王 震

（國網(wǎng)寶雞供電公司，陜西 寶雞 721013）

0 引 言

隨著用電需求逐漸多元化，高壓斷路器的使用時間呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，大大增加了斷路器機械結(jié)構(gòu)的磨損速度。在相同的投入使用時間內(nèi)，分合閘二次機構(gòu)的故障問題越來越明顯[1,2]。不僅如此，斷路器相關(guān)部件出現(xiàn)老化或損壞等問題也會導(dǎo)致斷路器的運行狀態(tài)出現(xiàn)異常，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[3]。斷路器出現(xiàn)故障時，極有可能導(dǎo)致大面積停電，給企業(yè)和用戶帶來經(jīng)濟損失，并造成負面的社會影響[4]。因此，研究斷路器的機械特性和故障診斷方法極為必要[5]。只有及時發(fā)現(xiàn)斷路器故障，并安排針對性的檢修措施，才能切實保障高壓斷路器在其生命周期內(nèi)充分發(fā)揮使用價值[6]?；谠摫尘?，以10 kV 真空斷路器為研究對象，提出一種故障診斷方法，并結(jié)合其機械特性，有效判定該斷路器的故障狀態(tài)。

1 10 kV 真空斷路器機械特性及故障診斷方法設(shè)計

1.1 10 kV 真空斷路器機械特征參數(shù)獲取

要準確診斷真空斷路器是否發(fā)生故障，首先需要獲取其運行狀態(tài)的機械特性參數(shù)。大部分故障診斷方法僅僅以真空斷路器顯示的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展相關(guān)分析，因此不夠靈敏[7]?；谠摫尘埃眯盘杺鞲衅魈崛≌婵諗嗦菲鞯臋C械特征參數(shù)，將STC8A8K64D4單片機作為采集裝置，借助高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將真空斷路器的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。考慮不同設(shè)備的運行狀態(tài)和性能不同，設(shè)置數(shù)據(jù)采集階段的采樣率為1.0 MHz，從而確保采集結(jié)果的完整性。采集過程中，具體的采集數(shù)據(jù)信息可以表示為

式中：S為真空斷路器的運行特征參數(shù)；s1為真空斷路器運行階段的驅(qū)動電壓參數(shù)；s2為真空斷路器運行階段的線圈電流參數(shù)；s3為真空斷路器運行階段的啟動電流參數(shù)；s4為真空斷路器運行階段的振動頻率參數(shù)；s5為真空斷路器運行階段的振動幅值參數(shù)。

根據(jù)式（1）計算真空斷路器運行階段的機械特性，可以表示為

式中：f(S)為真空斷路器運行階段的機械特性參數(shù)。

根據(jù)式（1）和式（2）提取10 kV 真空斷路器的機械特征參數(shù)，可為故障診斷提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2 10 kV 真空斷路器故障診斷

根據(jù)實際運行參數(shù)與特征參數(shù)之間的關(guān)系，診斷真空斷路器是否存在故障。通過式（2）可以看出，性能穩(wěn)定的10 kV 真空斷路器的振動狀態(tài)參數(shù)與輸入的電流和電壓參數(shù)有關(guān)。實際的故障診斷函數(shù)可以表示為

式中：F(t)為10 kV 真空斷路器的故障診斷函數(shù)；ft(S)為t時刻的10 kV 真空斷路器機械特征參數(shù)。

當f(S)-ft(S)的值為恒值時，表明此時的10 kV 真空斷路器處于穩(wěn)定運行狀態(tài)；當f(S)-ft(S)的值為非恒值時，表明此時的10 kV 真空斷路器處于故障運行狀態(tài)。需要注意，f(S)-ft(S)的結(jié)果主要取決于ft(S)。當真空斷路器的輸入電壓和電流發(fā)生改變時，機械振動信號發(fā)生相應(yīng)改變。在正常狀態(tài)下，振動幅值和振動頻率的變化比例相同，一旦出現(xiàn)振動幅值與振動頻率變化比例不同的情況，表明此時的設(shè)備處于故障狀態(tài)。宏觀上，該故障的表現(xiàn)形式多樣，因此引入電壓和電流參數(shù)判斷具體的故障形式。

當f(S)-ft(S)的值為非恒值時，10 kV 真空斷路器的故障狀態(tài)判定包括2 種情況：振動幅值與振動頻率參數(shù)比值增大或減小，f(S)-ft(S)也增大或減小時，故障類型為阻斷類異常；振動幅值與振動頻率參數(shù)比值增大或減小，f(S)-ft(S)卻減小或增大時，故障類型為阻值類異常。由此實現(xiàn)對10 kV 真空斷路器故障狀態(tài)的有效診斷。

2 測試與分析

2.1 測試環(huán)境

設(shè)置對比測試環(huán)境，將線圈電流信號診斷方法和動態(tài)時間規(guī)整診斷方法作為對照組，通過對比不同方法在相同測試條件下對故障的診斷效果，對其應(yīng)用效果作出評價。在測試環(huán)境設(shè)置階段，選擇某地區(qū)電網(wǎng)中的ZN28A 型高壓斷路器裝置作為測試對象，最高運行電壓為11.5 kV，使用MATLAB 仿真軟件模擬故障狀態(tài)。高壓斷路器故障設(shè)置情況統(tǒng)計，如表1所示。

表1 高壓斷路器故障設(shè)置情況統(tǒng)計表

實際運行過程中，斷路器的故障狀態(tài)會隨時間發(fā)生變化，需設(shè)置不同的故障異常程度。以正常運行參數(shù)為基礎(chǔ)，分別設(shè)置異常程度為30.0%、20.0%以及10.0%，并對比不同方法對故障的診斷結(jié)果。

2.2 測試結(jié)果與分析

不同測試環(huán)境下，3 種故障診斷方法的測試結(jié)果如表2 所示。表2 中：“T”表示測試結(jié)果為準確診斷斷路器裝置的故障；“F”表示測試結(jié)果為未能準確診斷斷路器裝置的故障。

表2 不同方法不同故障異常程度的測試結(jié)果對比表

分析3 種診斷方法的測試結(jié)果：當斷路器運行狀態(tài)異常程度為30%時，3 種方法均實現(xiàn)了對故障狀態(tài)的有效診斷，但是線圈電流信號診斷方法和動態(tài)時間規(guī)整診斷方法未能正確判斷出氣動機構(gòu)異常；當斷路器運行狀態(tài)異常程度為20%時，線圈電流信號診斷方法的有效診斷數(shù)量為8 種，動態(tài)時間規(guī)整診斷方法有效診斷數(shù)量為6 種，本文設(shè)計診斷方法有效診斷數(shù)量為9 種；當斷路器運行狀態(tài)異常程度為10%時，線圈電流信號診斷方法有效診斷數(shù)量僅為4 種，動態(tài)時間規(guī)整診斷方法有效診斷數(shù)量為5 種，本文設(shè)計診斷方法有效診斷數(shù)量仍為9 種。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的10 kV 真空斷路器機械特性及故障診斷方法可以實現(xiàn)對不同程度故障的有效診斷，滿足盡早發(fā)現(xiàn)故障的設(shè)備管理要求，具有良好的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 論

準確診斷斷路器的故障是后續(xù)檢修工作有序開展的重要基礎(chǔ)，直接影響用戶的停電時間，在提高社會經(jīng)濟效益方面也能起到一定作用。提出10 kV 真空斷路器機械特性及故障診斷方法，以斷路器機械特性為基礎(chǔ)，結(jié)合斷路器的實際機械參數(shù)狀態(tài)與理想特性參數(shù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)對設(shè)備故障的有效診斷，以期為提高斷路器設(shè)備的利用率提供助益，為保障電網(wǎng)的安全運行發(fā)揮積極的作用。