高壓斷路器機械故障及振動信號采集研究

南方電網玉溪供電局 鄭繼輝

高壓開關的執行機構在執行電路開合動作的時候必然會產生一定機械運動，而機械運動往往會有一些震動信號，并且在不同的狀態下所產生的機械震動信號也不盡相同[1]。這些不同點會表現在震動的振幅、衰減等信息上，也就是說，這些震動信息與機械運動的過程存在一定關聯性，而機械運動的過程受到故障的影響。如果能搭建一個將機械運動特征轉換為數字信號的系統，理論上就可以對高壓斷路器機械故障進行分析。本文介紹了一種可以采集斷路器的操動機構機械運動特征的系統，包括傳感器選擇、故障分析、系統的搭建等[2]。

2 高壓斷路器常見機械故障類型

電氣設備發生故障是指設備在投入運行過程中，由于某些因素導致設備失去其功能或者不能達到其預期的作用。如果電網在正常運行過程中，一旦高壓開關出現問題將對整個系統產生負面影響。不排除會讓大生產區的電力供應產生問題以及出現其他相關損失。較為常見的高壓開關機械故障包含拒動和誤動兩種。

斷路器最出現次數較多、最常見的故障類型是拒動故障[3]。所謂拒動故障指的是斷路器拒絕執行相應的操動指令，無法順利執行預定動作。拒分故障和拒合故障是常見的兩種拒動故障類型，而其中以拒分的故障類型相對拒合的故障類型更為多見。一旦拒分故障出現，此時一般是電路系統出現了其他問題或者需要檢修而進行分閘。但是如果分閘失敗就會導致上一級越級跳閘，使故障影響面積進一步擴大，因此它造成的影響更為嚴重。

電氣故障或者機械故障都有可能引起斷路器故障。機械故障的主要原因是操動系統的工作故障和傳動裝置故障，這些因素約占故障總數的70%。如果不對高壓開關進行正確的維護，機體損耗會導致二次回路接觸不良，操作機械零件變形，斷路器斷開動作的執行就會產生誤差。這通常是由于二次回路中出現問題或者是運動機構、例如彈簧操動機構等出現問題，其中發生在斷路器的計劃檢修后操動機構故障是最常見問題。

3 機械振動信號采集系統

3.1 信號采集系統原理[4]

圖1 振動信號采集接線示意圖

CA-YD-182是一種比較高精度的加速度傳感器，在本次研究中使用它作為檢測輸入，同時配套使用NI9234為核心元件的信號采集系統來采集斷路器在執行過程中的震動機械信號，通過該系統將高壓開關的震動信息轉化成計算機的通用二進制數據。為了獲取到精準的同步震動信號，通過NI9401產生雙向脈沖的方式實現。一路脈沖控制分合閘，另一路脈沖作為震動信號采集的基準信號。

如圖1所示是一種采集機械振動信號的典型框架。首先是被測目標體接收到上一級系統的指令發生機械運動，在同一時間信號采集終端也開始做信號采集的工作。CA-YD-182獲取到震動數據后通過NI9234轉化為數字信號發送給計算機，進而由計算機繼續進行信號數據的后續處理工作。

3.2 振動信號采集傳感器的選擇與安裝

斷路器的震動本質上就是一種往復運動，而這種往復運動的突出表現就是速度的大小和方向的變化，反應到物理量中就是加速度值的改變。通常的生產環境里面，操動機構的機械運動信息可以被用來輔助進行故障診斷。而這些機械運動信息是可以通過傳感器測量出來的，只要選擇合適的傳感器就可以。加速度傳感器則是比較適合的一種檢測這種機械運動信息的傳感器。常見的加速度傳感器如圖2所示，一共由三部分組成：安裝用的磁座、質量塊和壓電晶體三個部分。壓電晶體的工作方式分為壓縮型（圖2a）和剪切型（圖2b）。縱向的振動檢測是該傳感器的主要檢測目標，因此在縱向的靈敏度也最高。其在橫向也有一定的靈敏度，但一般相對縱向靈敏度要小的多，基本可以忽略不計。

圖2 加速度傳感器工作原理

一旦振動發生，必然會引起傳感器的振動動作的發生，在這種情況下，傳感器內部的感應塊會在內部進行上下運動拉扯促使其壓電片的電壓發生一定的改變。內部放大元件則把電荷變化進行比例放大、進行輸出，被采集系統采集。壓電式加速度傳感器無論是在剛性還是穩定上具有其他加速度傳感器所不具備的線性度、靈敏度和精確性。

壓電式加速度計是一種廣泛使用的高速電力放大加速度傳感器，由于其體積小而廣泛使用，具有高靈敏度和高抗干擾性。在測量過程中，傳感器的底座與被測物進行剛性連接。振動一旦發生，傳感器會立即捕捉振動的數據。同時又由于傳感器本身相對整個系統來說比較小，對整個系統的影響也不大。

在振動檢測過程中，為了找到有效的振動數據，必須對兩個因素予以重點考慮。其中一個是傳感器的固有頻率，另外一個就是檢測位的接觸面的貼合情況。在斷路器的影響下，發生頻率響應。記錄目標的振動信號時，必須將加速度傳感器與所測目標連接起來，并與振動源一起運動。目前加速器的安裝方式按照對震動頻率的影響由低到高排序有以下幾種：手持探針式、磁鐵吸附式、粘接劑固定式和螺栓固定式。螺栓和粘合劑的方式雖然牢固，但是可能會破壞試樣的性能。因此，綜合考慮以上因素，采用磁鐵吸附式是相對較好的方式。

4 結語

以常見的高壓開關的拒動故障和誤動故障這兩類機械故障為主，進行了詳細的闡述。常見的機械故障的具體表現有：結構件損壞、變形、移位以及卡合部位的松動、卡澀等，還有脫扣失效和軸銷斷裂等，而這些基本都可以通過本章所闡述的通過震動信號的方式進行故障診斷。