電局 袁 峻

在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，高壓真空斷路器是十分關(guān)鍵的設(shè)施，如常用的10kV斷路器，可以對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)和管理。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)穩(wěn)定成為關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要問題。然而伴隨高壓真空斷路器運(yùn)用范圍的增大，高壓真空斷路器的故障數(shù)量也漸漸增多。斷路器是否正常對(duì)于電力系統(tǒng)的安全程度有重大影響，立足于架構(gòu)層面剖析，高壓真空斷路器包括支架、真空滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)等因素。根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議調(diào)查，高壓真空斷路器故障中80%為機(jī)械故障，因此可針對(duì)高壓真空斷路器機(jī)械特性進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合其機(jī)械特性信號(hào)為在線監(jiān)測(cè)與故障診斷提供依據(jù)[1]。

基于該背景，本論文深入剖析了高壓真空斷路器在機(jī)械層面的特點(diǎn)、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用所需的條件，基于高壓真空斷路器機(jī)械特性和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)使用的現(xiàn)實(shí)情況，闡述其將來的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

1 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.1 高壓真空斷路器構(gòu)成

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，高壓真空斷路器是不可缺少的重要設(shè)備，用來對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與管理。高壓真空斷路器組主要由導(dǎo)電部分、絕緣部分、操動(dòng)系統(tǒng)以及滅弧裝置和接觸系統(tǒng)構(gòu)成，其中導(dǎo)電部分能確保高壓真空斷路器長(zhǎng)時(shí)間通電；絕緣部分能確保高壓真空斷路器對(duì)地絕緣、斷口絕緣以及相間絕緣；操動(dòng)系統(tǒng)能控制高壓真空斷路器的分合閘、控制器動(dòng)靜觸頭的隔斷；滅弧和接觸系統(tǒng)大多使用在電路接通與斷開等方面。對(duì)于高壓真空斷路器而言操動(dòng)系統(tǒng)是最關(guān)鍵的組成因素，可保證高壓真空斷路器穩(wěn)定運(yùn)行，保證長(zhǎng)期動(dòng)作靈活。

1.2 高壓真空斷路器故障類型

高壓真空斷路器所出現(xiàn)的故障類型能分成誤動(dòng)故障與拒動(dòng)故障。拒動(dòng)故障主要是由于機(jī)械原因和電氣原因引發(fā)的分合閘故障，操動(dòng)系統(tǒng)及其傳動(dòng)系統(tǒng)所引發(fā)的故障占拒動(dòng)故障的60%以上，主要包括機(jī)械卡澀、軸銷松斷、部件變形移位等故障類型；電氣故障是由于電氣控制所引發(fā)的拒動(dòng)故障，包括保險(xiǎn)絲熔斷、二次接線失敗等類型。引發(fā)誤動(dòng)故障的主因包括彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障、液壓機(jī)構(gòu)故障及二次回路故障等類型。從高壓真空斷路器的故障看，操動(dòng)系統(tǒng)所引發(fā)故障占80%以上，且其操動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)引發(fā)相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)。通過監(jiān)測(cè)操動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)操動(dòng)系統(tǒng)的在線監(jiān)控，為其故障檢測(cè)與診斷提供依據(jù)。

1.3 在線監(jiān)測(cè)基本內(nèi)容

依托機(jī)械系統(tǒng)，高壓真空斷路器有效進(jìn)行開閘與合閘等操作，進(jìn)而對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)與管理。對(duì)于電路系統(tǒng)而言，高壓真空斷路器機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性是確保其穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以斷路器機(jī)械性信號(hào)為根基，搜集有關(guān)信號(hào)且進(jìn)行精準(zhǔn)提取，進(jìn)而為科學(xué)評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行情況提供可靠根據(jù)。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)。

高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括其機(jī)械構(gòu)件的信號(hào)，分合閘及儲(chǔ)能線圈電流的波形、分合閘操作產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)、分合閘操作的時(shí)動(dòng)曲線等。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能通過不同的信號(hào)綜合分析分合閘的運(yùn)行情況，做出準(zhǔn)確判斷。

2 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 信號(hào)特征

高壓真空斷路器在運(yùn)行過程中，由于各個(gè)部件受到撞擊、摩擦，從而產(chǎn)生不同頻率及持續(xù)時(shí)間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致斷路器內(nèi)部構(gòu)件產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)能反映高壓真空斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而反映其運(yùn)行情況。由于高壓真空斷路器分合閘的時(shí)間很短，內(nèi)部構(gòu)建不間斷運(yùn)動(dòng)，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)子波，相互疊加就能夠產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。在檢測(cè)過程中，通過分析高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)的波形與運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系，從而能夠判斷機(jī)械特性狀態(tài)。

2.2 信號(hào)采集

要想讓高壓真空斷路器的功能得到全面發(fā)揮，首先要進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的搜集。常用高壓真空斷路器的振動(dòng)信號(hào)傳感器包括光電傳感器、差動(dòng)變壓器式位移傳感器以及電阻式位移傳感器。光電傳感器是通過光電轉(zhuǎn)換原理將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，從而顯示振動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)與數(shù)值，該型采集器具有體積小、精度高等特點(diǎn)，但成本相對(duì)較高。差動(dòng)變壓器式位移傳感器主要是利用感應(yīng)式位移傳感器的方式，通過自動(dòng)移動(dòng)的活動(dòng)鐵芯感應(yīng)高壓真空斷路器的振動(dòng)，并通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)，該種信號(hào)采集方式具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但體積較大、運(yùn)行難度較大。

電阻式位移傳感器主要是通過測(cè)量電阻兩端電流及電壓情況，從而判斷高壓真空斷路器觸頭的運(yùn)動(dòng)情況，電阻式傳感器中的加速度傳感器方法具有精度較高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，成本也相對(duì)較低，綜合效果較好。采用金屬固持膠將加速度位移傳感器粘貼于斷路器上，能在不破壞高壓真空斷路器結(jié)構(gòu)的情況下獲得較好的振動(dòng)信號(hào)。通常選擇高壓真空斷路器振動(dòng)源部位作為安裝位置。

2.3 振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)

高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)具有豐富的信息，能通過振動(dòng)信號(hào)綜合了解設(shè)備狀態(tài)。高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)的頻率通常在10kHz以內(nèi)，選用采集頻率為20kHz以上的采集卡。經(jīng)過使用加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的搜集，得到高壓真空斷路器的有關(guān)數(shù)據(jù)。在檢測(cè)過程中能分析振動(dòng)信號(hào)相應(yīng)的振動(dòng)過程，對(duì)產(chǎn)生振動(dòng)過程的部件及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析。因?yàn)楦邏赫婵諗嗦菲髡駝?dòng)事件發(fā)生的順序相對(duì)固定，因此可通過振動(dòng)信號(hào)提取振動(dòng)特征，識(shí)別振動(dòng)事件。

2.4 振動(dòng)信號(hào)分析

由于高壓真空斷路器的內(nèi)部激勵(lì)源的多樣性，振動(dòng)信號(hào)的表現(xiàn)形式十分復(fù)雜。因此需采用有效方法對(duì)高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。相關(guān)研究顯示，高壓真空斷路器的振動(dòng)信號(hào)屬于非周期性的一次動(dòng)作，持續(xù)時(shí)間短且屬于非平穩(wěn)瞬變信號(hào)。正常狀態(tài)下斷路器振動(dòng)響應(yīng)曲線相似。

高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)可通過時(shí)域和頻域兩個(gè)方面進(jìn)行分析。時(shí)域分析是對(duì)時(shí)間域內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取，從而分析其振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波動(dòng)特性，分析其峰值、均值等參數(shù)，從而判斷機(jī)械特性。頻域分析是采用傅里葉變換將原始信號(hào)進(jìn)行頻譜分解，從而對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。單純的時(shí)域分析和頻域分析重復(fù)性較差，分散度大，綜合時(shí)域分析和頻域分析的時(shí)頻方法能更好地分析振動(dòng)信號(hào)。通過短時(shí)傅里葉變換分析每一個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的頻率，以此獲知頻率在總體時(shí)間的變化。采用小波分析的方法將信號(hào)分解到不同頻帶中，能在不同分辨率下觀察振動(dòng)信號(hào)。綜合各種方法，小波分析法是高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)分析的常用方法，其中母小波的選擇是其應(yīng)用難點(diǎn)[2]。

3 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與展望

高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)一方面要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和剖析，另一方面還離不開相關(guān)軟硬件的支撐。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要：基于嵌入式下位機(jī)系統(tǒng)，采用其能準(zhǔn)確獲取高壓真空斷路器的電流、行程以及振動(dòng)信號(hào)；虛擬儀器系統(tǒng)，其是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)與儀器硬件相結(jié)合將嵌入式下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并輸入虛擬儀器的軟件系統(tǒng)有效分析振動(dòng)信號(hào)；網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，利用其能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與檢驗(yàn)，采用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)并對(duì)斷路器情況進(jìn)行在線分析。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)會(huì)向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。從高壓真空斷路器機(jī)械特征在線監(jiān)測(cè)來看，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的繼承性和通用性將會(huì)提升，且其產(chǎn)品化進(jìn)程加快，提升高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

綜上，高壓真空斷路器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，機(jī)械特性是高壓真空斷路器可靠性的關(guān)鍵因素。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)能對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行分析，從而了解其機(jī)械構(gòu)件故障，為高壓真空斷路器的故障預(yù)警和檢修提供支持，提升高壓真空斷路器運(yùn)行可靠性。