高壓斷路器故障機理與操作機構故障診斷技術

張光中

（國網牡丹江供電公司，黑龍江牡丹江 157000）

在高壓斷路器的各類故障中，有60%以上的故障是由操動機構出現異常工況引起的。在明確高壓斷路器的故障機理后，結合操作機構的結構組成和運行特點，利用監測設備實時采集分合閘線圈的電流與電壓信號、動觸頭的行程與速度信號，以及合閘彈簧的振動信號、接觸電阻等。利用采集到的信號作為輸入量，使用曲元分析（CCA）和自組織神經網絡（SOM）診斷系統對輸入量展開計算、分析，可以準確判斷出操作機構是否存在故障，以及故障的特性、位置等具體信息，從而為下一步工作人員開展故障維修提供了參考，保證了高壓斷路器的穩定和可靠運行。

1 高壓斷路器故障機理分析

滅弧室是高壓斷路器的關鍵組成，滅弧室內部電場的不均勻分布是造成高壓斷路器故障的常見原因。為直觀了解滅弧室內部電場強度的分布情況，本文使用有限元法對高壓斷路器滅弧室內部電場進行仿真分析，進而掌握電場分布規律。

有限元法作為一種數值積分算法，其原理是把需要分析的連續場離散化為多個區域，每個區域的解可以用簡單函數表述，最后將函數集合在一起求解線性方程組。本文基于ANSYS 軟件進行真空滅弧室的電場分析。

1.1 物理環境的構建

確定需要仿真的對象后，從ANSYS 軟件的分析菜單中設置仿真類型為“Electric”；二維電場分析選擇“PLANE121”單元，該單元的維數為2D，形狀為四邊形，有8 個節點，可在任意一個節點上設置電壓。設置滅弧室的材料特性：絕緣結構的介電常數為5.5，屏蔽罩和觸頭的介電常數為3.0×106。

1.2 生成仿真模型

ANSYS 軟件提供2 種基本模型，即實體模型和有限元模型。前者適用于結構復雜的對象，構建實體模型后需要進行網格劃分，然后進行分析計算；后者適用于結構簡單的模型，可直接進行有限元計算。本文研究的滅弧室結構較為簡單，因此選擇有限元模型，模型結構如圖1 所示。

圖1 滅弧室結構圖

滅弧室的結構參數方面，動導電桿長度為20 mm，靜導電桿長度95 mm，瓷套長度90 mm；觸頭的長和寬分別為12 mm 和5 mm，間距為10 mm。

1.3 施加載荷

基于有限元分析的載荷有2 種，即負載與邊界條件。根據研究的需要設定邊界條件，然后向模型施加負載，該負載會傳遞到有限元單元上，對載荷下的模型求解。

1.4 計算與分析

使用ANSYS 軟件提供的默認方法求解，根據計算結果自動生成滅弧室內部的電場和電位分布。仿真結果顯示，等位線主要集中在滅弧室的動、靜觸頭之間，表明該區域的電場強度較大，有較大概率發生放電擊穿現象[1]。進一步觀察發現，在動觸頭表面越靠近邊界的位置電場強度越大，在動觸頭的端部出現電場強度的極大值。由此可得，調整斷路器觸頭的形狀對優化滅弧室內電場分布有一定效果。動觸頭表面電場強度隨距離的變化趨勢如圖2 所示。

圖2 動觸頭表面電場強度

1.5 滅弧室結構對滅弧室電場的影響

通過仿真實驗可知，滅弧室內電場分布并不均勻，尤其是在觸頭之間電場強度呈現出明顯增大的趨勢。由此推斷，內部結構是導致滅弧室電場強度發生改變的主要因素，通過優化內部機構可以讓電場分布更加均勻，進而降低擊穿故障的發生概率。本文使用ANSYS 軟件對滅弧室仿真模型的結構進行優化。

1.5.1 屏蔽罩對滅弧室電場的影響

屏蔽罩是固定在絕緣外殼上的一種半封閉圓柱形器件，為銅質材料。波紋管屏蔽罩除了能夠起到改善電場分布的作用外，對避免金屬蒸汽的四處濺落也有一定效果[2]。屏蔽罩設計合理，可以顯著提高滅弧室的整體絕緣強度。在圖1 的基礎上增加了屏蔽罩，并觀察加裝屏蔽罩后滅弧室內部電位與電場分布圖。結果表明，安裝了屏蔽罩以后，滅弧室內部電位線以中軸線為基準，向兩側拓展，使滅弧室的空間利用率得到了提升，并且電場分布較為均勻，達到了優化電場分布、降低擊穿電壓的效果。為了進一步驗證屏蔽罩長度對滅弧室電場強度的影響，在仿真實驗中分別設計了6 種長度的屏蔽罩，分別為30、32、34、36、38 和40mm，屏蔽罩長度與滅弧室電場強度的對應關系見表1。

表1 屏蔽罩長度與滅弧室電場強度的關系

由表1 數據可知，隨著屏蔽罩長度的增加，電場強度呈現出先增大后減小的變化趨勢；屏蔽罩長度為36 mm 時，電場強度最大，為2 518 V/m。

1.5.2 觸頭開距對滅弧室內部電場的影響

高壓斷路器的滅弧室內有1 個動觸頭和1 個靜觸頭，2 個觸頭接觸后，斷路器閉合成為通流器件；2 個觸頭分開后，斷路器開斷成為滅弧器件。在斷路器從閉合到斷開的過程中，由于2 個觸頭的接觸面積越來越小，相應的電流也會逐漸集中到越來越少的接觸點上，此時受到電流熱效應的影響，接觸點溫度會不斷升高，溫度達到一定程度后還會引起接觸點融化情況。動、靜觸頭完全分開后，融合的金屬被拉成細絲，最后變成金屬蒸汽。隨著高壓斷路器開斷次數的增加，滅弧室內觸頭的融損情況越嚴重，動、靜觸頭磨損到無法正常閉合后，導致高壓斷路器出現運行故障。保證動、靜觸頭的開距合適，一方面對滅弧室內電場強度產生影響，另一方面也能減小觸頭磨損、延長觸頭使用壽命。本文使用ANSYS 軟件探究不同觸頭開距與滅弧室內部電場強度之間的關系。結果如圖3 所示。

圖3 觸頭間距與滅弧室最大電場強度的關系曲線

由圖3 可知，隨著觸頭間距不斷增加，滅弧室內部電場強度整體上呈現出下降趨勢。

1.6 基于有限元法的斷路器故障分析

在高壓斷路器發生交流電流過零現象時，滅弧室內產生的金屬蒸汽和導電粒子會以較快速度向外擴散；由于加裝了屏蔽罩，金屬蒸汽和導電粒子會被屏蔽罩攔截，導致屏蔽罩上產生殘余電荷[3]。殘余電荷的多少與滅弧室內最大電場強度也有密切關系，如圖4所示。

圖4 滅弧室最大電場強度隨屏蔽罩上殘余電荷量變化趨勢圖

由圖4 可知，隨著屏蔽罩上電荷量的增加，最大電場強度也會呈現出增長趨勢。但是在電荷量為-14～-8 C時，電場強度的增加較為緩慢，僅從100 C 增長至550 C，這一階段滅弧室內電場分布比較均勻；電荷量超過-8 C 時，隨著電荷量的增加，最大電場強度也呈現出明顯上升趨勢，此時滅弧室內部電場變得極不均勻。由此推斷，高壓斷路器斷開電流過大時，由于滅弧室屏蔽罩上導電粒子數量太多、電荷量升高，導致滅弧室內部不均勻程度也出現上升趨勢，電荷量達到一定程度后使高壓斷路器出現無法開斷的故障。

2 高壓斷路器操作機構的故障診斷

2.1 故障診斷

操作機構的故障診斷流程主要有狀態檢測、特征提取、狀態識別與分析和維修決策等，流程如圖5 所示。在診斷開始前，需要借助于各類檢測設備（如振動傳感器、電流表等）獲取操作機構的振動、電流、電壓等工況信號。這些信號作為輸入量輸入到故障診斷系統中。系統智能分析信號征兆與故障之間的關系，判斷操作機構是否存在異常工況[4]。例如，操作機構在正常工況下的電流值為5 A，閾值范圍為（5±1）A。系統將提取到的特征信息與設定閾值進行對比，如果實際檢測電流在閾值范圍內，則操作機構無故障；反之，如果實際檢測電流超出了閾值范圍，則操作機構存在過電流故障。根據診斷結果不僅能判斷操作機構有無故障，而且還能在確定存在故障后進一步判斷故障嚴重程度、故障發生原因，并基于此制定科學的維修策略。

圖5 故障診斷過程

2.2 基于CCA-SOM 的操作機構故障診斷

在故障診斷系統中，選擇合適的診斷方法，對診斷的實時性和準確性有重要影響。本文提出了一種CCA-SOM 診斷方法，將曲元分析（CCA）算法與自組織神經網絡（SOM）算法相結合，滿足了高壓斷路器操作機構故障的即時和準確診斷需求。由于高壓斷路器操作機構在日常運行中會產生海量、多樣的數據，如果對全部數據進行分析必然會花費大量時間，導致故障診斷的實時性差。因此，利用CCA 算法進行數據的聚類或分類，剔除正常信號，只保留可疑信號，減輕了下一步數據處理與分析的工作量[5]。SOM 算法可以對預處理后數據作深度分析，如線性轉化、對數轉化、歸一化等，然后確定自組織地圖，并在該地圖上尋找輸入向量與輸出結點之間的距離，尋找最佳匹配單元，得出診斷結果。CCA-SOM 故障診斷不僅保證了診斷結果的準確性，還支持診斷結果的可視化呈現，讓工作人員一目了然地掌握故障位置、故障嚴重程度。基于CCA-SOM的故障診斷過程如圖6 所示。

為驗證CCA-SOM 故障診斷系統的應用效果，本文從某高壓斷路器上提取了300 組運行數據，并利用該系統進行故障診斷。成功診斷出2 種故障，分別是絕緣故障和機構滲漏故障。工作人員根據故障診斷信息對高壓斷路器展開了停機檢修，現場檢修發現實際故障與診斷結論一致，說明CCA-SOM 故障診斷系統的實用性良好。

3 結束語

高壓斷路器受到運行環境、使用年限等因素的干擾，容易出現拒動、誤動、電壓擊穿、機體滲漏等故障，必須要做到對高壓斷路器的在線監測。CCA-SOM 故障診斷以高壓斷路器運行中的實時數據作為輸入量展開處理、分析，診斷結果準確度高，對維護高壓斷路器的穩定運行有積極作用。