（电力系统及其自动化专业论文）高压断路器在线监测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h i g h v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e ri su s e dt oc o n t r o la n d s a f e g u a r d e l e c t r i c p o w e re q u i p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m w h e n i td on o tw o r kf i n e i tw i l l c a u s ee l e c t r i c p o w e ra c c i d e n t o ro t h e ri n d i r e c ta c c i d e n t t h et r a d i t i o n a l s c h e d u l e dm a i n t e n a n c eo rt i m eb a s e dm a i n t e n a n c eh a ss o m es e r i o u sd e f e c t s ， s u c ha ss u b m a i n t e n a n c e ，o v e rm a i n t e n a n c ea n dt h ef a u l t sc a u s e db yt h e m a i n t e n a n c ei t s e l f c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ，b i n gb a s e du p o nc o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，i st h em o s ta d v a n c e dm a i n t e n a n c ep r o g r a mn o w d a y s s o ，t oc a r r y o u to n l i n e w o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gr e s e a r c h f o rh i g h v o l t a g ec i r c u i t b r e a k e rh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ne c o n o m ya n dt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , t h et h e o r y a b o u to h l i n e w o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n g r e s e a r c hf o rh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri sf i r s t l yd i c u s s e d h o wt om e a s u r e t h et r a v e lc h a r a c t e r i s t i c ，c a l c u l a t ee x p e c t a n c yo fe l e c t r i c a l e n d u r a n c e ，a n a l y s e c o i lc u l t e n ta n dv i b r a t i o ni si n t r o d u c e d i nd e t a i l h o wt o c a r r y o u t f a u l t d i a g n o s i s b a s e ds i m i l a r i t y a n a l y s i s f o r h i g h = v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e ri s i n t r o d u c ei nd e t a i lt o o s e c o n d l y , t h e h a r d w a r ef o r m o n i t o r i n gh i g h - v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r w o r k i n gc o n d i t i o ni sd e s i g n e d t h eh a r d w a r ei sm a d eu po f t o wp a r t s ，o n ei s t h eu n i tf o rd a t aa c q u i s i t i o n ，w h i c hi su s e dt os a m p l ed a t a ，d i s p o s ed a t aw i t h f f ta n dc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o m p u t e r , t h eo t h e ri st h ec o m p u t e r ，w h i c hi s u s e dt o d i s p l a yr e s u l t ，a n ds oo n d a t aa c q u i s i t i o nu n i ta n dt h ec o m p u t e ra r e l i n k e db yr s 4 8 5 、 l a s t l y , t h es o f t w a r ef o rd a t a - a c q u i s t i o nu n i ti sd e s i g n e d t h e p a r t o ft h e t h e o r y a b o u to n l i n e w o r k i n g c o n d i t i o n m o n i t o r i n g r e s e a r c hf o rh i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ra r er e s e a r c h e d ，t h ep a r to ft h ed e s i g n o ft h eh a r d w a i ea n dt h es o f t w a r ea r ee o m p l e t e d k e y w o r d s ：h i g h v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r ；- v i b r a t i o n s i g n a l ；t r a v e l c h a r a c t e r i s t i c e x p e c t a n c y o fe l e c t r i c a le n d u r a n c e ；o n l i n em o n i t o r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 高压断路器概述 第1 章绪论 3 k v 及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统 中最重要的控制和保护设备。无论电力线路处在什么状态，例如空载、负 载或短路故障，当要求断路器动作时，它都应能可靠的动作，或是关台， 或是开断电路。概括的讲，高压断路器在电网中起着两方面的作用“1 ：第 一，控制作用。根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线 路投入或退出运行。第二，保护作用。高压断路器还可以在电力线路或设 备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常 运行。总之，高压断路器能够开断、关合及承载运行线路的正常电流，也 能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电 流。 根据控制、保护的对象不同，高压断路器可分为发电机断路器、输电 断路器、配电断路器、控制断路器。按灭弧原理又可划分为油断路器( 包 括多油和少油断路器) 、压缩空气断路器、s f 6 断路器、真空断路器、磁 吹断路器等。目前应用较多的是少油断路器、真空断路器和s f 6 断路器“1 。 断路器的典型结构见图1 1 。 图中开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常工作电流和故 障电流的执行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的分合动作 是靠操动机构来带动的，常用的操动机构有电磁操动机构、弹簧操动机构、 压缩空气气动操动机构和液压操动机构等。 开断元件放在绝缘支柱上 图1 1 ( a ) ，使处于高电位的触头、导电部 分及灭弧室与地电位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基坐上。这类结构称 为外壳带电断路器，或者称之为绝缘支柱式断路器。 另一类结构的断路器称之为外壳接地路器( 又称落地罐式) ，如图 1 ，1 f b ) 所示。开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体( 压缩空 气或六氟化硫) 或液体( 高压器油) 来承担，导电部分经套管引入，结构 比较稳定。常在额定电压高的电压和超高压断路器中使用，抗地震性能好。 高压断路器与其它电力设备如电机、电抗器、电容器相比，有以下几 个特点：结构的多样性、试验的重要性、要求高度的可靠性。电力系统的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ，医仁# l 。u 一 匕z i 一，巴 3 爿e = _ 、f _ = _ 一j 7 = 乃7 蔓万7 乒勘 ( a ) 带电箱壳 开断元件2 绝缘支座3 基座4 操动机构 5 绝缘套管6 接地外壳 图1 1 高压断路器典型结构图 运行状态和负载性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器， 要保证电力系统的安全运行，对它的要求也是多方面的，如对电气性能、 机械性能、开合能力以及断路器所处自然环境的要求，但是高度的可靠性 是对高压断路器最基本的要求。与高压断路器所保护的设备，如发电机、 变压器相比，单台断路器的价格要低得多。但是因断路器故障造成的损失， 如引起其它电力设备的损坏和电力系统的停电，则远远超过断路器本身的 价值。因此要十分重视断路器工作的可靠性，认真对待设计、加工、生产、 检验、安装、运行、维修等各个方面，以最大限度地保证断路器的可靠性。 对高压断路器实施预测性维修和科学化管理是断路器运行环节中提高可 靠性的最有效途径。 1 2 高压断路器在线监测技术发展史 与变压器、发电机、电容性设备相比，断路器在线监测技术起步较晚。 从某种意义上讲，“g i s 应用”和“状态维修概念”促进了断路器在线监 测技术的发展。在电力系统中，可能是由于断路器造价与变压器、发电机 等珍贵电力元件相比较为便宜，也可能是由于其故障时所造成的危害不如 电容性设备严重，虽然在变电和配电中，它所造成的非计划停电事故无论 从时间上和数量上都远远高于其它电力元件，但直到9 0 年代以后断路器 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在线监钡8 技术才逐渐发展起来。 在供配电系统中，断路器所导致的非计划停电事故，无论在事故总量 还是在事故时间上都是最多的。现在的电力系统事故不再单纯的以其对电 力系统的危害来衡量它所造成的经济损失。如果按我国权威部门所指出的 非计划停电事故所造成的直接损失、间接损失、社会损失的比例为1 ：4 ： 6 来估计损失的话，设备费用反而只占很小一部分。从这种意义上讲，加 强对诸如断路器等高事故电力元件的在线监测是减少损失的的最佳途径。 经济利益的驱动也推动了断路器在线监测技术的快速发展“。 随着供电电压的不断提高，断路器对介质有了特殊要求，油、真空、 s f 6 断路器的出现使得断路器的维修较为困难，“状态维修”的概念就是 在这种情况下产生的。目前，国家依然推行的是计划性预防维修：计划维 修盲目性大，费用高，且有些断路器的拆卸完全是不必要的。由于技术水 平等原因，解体拆装反而易对正常断路器造成损害，并降低了其利用率和 可靠性。随后有人提出状态维修的概念，用状态维修替代计划性维修。状 态维修克服了计划维修的盲目性，同时也最大化的节省了维护费用。状态 维修的前提是对断路器的状态预知，断路器在线监测技术为状态维修提供 状态预知的技术支持，状态检修的广泛应用也推动在线监测技术的发展。 g i s 装置是2 0 世纪6 0 年代中期才出现的一种新型电器装置。g i s 具 有占地面积小、维护工作量少、故障率低、不受环境条件影响以及运行性 能可靠等优点，已经得到国内外电力部门的公认，目前已成为高压配电装 罨的一个发展方向。g i s 技术的应用，使得其核心电力元件断路器的 检修更加困难，所以必须对其中的断路器进行状态监测才能做到维修量最 小和维护费用最低。g i s 的广泛应用成了断路器状态监测技术发展的另一 股推动力n “”。 2 0 世纪9 0 年代，美国、日本开始研究断路器的状态监测，美国学者 率先给出断路器电寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电寿命”的概 念，“全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是同期提出的，此时的研 究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究韵深入，都先后生 产了自己的断路器状态监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个 状态进行监测的问题。检测结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不 理想。1 9 9 2 年吉林电业局曾立项“断路器机械特性的监测”和“g i s 局部 放电特高频在线监测”，1 9 9 5 年清华大学高压教研室研制了c b a 一1 高压断 路器参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸电流、行程曲线及振动 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 信号1 。 总之，断路器在线监测技术起步较晚，“g i s 装置”和“状态维修”概 念促进了断路器在线监测技术的发展。短短十几年时间里断路器在线监测 技术得到了较快的发展。 1 3 国内外断路器在线监测技术现状 目前断路器在线监测技术已经进入了一个新的发展阶段，一些新理 论、新技术，新检测手段正在被开发、运用。断路器在线监测项目方面， 国内外正在做或已经做的主要有以下几个方面”1 ： ( 1 ) 记录分合闸操作的行程、时间特性曲线，提取机械运动参数，并 借之判断机械故障。 ( 2 ) 断路器的机械振动信号包含丰富的信息，受到国内外普遍的重视。 ( 3 ) 合、分闸线圈回路完整性监测。 ( 4 ) 测量静态电阻或动态电阻以检测触头的烧损情况。 ( 5 ) s f 6 压力检测。 ( 6 ) 绝缘检测。 ( 7 ) 人工智能与计算机结合的专家系统。 1 4 本课题的研究意义 1 4 1 对高压断路器实施在线监测的意义 高压断路器在电网中起控制和保护作用，当它发生故障或事故时会引 起电网事故或扩大事故，造成相当的经济及其它方面的损失。2 l 世纪世 界电能将有更大的发展，电能供应的安全可靠性、电能质量、经济性，包 括目前电力部门正在大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠 性都提出了更高的要求。 高压断路器的在线监测和故障诊断可以及时发现故障，从而提高其运 行可靠性。此外，当电力设备由定期维修转变为状态维修时，高压断路器 的在线监测对开关设备的重要参数能进行长期连续的监测，不仅可以提供 设备现有的运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无 存在故障的先兆，为设备的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养 周期，提高设备的利用率，减少维修保养费用，因而具有重要的经济意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 2 现有高压断路器在线监测系统中存在的问题 状态监测是实施状态检修的基础i 以科学的方法对设备运行状态进行 监测和诊断是实施状态检修的关键。我国对于电力设备状态检修的研究多 集中于变压器，发电机一类的大型设备，对于高压断路器的状态监测和诊 断的研究还处于起步阶段，现有的在线监测系统中普遍存在以下问题： 一监测量少，功能单一。多数系统只局限于研究断路器的电气或机 械某一方面的特性，如监测开断电流、累计跳闸次数、累计开断电流等等 二缺乏系统性和综合性。对断路器的监测功能只是作为微机保护或 录波装置的一个功能模块加以开发。 三采用的分析方法少。对断路器的运行状态的识别缺乏有效的数学 方法和技术手段。 1 5 本文的主要研究工作 高压断路器在线监测研究的内容十分广泛，本文着眼于高压断路器在 线监测系统中的一些信号处理和分析方法，以及高压断路器在线监测系统 中数据采集单元的硬件和软件设计。因此，本文将要在以下几个方面展开 研究工作： ( 1 ) 针对我国现有高压断路器在线监测系统中存在的问题，提出构 建高压断路器在线监测系统，规划设计系统的一般组成结构和功能模块。 ( 2 ) 对断路器的电寿命、行程特性、线圈电流进行详细的分析研究。 ( 3 ) 运用多种信号处理方法，如f f t 、功率谱分析以及能量包络分 析对断路器振动信号进行分析研究。 ( 4 ) 运用相似波形辨识技术对断路器的故障进行诊断，以满足高压 断路器在线监测系统的要求。 ( 5 ) 对断路器开断电流、分( 合) 闸线圈电流、振动信号以及触头 行程数据的采集方法进行研究，设计现场数据采集单元的硬件。 ( 6 ) 设计、开发断路器的各种信号处理软件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章高压断路器在线监测原理 2 1 高压断路器在线监测系统的基本目标 随着电力系统自动化的迅速发展和供电可靠性的日益提高，特别是目 前电力部门正大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠性提出 了更高的要求。为了适应这种要求，构建高压断路器在线监测系统。高压 断路器在线监测系统的根本任务是了解和掌握断路器的运行状态，为断路 器的故障诊断、性能评估、合理使用和安全工作等提供信息和准备基础数 据。因此，高压断路器在线监测系统应实现以下几个基本目标： ( 1 ) 建立高压断路器在线监测系统，对高压断路器进行长期连续监 测。传感器和数据采集模块安装在开关设备上，不影响设备的原有性能， 参数及可靠性。采用计算机技术、传感器技术、电磁兼容技术，使得高压 断路器现场数据采集单元的运行有足够的可靠性，可工作在强电磁干扰， 温度变化大，机械振动强的苛刻环境中。 ( 2 ) 高压断路器现场数据采集单元能把数据送到上级计算机，建立 高压断路器的状态数据库。应用信号处理技术，能对断路器运行状态的相 关数据进行管理。 ( 3 ) 监测系统不仅可以提供高压断路器当前的参数，而且还能分析 重要参数的变化趋势，为高压断路器的维修提供依据，增大设备的维修保 养周期，减少维修保养费用。 ( 4 ) 具有各种数据采集、信号处理、故障诊断、数据管理软件，人 机界面好。 ( 5 ) 具有良好的技术经济指标。 2 2 高压断路器在线监测系统的监测内容 根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些在线监测系统的运行 经验，确定高压断路器在线监测系统的状态监测和诊断的内容有： ( 1 ) 断路器的操动次数统计。 ( 2 ) 开断电流的累计。 ( 3 ) 与分合闸线圈有关的项目：线圈通路、线圈电流、线圈电压。 ( 4 ) 分合闸时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 5 ) 断路器的触头行程。 ( 6 ) 断路器的动触头速度。 ( 7 ) 断路器操动过程中的机械振动。 ( 8 ) 合闸弹簧状态。 ( 9 ) 导电接触部位的温度。 ( 1o ) 绝缘状态，如介损、局放、漏电流等指标。 ( 1 1 ) 液压或气压机构压力，启动次数。 ( 1 2 ) s f 6 断路器的气体密度。 ( 1 3 ) 真空断路器的真空度。 上述监测项目从不同角度反映断路器的状态，在实际的在线监测系统 中，可根据实际需要对上述项目进行选择。 根据目前掌握的技术水平，综合考虑工程可实现性和技术经济指标， 决定从机械、电气两方面对高压断路器的状态参数进行监测，确定高压断 路器在线监测系统的在线监测项目有：高压断路器的行程时间特性、 电寿命、振动信号、分( 合) 闸线圈电流。其它项目的在线监测方法在别 的论文中已有很多讨论，所以本文没有涉及。 2 3 行程时间特性的在线监测 2 3 1 监测的目的 高压断路器的行程一一时间特性是表征高压断路器机械特性的重要 参数，也是计算高压断路器分、合闸速度的依据。高压断路器分、合闸速 度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度，对断路器的开断性能有 至关重要的影响。高压断路器动触头速度的测量，主要是通过测量动触头 的行程时间关系，然后经过计算得到动触头的速度等参数。因此，高 压断路器的行程时间特性监测，是高压断路器在线监测的重要内容。 2 3 2 监测的原理 目前测量高压断路器的行程时间特性，多采用光电式位移传感器 与相应的测量电路配合进行，常用的有增量式旋转光电编码器或直线光电 编码器。直线光电编码器安装在断路器直线运动部件上，或者把旋转光电 编码器安装在断路器操动机构的主轴上，通过传感器测量分( 合) 闸操作 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 时动触头的运动f g 号 魇彤。 旋转光电编码器是输入轴角位移传感器，采用圆光栅，通过光电转换， 将轴旋转角位移转换成电脉冲信号。当输入轴转动时，编码器输出a 相、 b 相两路相位差9 0 。的正交脉冲串，正转时，b 脉冲超前a 脉冲9 0 。，反 转时，a 脉冲超前b 脉冲9 0 。，如图2 - 1 所示a a 厂 厂厂 厂 j 厂厂 厂 f 厂r 厂 刀 r r n 厂 b | 厂厂 厂 百 厂 厂 厂 厂 口， 厂r 几门 只厂 门r r nr r 厂 只r nr r r r 门r 图2 - 1 正交逻辑处理波形 系统用f p g a 采集a 相、b 相两路脉冲，荐对两相脉冲整形得到爿， j ，b ，雪四路方波信号，这四路方波信号经过处理得到上升沿窄脉冲信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 a ，a ，b ，b ，对窄脉冲信号进行运算处理，输出两路加减脉冲只和只 信号( 只表示正转时的脉冲数，p 表示反转时的脉冲数) ，根据文献 1 ， 可得到只和只的计算公式： 只= a 口+ a 曰+ b a + b a ( 2 - 1 ) 只= a b + a 口+ b a + b a ( 2 - 2 ) 两路加减脉冲信号经加减计数器计数，输出1 2 位二进制编码，其值与 断路器操作过程中动触头的运动过程相对应。 由于断路器种类繁多，脉冲数与行程的关系也很复杂，有的是线性关 系，而有的又是非线性关系，这要根据具体断路器具体分析。 2 3 3 行程时间特眭曲线分析 利用合( 分) 闸操作过程中动触头的行程一一时间波形，可算出动触头 合( 分) 闸操作的运动时间、动触头行程、动触头运动的平均速度和最大速 度与时间一一速度曲线等参数，并且通过对两相信号的计数，能得到转轴 转动的角位移的正负，从而可以测得断路器触头运动的反弹情况“”。 如图2 2 所示，断路器在合闸过程中，动触头刚开始的行程是0 ，随 o 1 0 02 0 03 0 0 4 ：0 0 t n s 图2 2 某个型号的断路器合闸操作过程行程一一时间特- 陛曲线 着时间的增加，只( 正向脉冲数) 也相应增加，根据脉冲个数与行程的对 应关系，则知断路器触头的行程也在增加。在某个时间只取得晟大使。时 间继续增加，只开始出现j 说明触头出现了反弹。这样，只和只交替出 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 现，这时就是表示合闸快结束时触头出现了反弹。时间继续增加，p 和只 不在变化，说明合闸过程结束。所以，从只开始出现，到只和只都不再 变化这段时间，是合闸时间。 把两个相邻的时间值相减，则得到采样间隔，再根据脉冲数与行程的 关系，则得到采样间隔所对应的行程，用这段行程除以采样间隔，则得到 该段行程对应的触头运动速度。当反弹开始出现时，计算方法与没有反弹 出现时的情况一样。计算完所有采样间隔对应的触头运动速度，则得到触 头运动的时间一一速度曲线；取出最大值，则得到触头合闸过程中运动的 最大速度。 用同样的方法，可以得到分闸过程触头运动的时间一一速度特性曲 线，分闸时间等参数。 2 4 断路器电寿命的在线监测 2 4 1 监测的目的 断路器触头电磨损是影响断路器电寿命的重要因素，是在线监测的重 要内容。在无法确定断路器实际切断电流大小及电磨损的情况下，对断路 器盲目解体，不但会造成巨大的人力、财力浪费和不必要的停电，而且会 使原本完好的断路器因检修而出现故障。目前，随着计算机技术的发展和 电寿命理论的不断完善，对断路器触头的电磨损情况进行在线监测已成为 可能，进而实现对触头电寿命的诊断，为实施断路器状态检修迈出了关键 的步“”。 2 4 ，2 传统的方法及缺陷 断路器的电寿命通常指一个新的灭弧室在多次开断短路电流之后，由 于触头和喷口的烧损直到不能正常开断短路电流时的寿命。i e c ( 国际电工 委员会) 和国家标准对电寿命都无规定。国外断路器生产厂家一般用断路 器累计开断短路电流的k a 数或累计开断额定开断电流的次数来标定电寿 命。大量的断流容量试验和现场运行的经验表明，影购电寿命的主要因素 是触头的磨损。在我国，传统的方法是用累计开断电流或累计开断次数的 方法来估计电磨损量m “i 。 上述断路器电寿命标定方法存在以下问题：一，累计开断次数由于没 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 有区分每次的开断电流和燃弧时间，据此估计触头磨损量是粗略的。二， 单纯以累计开断电流作为判断触头健康状态的依据是不准确的。事实上， 同一断路器在同样的外部条件下先后开断两次同样大小的电流值，其烧损 程度也可能不同。另外，若开断电流相差悬殊，由于断路器烧损机理不同， 同样大的累计开断电流值，在大电流开断时的烧损与在小电流时的烧损相 差很大。例如对压气式s f 6 断路器而吉，一次5 0 额定电流的触头烧损量 相当于7 8 5 次1 0 额定电流开断或0 3 1 次1 0 0 额定电流的触头烧损量“1 。 2 4 3 对传统方法的改进 与触头磨损有关的主要因素是开断电流的大小和燃弧时间的长短，即 电弧能量( 2 t ) 。用累计电弧能量来标定断路器的电寿命是一种相对而言 比较科学的方法。但是在工程实施中，这种方法操作不便，由于要求记录每 次开断的燃弧时间，存在较大的测量误差，影响判断的准确性。因此，在 高压断路器在线监测系统的电寿命分析模块中，应用相对电磨损和相对电 寿命的概念对断路器的电寿命进行分析和标定。 大量的试验结果表明，燃弧时间的长短对单次开断而言是随机的，在 一定区间范围内变化，但当开断次数达一定值后，其平均燃弧时间则是趋 近的( 2 0 次开断与3 0 次开断的平均燃弧时间几乎具有相同的标准差) ， 即随机因素对燃弧时间分散性及是否为首开相的影响从统计的角度来考 虑可以忽略不计，也就是说，对断路器使用寿命期间成百上千次开断而言， 断路器的电磨损可以只用开断电流作参照量“”。 从各种规范标准及推导的电磨损公式和曲线可知，断路器触头的电磨 损量m 都是一个绝对量( 如多少克) ，与燃弧电流和时间有关。但是，绝 对电磨损量的概念虽然在断路器电寿命试验中可以应用，实际运行中却不 方便操作，因为很难确定运行中的每台断路器触头的实际烧损量为多少， 也壳法知道额定开断电流或任一次开断电流的触头烧损量，生产厂家也没 有提供这类参数。但是对无论何种型号的断路器，都可以从其型式试验或 产品介绍中得知其额定短路开断电流下的允许开断次数，通过大量的试验 和运行分析，各种断路器的一l 曲线( 即开断次数与开断电流的关系曲 线) 也是已知的。如某种国产s f 6 断路器的一厶曲线如图2 3 所示。 利用这些数据，可建立相对磨损和相对电寿命的概念。 设额定短路电流下单次开断的电磨损量为m ，其对应的允许开断次数 n = 从统计平均和累计效应的角度来考虑，可认为该断路器的允许磨损总量 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 等效开断次数t 次 1 0 0 0 1 0 0 1 0 开断电流k a 图2 - 3 某断路器的n 一厶曲线 为1 ，或者说定义一台全新的断路器的触头允许磨损总量为1 0 0 ，即相对 电寿命为1 0 0 ，则每次开断额定短路开断电流时的相对磨损为1 n ( 定 义为q ) ，然后根据不同断路器的一l 曲线，即可求得任意大小的开断电 流对应的允许开断次数，则对应的单次开断的相对电磨损为1 。( 定 义为q 。) ，这样就求得断路器任一次开断时的相对电磨损量。根据文献 1 7 ，断路器的相对电寿命l 定义为： l = l o 一q ( 、2 3 ) 式中l 。为断路器触头电寿命的初始值，是一个不大于1 的百分数，其 值由断路器的运行历史决定，刚投运的或经过大修后的断路器其值可取为 i 0 0 。 2 4 4 几类断路器电寿命的计算公式 根据大量的试验结果和理论分析。”1 ，可得出少油断路器、s f 6 断路器 和真空断路器的相对电磨损量的计算方法。设，。为断路器额定开断电流， ，。为任一次开断电流，n 为额定短路开断电流下的开断次数，q 埘为对应 于开断电流i 。时的触头相对磨损量，则有： 少油断路器 q = ( + 万1 l 1 0 1 。 ( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 q 。= ( 卜嘉 邵洲。( 2 吲 s f 6 断路器 ”哗卜熹 q ，0 _ 5 1 1 ) 64 丽1 上面四个表达式中的a 、b 为经验系数。 真空断路器 1 ，3 5 i 。 ( 2 - 7 ) 一般可取口= 一1 6 ，b = 一1 ，7 。 对任一开断电流l ，真空断路器的相对电磨损可根据表2 - l 通过线性 插值求得。 表2 - 1 真空断路器的相对电磨损 i 。fi ， 1 0 0 7 5 5 0 3 5 2 5 l o 3 允许开断次数 n2 2 n5 n1 2 n2 0 n1 4 0 n3 0 0 n f 相对磨损量绋 1 n1 2 2 n1 5 n1 1 2 n1 ，2 0 n1 1 4 0 n1 3 0 0 n 经验表明，当开断电流l 3 - 。时，磨损量相对于一次满容量开断 的磨损量已经很小，故 3 l 的，。都视为3 i 。来处理“。 在高压断路器在线监测系统中，根据不同的断路器类型，求取每次开 断的相对电磨损量，累加各次开断的磨损量求得断路器的相对电寿命。当 相对电寿命小于某个阈值( 如2 0 ) 时，系统输出报警信息。“。 2 5 振动信号的在线监测 2 5 ，1 振动监测概述 国际大电网会议( c i g r e ) x 寸高压断路器可靠性所作的两次世界范围 的调查以及国内电力科学院对我国高压断路器事故的统计分析均表明，相 当比例的事故皆源于机械原因”。可见加强对机械系统，主要是操作、传 动机构系统的监测和诊断对保证高压断路器安全运行有重要的意义。而基 于振动信号的断路器机械状态诊断方法作为一种间接的、不拆卸的诊断方 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 法，目前已经成为国内外的研究热点m 】。 对于高压断路器，在分、合闸操作过程中，内部主要机构部件的运动、 撞击和摩擦都会引起表面的振动，振动是内部多种现象激励的响应，这些 激励包括机械操作、电动力或静电力作用、局部放电以及$ f 6 气体中的微 粒运动等。振动信号中包含丰富的机械状态信息，甚至机械系统结构上某 些细微变化也可以从振动信号上发现出来。因此，以外部振动信号为特征 信号，可以对高压断路器的机械状态进行监测。具体做法是在断路器适当 部位，如具有较大的振动强度，较大的信噪比的部分，安装振动传感器( 如 加速度传感器) ，当断路器进行合分闸操作时，采集振动信号经处理后作 为诊断的根据“。 监测振动信号的突出优点是振动信号的采集不涉及电气测量，振动信 号受电磁干扰小：传感器安装于外部，对断路器无任何影响。同时，振动 传感器尺寸小，工作可靠，价格低廉，灵敏度高，抗干扰好，特别适用于 动作频繁的高压断路器的在线监测及不拆卸检修。 根据相似性原则，对于同一高压断路器，同种状态下的重复操作过程 中，外部振动信号在一定范围内是稳定的，即采集的振动信号波形是相似 的。将当前采集的振动信号与已知状态的振动信号进行比较，分析它们的 相似程度，据此可作出相应的判断。下面讨论如何提取振动信号的特征以 及如何表征振动信号之间的相似程度”“。 2 5 2 振动信号的特征量提取 振动监测是一种外部的，间接的监测手段。从外部测量到的间接信号， 由于内部过程激励源的多样性，信号的形式与内涵是复杂的，希望获取的 信息可能是以微弱、隐含的方式存在着的，不通过一定的处理往往难以直 接得到结果。因此在设备的振动监测中需要使用大量的信号处理方法”。 同一些旋转设备不同，断路器是一种瞬动式电器，在正常运行时处于静止 状态，只有在执行控制操作和保护动作时才快速地动作，从而产生强烈振 动。试验和运行中发现，断路器的操作振动有如下特点：断路器的操作 是非周期性的一次动作，过程持续时间很短；振动加速度幅值很大，测 量比较容易；振动信号是非平稳瞬变信号，分析处理较困难；振动是 由系统构件的受力冲击或运动形态的变化引起的，在断路器一次操作过程 中，有一系列运动构件的启动、制动和撞击，形成一个个冲击，因此，正 常状态下的断路器其操作振动响应是相似的“。 西南交通犬学硕士研究生学位论文第15 页 鉴于断路器操作振动的上述特点，基于振动分析的断路器机械状态诊 断应首先着眼于对振动信号的分析处理、特征萃取，以最少的特征参数来 表征一个过程，从而根据相似性原则区分出正常与异常状态。通常可以从 时域、频域等几个方面来提取特征参数。 2 5 2 1 振动信号的时域分析 时域分析，即从时域提取振动信号特征量，是发展最早的一种诊断检 测方法。时域分析可以理解为振动信号的时域图象分析方法。在时域诊断 中，普遍采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征来进行分析和诊 断。以离散时间序列“，x ：，z 。 为例，时域分析通常选用以下指标。”： 最大值：工。= m a x x j ) ，最小值：x m = m i n x f ) ， 峰值： x 。= i x 一峰峰值：工m = j 一一x i i 血， 均值：二= 言新 均方值： 方差：s 2 = 去喜( _ 一牙) 2 一扎一孑2 ，方根幅值： = 去， 铲e 竞k 1 1 , 2 2 舫。= 辱，平均雌圹净， 峭度：铲丢静4 忆2 。， 峰值躲c = 未= 蔫， 波形黼五= 等= 蔫器 脉冲躲，= 鲁= 嵩格， 裕度指标：三2 詈2 赭 通过对振动实测信号计算上述时域指标时发现，时域特征量的分散度 较大，重复性也较差，同时，试验发现，一些时域明显不同的振动波都是 正常波，而完全一致的振动波形经采样重现和处理，也可能在局部出现较 大的差异。因此，仅用时域指标作为断路器操作振动的特征量是不科学的。 在高压断路器在线监测系统中，上述指标只用作记录断路器每次操作振动 波形的时域特征提供给运行人员，以备参阅，同时也作为一种辅助的判别 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 指标。 2 5 2 2 振动信号的频率构成分析 研究表明，断路器的机械振动波形是由一系列衰减的正弦子波，即一 系列频率不同的，幅度不断减小的正弦波组合而成，外部振动响应的幅值 与冲击作用力的大小成正比，振动的频率及衰减时间常数与高压断路器的 机械结构有关。因此，考虑结合频域分析来提取振动信号的特征。傅立 叶变换为了解振动信号的频率构成及选带分析提供了基本的手段”1 。 在现代信号处理与分析系统中，总是先将时域连续信号z ( f ) 经时域采 样离散化为时间序列x ( n ) ，再对x ( n ) 进行截取得到点有限长序列z 。( n ) ， 再利用离散傅立叶变化( d f t ) ，得到离散z 。( 七) ，即 做d f t 运算时选择参数的一般原则为： ( 1 ) 若已知信号的最高频率疋，为防止混叠，选定抽样频率f ： 工2 l ( 2 ) 根据实际需要，选定频率分辨率厂，旦厂选定，即可确定做 d f t 所需的点数： n = 工a f ( 2 - 9 ) 我们希望厂越小越好，但厂越小，越大。使计算量、存储量也随 之增大。为了进行快速傅立叶变换，一般取2 的整次幂，若点数据已 给定，且不能再增加，可用补零的办法使为2 的整次幂。 ( 3 ) f 和确定以后，即可确定所需相应模拟信号工o ) 的长度 t = n | p a r t s 对信号进行谱分析时，主要关心两个问题：谱分析范围和谱分辨率。 谱分析范围受采样频率厂的限制。 x 。( 庀) 是工积) 的傅里叶变换在数字角频率区间i o ，2 1 r i 上的点等间隔 采样，而不可见采样序歹日的全频谱特性，这就好像是在栅栏一边通过缝隙 观看另一边的景象一样，所以称这种现象为栅栏效应。被“栅栏? 挡住的 景象是看不到的，有可能漏掉较大的频率分量。不过在实际问题中，能被 “栅栏”挡住的频谱的情况很少，栅栏效应不是很严重的问题。 在做d f t 时，d f t 变换的点数，通常都取为2 的整数次幂，如果不是 8 2一o = 柚 堡 一 p孢 x 删 | i 七 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 的整数次幂，则需要在数据后面补零。补零之后还能克服“栅栏”效应， 使谱的外观得到平滑；另一方面，由于对数据截短所引起的频域泄露，有 可能在频谱中出现一些难以确认的谱峰，补零之后也可以消除这种现象。 2 5 2 3 振动信号的功率谱分析 观察实测的振动信号发现，信号的能量在时间轴上的某些区间表现出 明显的集中现象。因此，考虑从功率的角度对信号进行分析。 经典的功率谱估计目前有两种基本方法，一是直接法，二是间接法。3 。 直接法又称周期图法，它是把随机信号x ( n ) 的点观察数据x 。( n ) 视 为一能量有限信号，直接取h ( n ) 的傅立叶变换，得x 。0 一) ，然后再取其 幅值的平方，并除以，作为对x ( n ) 真实的功率谱p ( e 一) 的估计。 6 1 p p e r ( w ) = l 。( w ) 1 2 ( 2 - 1 0 ) v 周期图这一概念是由s c h u s t e r 于1 9 8 9 年首先提出的。因为它是直接 由傅立叶变换得到的，所以人们习惯上称之为直接法。自1 9 6 5 年f f t 出 现后，此方法就变成了谱估计中的一个常用的方法。将w 在单位圆上等间 隔取值，得 “ 1 ( k ) = i x ( k ) 1 2 ( 2 - 1 1 ) v 由于x 。( k ) 可以用f f t 快速计算，所以p p e r ( k ) 也可方便的求出。由前 面的讨论可知，上述谱估计的方法包含了下述假设步骤： 把平稳随机信号z ( n ) 视为各态遍历的，用其一个样本x ( n ) 来代替 x ( n ) ，并且仅利用x ( n ) 的个观察值x 。( ”) 来估计x ( h ) 的功率谱p ( w ) 。 从记录到的一个连续信号x ( f ) 到估计出p e p ( 七) ，还包括了对x ( f ) 的 离散化( a d ) ，必要韵预处理( 如除去均值、除去信号的趋势项、滤波) 等。 间接法的理论基础是维纳一一辛钦定理。1 9 5 8 年b l a c k m a n 和t u k e y 给出了这一方法的具体实现，即先由x 。( n ) 估计出自相关函数r ( m ) ，然后 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 对r ( m ) 求傅立叶变换，便得到h ( n ) 的功率谱，记之为p 。r ( 。，以此作为 p f w ) 的估计，即 6 旦“ p b r ( w ) = 芝：r ( m ) e ml m 降n 一1 ( 2 - 1 2 ) m 一一m 因为由这种方法求出的功率谱是通过自相关函数间接得到的，所以称 为间接法，又称自相关法，或b t 法。当m 较小时，上式的计算量不是很 大，因此，该方法是在f f t 问世之前常用的谱估计方法。 经典谱估计算法具有以下一些特点： 经典谱估计方法，不论是直接法还是间接法，都可用f f t 快速算法， 且物理概念明确，因而仍然是目前较常用的谱估计方法； 谱的分辨率较低，它正比于2 疗n ，是所用的数据长度； 由于不可避免的窗函数影响，使得真正谱p ( w ) 在窗口主瓣内的功率 向边瓣部分“泄露”，降低了分辨率。较大的边瓣有可能掩盖p ( w ) 中的较 弱的成分，或是产生假的峰值。当分析的数据较短时，这些影响更为突出； 方差性能不好，不是p ( ”的一致估计，且增大时谱曲线起伏加 剧： 周期图的平滑和平均是和窗函数的使用紧紧相关联的。平滑和平均 主要是用来改善周期的方差性能，但往往又减小了分辨效率和增大了偏 差。没有一个窗函数能使估计的谱在方差、偏差和分辨率各个方面都得到 改善。因此，窗函数只是改进估计质量的一个技巧问题，而不是根本的解 决办法。 25 2 4 信号能量包络分析 离散包络统计( d e s ，d i s c r e t e e n v e l o ps t a t i s t i c ) 是系统中采用的另一种 信号处理的方法。d e s 用于从振动信号中提取幅值( 包络) 信息【3 “。 设点时域离散振动信号为z ( n ) ，0 n s n 一1 ，则d e s 定义为 - _ 。- 。- - - _ - - _ 。_ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 e ( n ) = x 2 ( ”) 一x ( n 一1 ) x ( n + 1 ) ，0 s 栉n l ( 2 1 3 ) 从每一采样值的平方中减去相邻两点的积，可以减少由于平方项引入 的谐波分量。 对某个断路器的振动信号进行能量包络分析，如图2 4 所示。与原时 域振动信号比较可以发现，d e s 能够表征振动信号的包络。从图2 4 ( b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 可见，振动信号的d e s 包含高频分量，表现在波形不光滑，为了能更有效 地突出包络的主要特征，便于后续的分析，用一低通滤波器对d e s 进行处 理，为此，用窗函数法设计1 0 0 阶海明窗( h a m m i