南網(wǎng)昆明供電局 袁 峻

在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，高壓真空斷路器是十分關(guān)鍵的設(shè)施，如常用的10kV斷路器，可以對電路進(jìn)行保護(hù)和管理。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)穩(wěn)定成為關(guān)乎國計民生的重要問題。然而伴隨高壓真空斷路器運(yùn)用范圍的增大，高壓真空斷路器的故障數(shù)量也漸漸增多。斷路器是否正常對于電力系統(tǒng)的安全程度有重大影響，立足于架構(gòu)層面剖析，高壓真空斷路器包括支架、真空滅弧室、操動機(jī)構(gòu)等因素。根據(jù)國際大電網(wǎng)會議調(diào)查，高壓真空斷路器故障中80%為機(jī)械故障，因此可針對高壓真空斷路器機(jī)械特性進(jìn)行在線監(jiān)測，結(jié)合其機(jī)械特性信號為在線監(jiān)測與故障診斷提供依據(jù)[1]。

基于該背景，本論文深入剖析了高壓真空斷路器在機(jī)械層面的特點(diǎn)、在線監(jiān)測技術(shù)成功應(yīng)用所需的條件，基于高壓真空斷路器機(jī)械特性和在線監(jiān)測技術(shù)使用的現(xiàn)實(shí)情況，闡述其將來的發(fā)展態(tài)勢。

1 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測內(nèi)容

1.1 高壓真空斷路器構(gòu)成

對于電力系統(tǒng)而言，高壓真空斷路器是不可缺少的重要設(shè)備，用來對電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)與管理。高壓真空斷路器組主要由導(dǎo)電部分、絕緣部分、操動系統(tǒng)以及滅弧裝置和接觸系統(tǒng)構(gòu)成，其中導(dǎo)電部分能確保高壓真空斷路器長時間通電；絕緣部分能確保高壓真空斷路器對地絕緣、斷口絕緣以及相間絕緣；操動系統(tǒng)能控制高壓真空斷路器的分合閘、控制器動靜觸頭的隔斷；滅弧和接觸系統(tǒng)大多使用在電路接通與斷開等方面。對于高壓真空斷路器而言操動系統(tǒng)是最關(guān)鍵的組成因素，可保證高壓真空斷路器穩(wěn)定運(yùn)行，保證長期動作靈活。

1.2 高壓真空斷路器故障類型

高壓真空斷路器所出現(xiàn)的故障類型能分成誤動故障與拒動故障。拒動故障主要是由于機(jī)械原因和電氣原因引發(fā)的分合閘故障，操動系統(tǒng)及其傳動系統(tǒng)所引發(fā)的故障占拒動故障的60%以上，主要包括機(jī)械卡澀、軸銷松斷、部件變形移位等故障類型；電氣故障是由于電氣控制所引發(fā)的拒動故障，包括保險絲熔斷、二次接線失敗等類型。引發(fā)誤動故障的主因包括彈簧操動機(jī)構(gòu)故障、液壓機(jī)構(gòu)故障及二次回路故障等類型。從高壓真空斷路器的故障看，操動系統(tǒng)所引發(fā)故障占80%以上，且其操動系統(tǒng)運(yùn)行時會引發(fā)相應(yīng)的振動信號。通過監(jiān)測操動系統(tǒng)的機(jī)械特性信號，能夠?qū)崿F(xiàn)對操動系統(tǒng)的在線監(jiān)控，為其故障檢測與診斷提供依據(jù)。

1.3 在線監(jiān)測基本內(nèi)容

依托機(jī)械系統(tǒng)，高壓真空斷路器有效進(jìn)行開閘與合閘等操作，進(jìn)而對電路進(jìn)行保護(hù)與管理。對于電路系統(tǒng)而言，高壓真空斷路器機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性是確保其穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)是以斷路器機(jī)械性信號為根基，搜集有關(guān)信號且進(jìn)行精準(zhǔn)提取，進(jìn)而為科學(xué)評估系統(tǒng)運(yùn)行情況提供可靠根據(jù)。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測是故障診斷的基礎(chǔ)。

高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測的主要內(nèi)容包括其機(jī)械構(gòu)件的信號，分合閘及儲能線圈電流的波形、分合閘操作產(chǎn)生的振動信號、分合閘操作的時動曲線等。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)能通過不同的信號綜合分析分合閘的運(yùn)行情況，做出準(zhǔn)確判斷。

2 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

2.1 信號特征

高壓真空斷路器在運(yùn)行過程中，由于各個部件受到撞擊、摩擦，從而產(chǎn)生不同頻率及持續(xù)時間的機(jī)械運(yùn)動，導(dǎo)致斷路器內(nèi)部構(gòu)件產(chǎn)生振動信號。振動信號能反映高壓真空斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動狀態(tài)，從而反映其運(yùn)行情況。由于高壓真空斷路器分合閘的時間很短，內(nèi)部構(gòu)建不間斷運(yùn)動，都會產(chǎn)生相應(yīng)的振動子波，相互疊加就能夠產(chǎn)生振動信號。在檢測過程中，通過分析高壓真空斷路器振動信號的波形與運(yùn)動特性的關(guān)系，從而能夠判斷機(jī)械特性狀態(tài)。

2.2 信號采集

要想讓高壓真空斷路器的功能得到全面發(fā)揮，首先要進(jìn)行振動信號的搜集。常用高壓真空斷路器的振動信號傳感器包括光電傳感器、差動變壓器式位移傳感器以及電阻式位移傳感器。光電傳感器是通過光電轉(zhuǎn)換原理將振動信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，從而顯示振動信號的波動與數(shù)值，該型采集器具有體積小、精度高等特點(diǎn)，但成本相對較高。差動變壓器式位移傳感器主要是利用感應(yīng)式位移傳感器的方式，通過自動移動的活動鐵芯感應(yīng)高壓真空斷路器的振動，并通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)變成為電壓信號，該種信號采集方式具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但體積較大、運(yùn)行難度較大。

電阻式位移傳感器主要是通過測量電阻兩端電流及電壓情況，從而判斷高壓真空斷路器觸頭的運(yùn)動情況，電阻式傳感器中的加速度傳感器方法具有精度較高、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，成本也相對較低，綜合效果較好。采用金屬固持膠將加速度位移傳感器粘貼于斷路器上，能在不破壞高壓真空斷路器結(jié)構(gòu)的情況下獲得較好的振動信號。通常選擇高壓真空斷路器振動源部位作為安裝位置。

2.3 振動信號的監(jiān)測

高壓真空斷路器振動信號具有豐富的信息，能通過振動信號綜合了解設(shè)備狀態(tài)。高壓真空斷路器振動信號的頻率通常在10kHz以內(nèi)，選用采集頻率為20kHz以上的采集卡。經(jīng)過使用加速度傳感器進(jìn)行振動信號的搜集，得到高壓真空斷路器的有關(guān)數(shù)據(jù)。在檢測過程中能分析振動信號相應(yīng)的振動過程，對產(chǎn)生振動過程的部件及相應(yīng)的運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行分析。因?yàn)楦邏赫婵諗嗦菲髡駝邮录l(fā)生的順序相對固定，因此可通過振動信號提取振動特征，識別振動事件。

2.4 振動信號分析

由于高壓真空斷路器的內(nèi)部激勵源的多樣性，振動信號的表現(xiàn)形式十分復(fù)雜。因此需采用有效方法對高壓真空斷路器振動信號進(jìn)行分析。相關(guān)研究顯示，高壓真空斷路器的振動信號屬于非周期性的一次動作，持續(xù)時間短且屬于非平穩(wěn)瞬變信號。正常狀態(tài)下斷路器振動響應(yīng)曲線相似。

高壓真空斷路器振動信號可通過時域和頻域兩個方面進(jìn)行分析。時域分析是對時間域內(nèi)的振動信號進(jìn)行提取，從而分析其振動信號的時域波動特性，分析其峰值、均值等參數(shù)，從而判斷機(jī)械特性。頻域分析是采用傅里葉變換將原始信號進(jìn)行頻譜分解，從而對振動信號進(jìn)行分析。單純的時域分析和頻域分析重復(fù)性較差，分散度大，綜合時域分析和頻域分析的時頻方法能更好地分析振動信號。通過短時傅里葉變換分析每一個時間窗內(nèi)的頻率，以此獲知頻率在總體時間的變化。采用小波分析的方法將信號分解到不同頻帶中，能在不同分辨率下觀察振動信號。綜合各種方法，小波分析法是高壓真空斷路器振動信號分析的常用方法，其中母小波的選擇是其應(yīng)用難點(diǎn)[2]。

3 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)與展望

高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測一方面要對振動信號進(jìn)行采集和剖析，另一方面還離不開相關(guān)軟硬件的支撐。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要：基于嵌入式下位機(jī)系統(tǒng)，采用其能準(zhǔn)確獲取高壓真空斷路器的電流、行程以及振動信號；虛擬儀器系統(tǒng)，其是現(xiàn)代測量技術(shù)，通過計算機(jī)與儀器硬件相結(jié)合將嵌入式下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并輸入虛擬儀器的軟件系統(tǒng)有效分析振動信號；網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，利用其能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與檢驗(yàn)，采用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測并對斷路器情況進(jìn)行在線分析。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測技術(shù)會向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。從高壓真空斷路器機(jī)械特征在線監(jiān)測來看，在線監(jiān)測系統(tǒng)的繼承性和通用性將會提升，且其產(chǎn)品化進(jìn)程加快，提升高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

綜上，高壓真空斷路器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，機(jī)械特性是高壓真空斷路器可靠性的關(guān)鍵因素。高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測能對其機(jī)械性能進(jìn)行分析，從而了解其機(jī)械構(gòu)件故障，為高壓真空斷路器的故障預(yù)警和檢修提供支持，提升高壓真空斷路器運(yùn)行可靠性。