斷路器操動機構音頻在線監測方法的可行性研究

余思遠，胡蘊斌，周漢平，江 山

（1.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663；2. 西門子高壓開關有限公司，浙江 杭州 310018）

利用操動機構開展機械壽命試驗時產生的機械振動開展研究，通過在操動機構內加裝聲壓傳感器、振動加速計的方式收集每次機構分合產生的噪音和瞬態振動（沖擊）信號，通過對所記錄到的瞬態振動、噪音時域信號、利用FFT 轉換成的頻域信號與信號錄取時操動機構對應的實時狀態（正常、故障、失效）進行比對，并利用FFT自譜分析和倍頻程譜分析,分辨出機構在正常分合，故障、失效等不同狀態下的信號區別，提出在線監測的方法可以作為機構在正常、故障狀態以及從正常到故障狀態的分析手段，并對其后續應用前景提出建議。

1 音頻在線監測試驗方法

1.1 音頻在線監測信號傳輸流程

音頻在線監測的原理是通過在斷路器操動機構加裝傳感器，然后通過專用軟件對提取的信號進行處理分析。

1.2 試驗主要器材

本次試驗所需的主要器材主要有3AP2-FI 型高壓斷路器（搭載FA5 操動機構）、聲壓傳感器（含極頭和前置放大器）、壓電式IEPE 振動加速計（X、Y、Z三向）、數據傳輸線、INV3062T0 型數據采集儀、專用電腦及DASP 分析軟件、專用工裝等。

1.3 傳感裝置的安裝

將振動加速計安裝在自制的轉接板上，然后將轉接板固定在斷路器機構箱內的FA5 操動機構外側的齒輪盤下方、電動機的左上方（如圖1 左所示），將聲壓傳感器固定在斷路器機構箱內的箱體底部（如圖1 右所示）。然后通過數據線、網線將傳感器信與數據采集儀以及專用電腦進行連接。

圖1 在線監測裝置安裝實圖

1.4 音頻在線監測采樣試驗參數的設置

硬件連接完成后，打開分析軟件對采樣頻率、通道參數等進行設置，DSAP音頻采集和實時分析視窗界面如圖2 所示。其中，“SF”代表“采樣頻率”，“AF”代表“分析頻率”，“dt”代表“時間分辨率”，“df”代表“頻率分辨率”。

圖2 信號式波采樣界面

1.5 斷路器操動機構機械壽命試驗參數設定

參照交流濾波器斷路器實際運行情況，本次試驗將試驗機構的每日機械試驗壽命次數設為470次，一次機械壽命試驗時間設為55 s。

1.6 在線監測試驗現場的背景環境

本文所開展的試驗是在敞開式、露天環境下進行。開始在線監測試驗時，在測試區附近還有一相220 kV DT-FI斷路器正在開展機械壽命試驗，與本文試驗斷路器相隔約5 m 左右，接近實際的工作環境（變電站和換流站），以下將介紹測試現場背景環境實測數據。

1.6.1 背景環境X方向在240 s 時間內的振動加速度和頻率的數據以及圖像如圖3所示。

圖3 X方向振動波形

從X方向振動波形可以看出：背景環境的振動加速度0.75g（max）；背景環境的振動頻率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.2 背景環境Y方向在240 s 時間內的振動加速度和頻率的數據以及圖像如圖4所示。

圖4 Y方向振動波形

從Y方向振動波形可以看出：背景環境的振動加速度0.8g（max）；背景環境的振動頻率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.3 背景環境Z 方向在240 s 時間內的振動加速度和頻率的數據以及圖像如圖5所示。

圖5 Z方向振動波形

從Z方向振動波形可以看出：背景環境的振動加速度0.65g（max）；背景環境的振動頻率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.4 背景環境在240 s 時間內的噪音聲強和頻率的數據以及圖像如圖6所示。

圖6 背景環境噪聲采樣

從音頻波形可以看出：背景環境的噪音聲強0.028 Pa（max）；背景環境的噪音頻率主要集中在0～1 kHz。

通過以上對環境采樣波形的讀取結果可見，從X、Y、Z三個方向綜合判斷背景環境的振動加速度（max）以及240 s時間內背景環境的噪音聲強（max）數值均較小，對在現有測試環境下進行操動機構測試無實質性影響。

2 音頻波形分析常用方法

2.1 時域分析法

時域分析是信號最基本的分析方法之一，對多通道的信號從時間域上進行波形分析，從波形圖上可以清楚看出信號在不同時間上的幅值，時域分析可直觀顯示信號原始的時域波形，應用領域較為廣泛。

2.2 FFT自譜分析法

因時域分析維度較為單一， 部分情況下無法反映信號內在規律，需將信號從時域變換到頻域信號進行分析。自譜分析就是對一個信號進行頻譜分析，本文采用幅值譜反映頻域中各諧波分量的單峰幅值，將整個信號分成若干段數據，分別進行FFT 分析，得到各自的頻譜之后，再進行平均，最后的結果能夠比較全面地反映全程數據的頻譜特性。

使用FFT 分析可能會因頻率分辨率造成的泄露導致頻譜主峰的幅值偏小，使用平滑處理可以使頻譜主峰的幅值更加準確，但也會導致頻譜主峰以外的頻率處的幅值精度降低。針對時域信號截斷造成的泄漏，使用加窗是一個有效辦法，可以有效提高主頻處的幅值精度，本文選用“矩形窗”。

2.3 倍頻程譜分析法

倍頻程譜分析方法，又稱CPB 分析。本文倍頻程譜分析采用1/3 倍頻程譜，將整個信號頻譜按1/3 倍的比例關系劃分頻帶，計算各頻帶內的譜值。

3 音頻在線監測試驗結果分析

針對本文所研究的FA5 操動機構，分別選取機構在3 種不同狀態下的波形，同時還選用不同的波形分析法進行結果分析。

在FA5 操動機構進行機械壽命試驗約為第5000次和5500 次時，各取一組在線監測數據，對比如圖7 所示。從上面音頻分析波形可以看出，異常發生在合閘儲能過程中，比正常波形明顯多出一個波峰，噪音的最大值增加了約1 dB。而波形異常時，FA5 操動機構仍然能正常分合閘。這種現象很可能是由于機構內某一零件存在少量磨損、螺栓松動等原因造成，具體有待后續解體機構分析。

圖7 不同操作次數下采樣波形圖

針對操動機構發生拒分時的在線監測波形進行分析，情況如圖8 所示。從上面波形可以看出，當拒動故障發生后，X、Y、Z三個方向上的振動加速度明顯變小。同時可見，噪音的聲強也下降明顯，正常時噪音峰值范圍為62～85 dB，而發生拒動異常時峰值已降至35 dB。

圖8 斷路器拒動時采樣波形圖

現場模擬由于滅弧室絕緣拉桿端部的螺栓斷裂，導致斷路器發生空載合閘時在線監測波形，具體情況如圖9所示。

通過采取斷路器空載合閘時在線監測波形數據，可見設備異常時噪音和振動在一個周期的波形與設備正常時一個周期內的波形有明顯區別，并且從噪音最大數值看，正常時為64.5 dB，異常時在67 dB左右。

4 結束語

本文主要介紹了斷路器操動機構音頻在線監測方法，此試驗方式無需特殊隔音試驗環境，通過將聲壓傳感器、壓電式IEPE振動加速計固定安裝在操動機構內即可采到所需數據。傳感器安裝部位的不同可能會造成所測數據最大值略有差異，但不影響音頻波形、數據等采集和分析。基于本文所展示的試驗經驗，斷路器操動機構運行時可以嘗試通過本文介紹的方法進行在線監測。

操動機構異常時，有時噪音的最大值可能沒有明顯變化，但音頻波形已發生明顯的變化。因此，需要把噪音聲強、振動加速度及其波形結合起來研究，才能得出準確結論。另外，本文介紹的時域分析、FFT自譜分析和倍頻程譜分析等3種分析方法各自適用不同的斷路器狀態和場合，在實際應用中須結合起來使用。

本文試驗方法是把數據的采集、存儲和處理等功能模板通過有線連在一起。后續還可進一步開發提升硬件便攜性和先進性，使用藍牙或Wi-Fi等無線手段把三者連接在一起，并與手機、平板電腦等智能移動設備無縫連接。

斷路器操動機構隨著試驗次數和使用年限的增加，產生零件磨損、緊固件松動、傳動件潤滑油減少、承載件開裂等缺陷的概率增大，因此須采集大量試驗數據，總結出一套音頻波形與故障件之間關聯性的規律。當數據積累到一定程度，可考慮在“音頻在線監測”的基礎上，建立一套“音頻在線監測與預警”系統，能夠實時反應出斷路器運行狀態，一定程度上預知故障發生概率，對設備和電網安全具有較大意義。

資訊

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來源：《南方電網報》