斷路器機械故障振動信號檢測系統研究

南方電網臨滄供電局 陸佳其 張云 羅明 張國林

在斷路器分、合閘操作時，為對其產生的振動信號進行測量，選擇搭建振動信號檢測系統實驗平臺實現測量。其檢測系統要求不僅能測量在分、合閘操作時產生的振動信號，并且另一方面還能對其操作進行控制，從而達到檢測目的[1]。振動信號檢測系統通常由主機、控制電路、斷路器和傳感器以及振動監測儀等五個主要部分組成。

1 振動信號檢測裝置

1.1 斷路器的選擇

開斷元件是執行元件，主要起到閉合、切斷電流的作用。其執行閉合、切斷動作的能量來源則為操動機構，并具有不可替代的重要作用，根據能量來源的不同可將其分為彈簧式和電磁式兩大類。對比這兩種操動系統，電磁操動機構不僅對電源要求較高，并一直存在合閘速度慢的問題。相對來說彈簧操動機構并不存在這兩個問題，因此在眾多科學研究中被廣泛應用，其操作方式分為手動和電動兩種。對于彈簧操動系統來說，彈簧作為執行分、合閘操作的能量來源，是其最為主要的部件之一[2]。

少油斷路器優勢在于結構簡單且價格便宜，但檢修頻繁，且在檢修時需進行解體操作，不僅操作過程繁瑣且檢修成本耗費巨大。除此之外，因滅弧介質和觸頭間的絕緣介質都是油，因此發生火災的風險系數較高，安全性較差[3]。

SF6斷路器具有較強的滅弧性能，優點是能連續多次進行分合閘操作且噪聲小。SF6氣體不可燃，不具有發生火災的風險。SF6氣體作為滅弧介質和絕緣介質，為保證其密封性不發生泄露，對制造工藝及材料的要求更為嚴格，受此因素的限制，在實際的生產應用中并不廣泛[4]。

相對于上述兩類斷路器真空斷路器各方面優勢明顯，基本上結合了少油斷路器結構簡單、價格便宜與SF6斷路器連續多次進行分合閘操作且噪聲小的共同優勢。除此之外也并不存在這兩種斷路器的缺點，其檢修便捷極大的節省了檢修成本和精力，此外滅弧和絕緣介質均為高真空，因此相對來說更為穩定且不懼火災風險。由于真空斷路器在各方面的眾多優勢，因此生產實際中得到了廣泛應用。本文采用ZW51-12型真空斷路器進行振動信號檢測系統的搭建（表1）。

表1 ZW51-12型真空斷路器參數表

1.2 傳感器的選擇

振動信號檢測系統核心在于對信號的采集。信號的采集需要借助于傳感器，因此影響檢測系統的測量精度的一個重要因素就是傳感器的性能高低。一般來說，在檢測系統的搭建中，為保障其具有較高的測量精度，當信號類型發生變化時，相應的也需要改選傳感器的類型。就速度傳感器而言，因其具有輸出阻抗低且靈敏度較高的優勢被廣泛應用于生產實際中。但由于其傳感器頻帶寬度較窄，通常頻率不超過1kHz，而斷路器的振動信號頻帶寬度較大，最高頻率甚至可達數千Hz，因此速度傳感器在使用條件上具有很大的限制，當頻帶寬度不符合條件則無法有效完成信號的提取[5]。

對比于速度傳感器，壓電式傳感器不僅具有較寬的頻帶寬度且自重較小，所以在信號的測量上被越來越廣泛使用。壓電式傳感器工作的原理是利用壓電效應，當斷路器振動時，壓電晶體在一定方向上會受到力的作用，且與振動的劇烈程度之間成正比關系。壓電晶體在力的作用下會發生形變，從而內部會發生極化現象，同時表面還會出現兩種極性不同的電荷；當振動停止時力的作用消失，壓電晶體表面的電荷相應消失，從而恢復到開始時不帶電狀態。信號的大小可通過對引出線上的電荷進行測量及處理后得到。本文搭建的振動信號檢測系統選用YD-1型壓電式加速度傳感器（表2）。

1.3 安裝方式的選擇

當斷路器振動時，其加速度頻率能夠高達數千赫茲，當電力系統電壓等級較低和較高時，振動加速度的瞬時幅值分別能夠達到數百和數千。由于振動加速度的幅值和頻帶寬度與傳感器的安裝方式和位置有關，其安裝方式和位置的不同會在一定程度上對幅值和頻帶寬度產生影響，通常在生產實際中將略低于出廠設置中的理想值。

在對比分析幾種主要的傳感器的安裝方式時通常要考慮以下問題：此位置下的振動幅度是否在其承受范圍內；傳感器是否會因分、合閘次數的增加發生位置的偏移情況；安裝和拆卸是否會影響傳感器和斷路器狀況。

一般來說，傳感器主要的固定方式可分為手持探針式、永磁體吸附式、粘合式和螺栓固定式以及粘合與螺栓固定結合式等五大類。手持探針式具有操作便捷的顯著優點，通常應用于對大工作量的多個位置的測量，然而其測量結果不夠精確，且無法采集頻率高于10000Hz的振動信號；永磁體吸附式優勢在于穩固性好不會產生滑動，還能將傳感器與斷路器進行絕緣。缺點為待測信號的頻率會有一定程度上的損失；粘合式的顯著優勢在于頻率響應好，但并不適用于長期頻繁使用且清潔困難；螺栓固定式的靈敏度與頻率響應均較高，但需要在斷路器表面打孔，不僅破壞其結構且會或多或少的影響其振動，削減使用年限。目前粘合與螺栓固定結合式的使用最為普遍。

1.4 振動監測儀的選擇

振動監測儀，通常用于對機械振動的振動加速度等參數進行測量，能夠在變壓器、斷路器和GIS設備等環境中穩定運行，其優點在于不僅操作簡單方便攜帶，且具有很高的靈敏度，對振動信號因設備缺陷、零部件松動等故障造成的變化，能夠靈敏反映。本文在搭建振動信號檢測系統時采用的振動監測儀型號為ES-HEVM。

2 系統總體方案

在對斷路器進行分、合閘操作時，首先需要進行儲能操作，通過電機對合閘彈簧完成儲能后，彈簧操動機構維持在儲能狀態；其次，在執行合閘操作后，合閘彈簧儲存的能量被全部釋放出來，其中一小部分被用于保證操作的順利進行，剩余大部分能量被用于分閘彈簧儲能操作，以此保證在合閘操作執行完后能順利執行下一步分閘操作。之后，當合閘彈簧釋放能量完成后，再一次進行合閘彈簧儲能操作；最后，當彈簧操作機構執行分閘操作時，分閘彈簧將儲存的能量全部釋放，當執行完后便恢復到初始儲能狀態。

已知測量結果會受傳感器安裝位置的影響，通過對比其測量結果并進行數據分析后發現，安裝位置與測量效果之間的關系為越靠近動力源效果越好。因此，相比于其他安裝位置，選擇為彈簧操動機構的支架時，數據的保真度更高效果更好。本文亦是將其選擇為最佳安裝位置（圖1）。

圖4 振動信號檢測系統實物圖

在測量斷路器振動信號之前，首先需要人為進行故障設置，將其分別設置為鐵芯卡澀、緩沖器無效超程及絕緣拉桿松動等三種故障；之后分別在上述三種故障和正常狀態下對斷路器進行合閘操作，分別采集100組動作時的振動信號，在振動監測儀將其放大后，傳輸至主機；最后對其去噪、特征提取及故障診斷。