（电气工程专业论文）断路器机械特性在线监测的研究.pdf

学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：止2 亟出日期：兰型垦厶；? 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名：燃翩躲牟些吼坐擘 摘要 摘要 断路器作为电力输配电系统中应用最为普遍的开关电器设备，其运行状态直接影响 着电力系统的运行稳定性和供电可靠性。对断路器实施状态检修，可显著提高其运行的 可靠性和经济性。而状态监测与故障诊断技术是实现电力设备状态检修的基础性技术。 断路器状态监测和故障诊断为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。 断路器的绝大部分事故源于机械方面的原因，故研究其机械故障诊断具有重要的意 义。实施断路器机械特性在线监测是状态检修机制发展的一个必然趋势，也是未来智能 化断路器研究的重要组成部分。根据体现断路器运行故障的重要参量振动信号诊断 故障较难的现状，重点分析振动信号波形，给出断路器的故障诊断结果，并建立起断路 器的正常指纹库和故障指纹库。 介绍了目前状态监测和故障诊断研究的基本情况，介绍了各种状态监测和故障诊断 的技术，并对其未来的发展方向进行了探讨，研究分析了断路器机械特性方面的各种状 态监测方法。利用小波分析技术，模极大值分析法，利用小波分解来检测信号突变点， 根据信号出现突变时，小波变换后的系数具有模量极大值，来确定故障发生的时间点， 并且将奇异性指数作为故障诊断的特征参数。提取振动信号的幅值和振动事件发生的时 间段作为特征参量进行故障诊断。 首次提出的基于小波包分解重构理论的“小波包频带能量经验矢量 方法，对断 路器故障信息进行了有效特征提取和识别，该方法能对断路器故障进行正确诊断，是一 种有效的方法。提出了将统计过程控制用于断路器趋势诊断，将断路器的运行参数和历 史运行参数相比，根据非正常运行的典型判据判断断路器的缺陷发展趋势，起到预防故 障发生的作用。提出将e m d 分解得到的固有模态函数( i m f ) 能量熵值作为表征断路 器故障类型的新特征向量，提取了正常和故障状态下振动信号的i m f 能量熵值特征向 量，并以此作为径向基神经网络的输入向量。最后，引入置信度的概念，对径向基神经 网络的输出结果进行评价。 关键词：断路器；在线监测；振动信号；故障诊断 a b s t r a c t a b s t r a c t c i r c u i tb r e a k e rh a sb e e n 、析d e l ya p p l i e di nm e d i u | nv o l t a g ep o w e rs y s t e m t h ea v a 订a b i l i 锣 a n dr e l i a b i l i t yo fp o 、e rs y s t e mi sd i r e c t l yd e t e r m i n e db vt h eo p e r a t i n gp e r f o 肌a n c eo fc b s i no r d e rt oi n c 豫a s et h er e l i a b i l i 付a 1 1 ds a f e t vo fp o w e rs v s t e mc o n d i t i o nm o i l i t o r i n ga n d f a 主1 u r ed i a 鲫o s i sa r en e c e s s a r yf o rc b h o w e v e r t 1 1 e r ea r em a i l yd i m c u l t i e si nc bf 甄l u r e d i 罐p o s i s m o s tf a u h so fc i r c u i tb r e a l 【e ri sm em a c h i n e r yf - a u l t s ，s os t u d yt h em e 也o do ff a u l t sd i a 星皿o s e o fm e c h a m c a lp a r t si nc i r c u i tb r e a l ( e ri si m p o r t a n t o m i n em o l l i t o r i n gt e c l l l l o l o g yo f m e c h 砌c a lc h 孤a c t e r i s t i c sf o rc bi st h et r e n do fs t a t em a i m e n a l l c e i ti sa l s ot h ee s s e m i a l r e s e a l c hp a r to fi n t e n i g e n tc i r c u i tb r e a k e ri i l 矗m l r e a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h ev i b r a t i o n s i 阴a l a ni 1 1 1 p o r t a i l tp a r a m e t e rr e f l e c t i n g 也ec i i c u i tb r e a k e rn i i l 】 1 i n gf a i l u r ei sd i f j f i c u l tt o d i a 擘m o s e f o c u so nv i b r a t i o ns i 擘田a l ，a tl a s t ，p r o v i d et h ef i a u l td i a 霉m o s er e s u l to fc n u i tb r ea ：k e r ， a n db u i l dc i r c u i tb r ea ：k e r ss t a i l d a r df i n g e rl i b “l r va n df - a u l tf i n g e rl i b r a r y t l l i sp a p e rm t r o d u c e st h es i t u a t i o no fc l 】r r e n tr e s e a r c ho n ee q u i p m e n t 似em o l l i t o r i n ga i l d f - a u l td i 卿l o s i sa tf i r s t ，a 1 1 dt h e np r e s e n t sav a r i e t yo f t e c l l l l o l o g yo nm o n i t o r i n ga i l dd i a g n o s i s a n dp i i o b e si t sd e v e l o p m e n tt e n d e n c v t h ed e v e l o p m e n to fs i g n a lc a p t i l r e 臼e n da n d 吐1 e a 】1 a l v s i so ft h em a x i m 啪m o d u l eb a s e do n 也ew a v e l e tt r a n s f o n n c a p t l l r et h es i 鼬a l s1 0 w f r e q u e n c yc o m p o n e n ta c c o r d i n gt ot h ew a v e l e tt r a i l l s f - o mw h i c hd e v e l o p i n gt r e n d t h e ni tc a i l e s t i m a t e 也es t a t u so fc ba c c o r d i n gt oc o m p a r et h en o m l a lc o n d i t i o n sw a v e f o n l lw i t ht h e f a u l tc o n d i t i o n sw a | v e f b 册p r o c e s st h em e c h 鲫i s mv i b r a t i o ns i g 皿a lo n l et h e o r yo fw a v e l e t s i i l g u l 撕饵d e t e c t i o n w h e nt l l es i 窖皿a lo c c u r ss i n 擘姒l a r l y ， t l l ec o e 伍c i e n t si n a x i m u mm o d u l e c a na p p e a r i tc a i lc o n f i n nm et i m ew h e nt h ef a u l to c c u r 6 nt h es 锄et i i n e ，m em o d u l ec a nb e c o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ef a u l td i a 2 口o s i s t h i sp a 口i e rp r o p o s e ss p co nf 撕l u r e sd e f e n d i n gf o rp r e v e n t i i l gt h ec b 丘o mg o i l l gw r o n g t h e e n e r g ye n t r o p yo fi n t r i n s i cm o d ef u l l c t i o n ( i m f ) d e c o m p o s e db ye m di sp r o p o s e da st h e n e wc h 孤a c t e r i s t i cf e a ：t 1 1 r et oi d e n t i f yt l l ef a u l tt v p eo fc i r c u i tb r e a k e r t h ei m fe n e r g ye n t r o p y o fv i b r a t i o ns i 鲫a li nn o m l a la n df i a u l tc i r c u i tb r e a k e ri se x 仃a c t e dr e s p e c t i v e l ya n di st a k e na u s t h ei 1 1 p u to fr a l d i a lb a s i s 如n c t i o nn e u 】豫ln e t 、o r k st oi d e n t i 母t h ef a u hs 田l e t h ec o 血d e n c e d e g r e ei sa l s oi 1 1 n d d u c e di nt h j sp a p e rt oe v a j u a t et h eo u t p u to fn e u r a ln e t 、o r k s k e y w o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；o n - l i n ew b 越n gc o n d i t i o nm o l l i t o r i n g ；v i b r a t i o ns i 印a l ；f a u l t d i a g n o s i s i l 目录 目录 摘要i a b s l r a c t i i 目录i i i 第一章绪论。1 1 1 断路器机械特性在线监测的目的和意义1 1 2 断路器机械特性在线监测的发展现状2 1 3 本课题的主要研究工作。3 1 4 本章小结4 第二章断路器机械特性在线监测原理5 2 1 高压断路器简介5 2 1 1 高压断路器的特点与组成结构5 2 1 2 高压断路器的操动结构与机械寿命5 2 1 3 高压断路器的机械故障类型介绍6 2 2 断路器机械特性在线监测7 2 2 1 机械特性在线监测内容7 2 2 2 机械特性在线监测方法及存在的问题9 2 2 3 断路器机械特性在线监测系统硬件设计1 0 2 3 断路器动作振动信号分析1 0 2 3 1 振动测试技术1 0 2 3 2 断路器操作振动的特点1 1 2 3 3 断路器合( 分) 闸过程中振动的时域特征1 1 2 3 4 振动信号检测方法1 2 2 3 5 振动信号测量点的选取1 4 2 4 本章小结1 4 第三章小波奇异性检测在振动信号故障诊断中的应用1 5 3 1 小波分析法1 5 3 1 1 小波分析理论简介1 5 3 1 2 小波变换的应用形式。l7 3 1 3 小波基的选择18 3 1 4 多分辨率分析和m a l l a t 算法18 3 2 用小波变换对振动信号进行消噪处理2 0 3 2 1 小波消噪机理。2 0 3 2 2 小波消噪方法及实现步骤2 1 3 3 信号包络的提取2 2 3 4 信号奇异性指数的计算2 3 3 5 本章小结2 4 第四章采用小波能量及经验矢量法分析振动信号2 5 4 1 断路器振动信号特征量分析2 5 4 1 1 信号的小波包分解原理2 5 4 1 2 小波包提取断路器振动信号特征量2 6 i i i 目录 4 2 指纹数据库2 7 4 2 1 特征值的确定及容差范围2 7 4 2 2 指纹数据库的建立2 8 4 2 3 基于统计过程控制的断路器趋势预测的研究2 8 4 3 小波包能量法应用于断路器振动信号故障模式识别2 9 4 4 本章小结3 4 第五章基于经验模态分解与神经网络的振动信号故障诊断方法3 5 5 1 振动信号特征量分析3 5 5 1 1 经验模态分解3 5 5 1 2h i l b e r t h u a l l g 变换3 7 5 1 3 信息熵的基本概念3 8 5 1 4 基于i m f 的能量熵3 9 5 2i 啦f 网络。3 9 5 2 1r b f 神经网络的建立3 9 5 2 2r b f 网络诊断方法4 1 5 3 应用于断路器故障类型识别4 2 5 3 1 原始信号4 2 5 3 2 断路器振动信号能量熵的提取4 2 5 3 3 结果分析与识别。4 5 5 4 本章小结4 6 第六章结论与展望4 7 6 1 主要结论4 7 6 2 研究展望4 7 ； 5 【谢i 参考文献i i 在校期间发表的论文清单v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 断路器机械特性在线监测的目的和意义 近年来，随着经济的繁荣发展，电力系统容量与能量的需求都随之增加，对电力系 统的可靠性和经济性提出了越来越高的要求。高压断路器作为发电和用电之间的联系环 节，其可靠运行对于保证电网的安全意义重大1 1 j 。高压断路器在电力系统中起着两方面 的作用：一是控制作用，即根据电网运行要求，将一部分电气设备或线路投入或退出运 行状态，转为备用或检修状态；二是保护作用，即电气设备或线路发生故障时，通过继 电保护及自动装置动作高压断路器，将故障部分从电网中迅速切除，保护电网的无故障 部分得以正常运行。 目前，我国电气设备的检修工作主要是按照电气设备预防性试验规程的要求定 期进行预防性试验，根据试验的结果来判断设备的运行状态，从而确定是否可以继续运 行。长期以来，坚持预防性试验对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用。但随着 电力系统的大容量化、高压化和结构复杂化，随着工农业生产的发展和用电部门重要性 的提高，对电力系统安全可靠性指标的要求也越来越高，这种传统的试验与诊断方法已 越来越不适应需要。据统计【2 j ，1 0 的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的 大修完全解体，既费时，费用也很高，可达整个断路器费用的1 3 1 2 ，而且解体和重 新装配会引起很多缺陷，由此产生的事故例子更是不胜枚举。同时统计表明，变电站一 半以上的维护费用是用在断路器上，而其中6 0 又是用于断路器的小修和例行检修上。 目前对于断路器的哪些部件( 或重要组件) 运行多长时间需要更换，仍是一个争议的问题。 事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时仍保持性 能良好的情况，而由于没有及时发现某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发 生1 3 j 。因此如果能够了解设备的状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，做到应修 则修，就可以显著提高电力系统的可靠性和经济性。 断路器状态监测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件1 4 j 。长期以来的计 划检修、盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力和财力，同时也造成了停电损失和设 备寿命的降低1 5 j 。目前，电力系统各个运行单位正致力于高压断路器由计划检修到状态 检修的转变，不再以投入年限和动作次数作为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修 依据1 6 】。近年来，人们己经发现，依靠设备的在线监测与诊断技术，实现设备的状态检 修，可以达到电力系统的下述要求： ( 1 )产品的质量问题使运行可靠性受到影响，采用在线监测可以在运行中及时发现 发展中的事故隐患，防患于未然。 ( 2 )逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备停电时间，节约试验费用。 ( 3 )对老化设备或已知有缺陷、有隐患的设备，用在线监测随时监视其运行情况， 一旦发现问题及时退出，最大限度地利用其剩余寿命。 随着传感技术、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专家 系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中的应用，使对电气设备的运 行状态进行在线监测已经成为可能。这种方法能够及时发现设备的缺陷，降低事故的发 生率，减少设备预防性试验和检修的工作量及停电次数。因此为了确保高压断路器的安 东南大学硕士学位论文 全运行和提高电力系统运行的可靠性，以在线监测为依据的状态监测维修逐步取代以预 防性试验为试验的预测维修，或者弥补预防性试验的不足，延长预测维修的周期，这无 论在理论和实用上都具有重大的技术经济价值【7 1 。 1 2 断路器机械特性在线监测的发展现状 断路器的检测技术大体上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发 展过程。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“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 由于断路器的造价与变压器、发电机等昂贵电力设备相比较为便宜，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 事故无论从时间和数量上都远远高于其它电力设备，但直到9 0 年代以后期断路器在线 监测技术才逐渐发展起来。 对电力设备进行状态监测的思想，早在1 9 5 1 年由美国西屋公司的约翰逊( j o l l i l s o n ) 针对运行中的发电机因槽放电导致电机损坏现象，提出并研究了在电机运行条件下对槽 放电现象进行监视。限于当时的技术条件，无法抑制来自线路的干扰，最后只得将电机 从线路上断开，即在离线条件下进行检测，但这种状态监测基本思想则一直沿用至今。 6 0 年代美国率先开发状态监测系统，并成立了庞大的研究机构，每年召开1 2 次学术交 流会议。7 0 年代加拿大、日本、前苏联等国家的状态监测技术开始起步，并得到迅速发 展。其中加拿大于1 9 7 5 年研制成功油中气体分析的状态监测装置，日本于7 0 年代末研 制成功油中氢气的监测装置、8 0 年代研制了变压器局部放电的监测装置，前苏联的状态 监测技术也发展较快，特别是电容性设备绝缘监测和局部放电的状态监测方面，有较强 的技术实力。据资料介绍，美国于1 9 9 5 年颁布了“电气设备绝缘诊断方法导则”，现己 转向以机械特性在线监测为主，并己制定出有关标准。日本上世纪8 0 年代开始进入以 机械状态监测为基础的预知维修时代，该项技术的研究与应用进展很快，并已积累了大 量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的方法。如今，一些发达国家对高压开关 设备的机械特性在线监测技术已日趋成熟，并且已有了功能较齐全、抗干扰性能较高的 产品【8 1 。 我国状态监测技术起始于8 0 年代，在短短的几十年里得到了迅速发展，各单位相 继研制了不同类型的监测装置。主要有各省市电力部门研制的电容性设备的监测装置 ( 主要监测介质损耗、电容值、三相不平衡电流) ；电力系统的一些研究所则除电容性设 备的监测外还研制了各种类型的局部放电监测系统。同时，清华大学、重庆大学、西安 交通大学等高校开始了绝缘诊断技术的研究。1 9 8 5 年以后，国家先后将一些诸如：“电 力设备运行中局部放电数字化监测装置和相应的微机系统 、“大型气轮发电机故障状态 监测系统”项目列入“七五和“八五”攻关项目。随后，机械部、电力部也先后将诸 如“大电机绝缘监测技术的研究”、“在线局部放电抗干扰”列入重大科技项目，标志着 我国的电力设备状态监测技术进入全速发展阶段。近年来，国内一些单位和厂家也在开 展断路器机械特性监测和故障诊断方面的工作。1 9 9 2 年吉林电业局曾立项“断路器机械 特性的监测”；中国电力科学研究院开关研究所1 9 9 4 年已研制成功k z c 1 型高压断路 器在线监测仪；1 9 9 5 年清华大学高压教研室研制了c b a 1 高压断路器机械参数测量分 析系统，该系统可以监测合( 分) 闸线圈电流、行程一时间特性曲线及振动信号旧。此 时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，都先后生产了自 己需要的高压断路器机械特性在线监测装置，不过都存在只能对其中的一个或几个机械 特性参量进行监测的问题，检测结果的适用性和部分项目的检测方法仍然很不理想。 2 第一章绪论 目前断路器机械特性在线监测技术存在的主要技术难题是： ( 1 ) 传感器的选择：真空断路器操动机构结构紧凑，目前还没有较为理想的位移 传感器既能安装方便、运行可靠，又能真实准确地检测行程信号； ( 2 ) 抗干扰问题：断路器现场运行环境非常苛刻，在线监测单元必须工作在高电 压、强磁场、断路器操作的冲击与振动以及工作时的环境温度中。因此，要采取有效的 抗电磁干扰技术； ( 3 ) 监测量少，功能单一：多数系统局限于研究断路器的电气或机械某一方面的 特性，缺乏系统性和综合性；以往在线监测装置所关心的是机械参量的计算结果，而对 机械运动过程关心不多； ( 4 ) 数据处理的问题：目前对机械特性在线监测主要是测量合( 分) 闸时间，平 均速度等，根据这些测量值，经过简单的阈值判断来对机械操动机构状态做出预测。现 有的在线监测单元可以测量合( 分) 闸特性曲线，对于机构的状态仍然仅能做出好或坏 的判断，却无法判断故障发生的部位。因此，现有的机械特性在线监测装置缺乏足够的 数据积累，故障诊断的分析能力也不足，需要建立数据库； ( 5 ) 性能价格比问题：监测单元寿命过短，安装维护困难，价格过高，精度不够 高。在实际应用中应尽量提高系统的性能价格比。 故障诊断的困难在于，故障和征兆之间不存在简单的一一对应关系。因此，对故障 的诊断是一个反复试验的闭环过程。由于设备故障的复杂性和设备故障与征兆之间关系 的复杂性，形成了设备故障诊断是一种探索性的反复试验的特点。就设备故障诊断技术 这一学科来说，重点和难点都在于研究故障诊断的方法。故障诊断过程是复杂的，这些 数学诊断方法又各有优缺点，因此高压断路器的故障诊断不能采用单一的方法进行诊 断，而应用多种方法结合起来应用，以期得到最正确的诊断结果，这也是今后诊断方法 发展的方向。 综上所述，国内断路器机械特性的在线监测技术发展起步较晚，需进一步完善。如 今，传感器技术，信号处理技术，微电子技术以及计算机技术的决速发展，为断路器机 械特性在线测量提供了技术基础。断路器在线监测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。显然，检测手段一直是在线监测技术的核 心工作。研制新的断路器机械特性在线监测智能装置的目的在于对合( 分) 闸过程中的 信号进行记录，提供更高精度、更高时间分辨率的数据，以改善系统的性能价格比，为 进一步的故障诊断和预测做准备，提供一种积累数据的有效手段。 1 3 本课题的主要研究工作 针对高压断路器机械特性在线监测技术的国内外研究及发展现状，以及从高压断路 器状态维修的要求上来看，高压断路器在线监测研究的内容十分广泛，本课题着眼于高 压断路器在线监测系统中的一些信号处理和分析方法，主要是对振动信号进行数据分析 和处理。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 查阅国内外的大量文献资料，深入研究分析振动信号各种故障诊断方法，寻 找有效的且能够用于工程实践的数据分析方法； ( 2 ) 研究基于小波变换的信号奇异性检测理论，对高压断路器的振动信号进行了 仿真研究； ( 3 ) 提出了基于小波包频带能量与经验矢量的新方法，并结合s p c 对断路器进行 故障诊断，相比于其它方法，该方法既简单又直观，不但可实现故障诊断，还可对其故 障隐患提前报警； 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 研究基于经验模态分解与神经网络的振动信号故障诊断方法，还引入了置信 度的概念，对神经网络的故障类型识别结果做出了准确的评价，而且使该网络具有新故 障模式识别功能。 1 4 本章小结 本节介绍了断路器机械特性在线监测的国内外现状和发展趋势，论述了断路器在线 监测对于开展断路器状态维修的重要意义。最后提出了本文的研究内容，并给出论文的 总体框架。 4 第二章断路器机械特性在线监测原理 第二章断路器机械特性在线监测原理 2 1 高压断路器简介 2 1 1 高压断路器的特点与组成结构 高压断路器指额定电压在3 k v 以上的断路器。在电力系统中一般指1 1 0 k v 以上的 输配电断路器。它可以根据电网运行的需要，控制指定的线路或电力设备退出或投入运 行，起控制作用；另一方面一旦系统发生故障它又可以及时切除故障点，保证电网无故 障部分的安全运行，起保护作用。总之，断路器能开断、关合及承载运行电流和短路电 流。如果它们在运行中出现故障，小则引起一条线路、一个小区域的断电，大则引起系 统事故的连锁反应，造成不可估量的损失。 因此，高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质 量，在电力系统中起着十分重要的作用。高压断路器按功能可分为以下几部分： 1 ) 导电部分：断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定 时间的异常电流，如过负荷电流和短路电流。 2 ) 绝缘部分：保证断路器电气绝缘的部分。它包括三个基本方面，即对地绝缘、 相间绝缘和断口绝缘。 3 ) 接触系统和灭弧装置：执行电路的开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和 分闸能力。 4 ) 操作系统：促使触头分断和接通的部分。它赋予断路器以规定程序的动作以及 一定的动作时间和速度。 2 1 2 高压断路器的操动结构与机械寿命 操作机构是高压断路器的重要组成部分。带触电的开关电器，只有通过触头的分 ( 合) 动作才能达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完 成。断路器的操作机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。 高压断路器的操作机构有很多形式，如弹簧操作机构、气动操动机构、液压操动机 构、液压弹簧机构等。 高压断路器的触头在各种条件下可靠地分合，主要是由操动能源和传动机构的动作 来完成。其动作的特点是：执行任务与完成任务时，机构系统处于瞬变过程中，故机构 的动作有冲击、振动以及其它一些非稳态性质；在闭合通电位置时，可能长期不动作， 一旦发生事故，又要求它动作准确可靠。由于断路器机构动作上的特点，对高压断路器 操动机构与传动机构的可靠性的要求就显得特别重要。据有关资料统计：高压断路器的 操作事故中有7 0 8 0 是由于断路器机械方面的原因造成的。 与断路器的电损耗一样，断路器在开断短路电流时，机件上的损坏也有一个长期的 积累过程。多次操作后，一些传动、操作机构中所用的金属零件的强度和刚度变差，易 锈蚀变形而造成卡死，使断路器难以断开。虽然在开断小电流的情形下，对触头电寿命 的影响是非常小的，即使许多次的开端，也仍未达到它的电寿命。但是，每一次的开断 东南大学硕士学位论文 都会对断路器的机械部分产生一定程度的损伤。所以，在确定断路器的 须考虑的另一因素便是断路器的机械寿命。通常情况下，以断路器的开 械寿命的重要指标。 2 1 3 高压断路器的机械故障类型介绍 所谓故障是指系统或设备不能完成预定的功能。这里所说不能完成预定的功能既指 系统的完全失效，也包括系统的缺陷。如系统能工作但是输出特性和参数已经偏离原定 的指标，通过一套征兆来完成对系统故障和缺陷性质的确定过程就叫做诊断。断路器最 常见的机械故障类型有：拒分、拒合、误分、误合等。在操动机构和传动机构上具体表 现为：机构卡涩；部件变形、位移或损坏；分合闸铁心松动、卡涩；轴销松断；脱扣失 灵等。在电气控制及辅助回路上表现为二次接线接触不良、端子松动、辅助开关切换不 灵、操作电源故障等。另外，据中国电力科学研究院开关所长期从事高压开关设备检测 试验的科研人员调查得出，检测试验中出现频度比较高的机械故障问题是：各种原因造 成的分合闸线圈烧毁，万能转换开关损坏，锁扣机构疲劳、磨损，主轴断裂等。具体的 故障现象及可能原因见下表【6 j 2 1 ( 以弹簧操动机构为例) ： 表2 1 弹簧操动机构常见异常现象 现象分类异常现象 可能原冈 1 线圈端子无电压 ( 1 ) 二次同路接触不良，连接螺丝松动 ( 2 ) 熔丝熔断 铁心未启动 ( 3 ) 辅助开关接点接触不良或未切断 2 线圈端子有电压 ( 1 ) 线圈断线或烧损 ( 2 ) 铁心卡住 拒合1 线圈端予电压太低 2 铁心运动受阻 3 铁心撞杆变形，行程不足 铁心已启动，四连杆未动 4 四连杆变形，受力过“死点”距离太大 5 合闸锁扣扣入牵引杆深度太大 6 扣合面硬度1 i 够变形，摩擦力大，“咬死” 1 牵引杆过“死点”距离太小或未出“死区” 拒 四连杆动作，牵引杆不释 2 机构或本体有严重机械卡涩 动 放 3 四连杆中间轴过“死点”距离太小 4 四连杆受扭变形 1 线圈端子无电压 ( 1 ) 熔丝熔断 ( 2 ) 二次回路连接松动，接点接触不良 铁心未启动 ( 3 ) 辅助开关未切换或接触不良 2 线圈端子有电压 拒分 ( 1 ) 线圈烧坏或断线，尤其引线容易折断 ( 2 ) 铁心卡住 铁心已启动，锁钩或分闸 1 线圈端子电压太低 四连杆未释放2 铁心空程小，冲力不足或铁心运动受阻 锁钩或四连杆动作，但机机构或本体严重机械卡涩 构连板系统不动 1 合闸四连杆受力过“死点”距离太小 误 2 四连杆未复位，可能复归弹簧变形或蹩劲 动 储能后自动合 3 扣入深度少或扣合面变形 4 锁扣支架支撑螺栓未拧紧或松动 闸 5 l 型锁扣变形锁不住 6 第二章断路器机械特性在线监测原理 6 马达电源未及时切换 7 牵引杆越过“死点”距离太大撞击力太大 1 二次回路有混线，分闸回路两点接地 2 分闸锁钩扣入深度太少，或分闸四连杆中间轴过“死点”距离 无信号自分 太小，或锁钩端部变形扣不牢 3 分闸电磁铁最低动作电压太低 4 继电器接点i 大1 某种原因闭合 1 二次【口】路有混线，合闸同时分闸同路有电 2 分闸锁钩扣入深度太小，或分闸阳连杆中间轴过“死点”距离 合后即分 太小，或锁钩端面变形，扣合不稳定 3 分闸锁钩不受力时复归间隙调的太大 4 分闸锁钩或分闸四连杆未复位 2 2 断路器机械特性在线监测 众所周知，断路器与其他电气设备相比，机械部份零部件特别多，加之这些部位动 作频繁，因此而造成故障的可能性就多。我国电力科学研究院对全国6 k v 以上高压开关 故障原因统计分析中看出，及其传动系统机械故障导致的占1 9 9 8 1 9 9 9 年在拒动、误动 故障中因操动机构4 1 6 3 ；国际大电网会议( c i g e i 也) 料也表明，操作机构故障占4 3 5 ， 由此可见，无论是国内还是国外，机械性故障是构成断路器故障的主要原因，所以对断 路器机械状态的监测以及健康状况的诊断甚为重要。 2 2 1 机械特性在线监测内容 目前，断路器的机械系统在线监测主要有以下几个方面【协1 2 】：行程一时间在线监测、 合( 分) 闸线圈电流在线监测、振动信号在线监测和主操作杆上机械负载特性的在线监 测。 2 2 1 1 行程一时间在线监测 高压断路器的行程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一时间关系，然后经过计算得到动触头的速度等参数。 因此，高压断路器的行程一时间特性监测，是高压断路器在线监测的重要内容。 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 传感器测量断路器分( 合) 闸动作时动触头的运动信号波形。 2 2 1 2 合( 分) 闸线圈电流在线监测 高压断路器一般都以电磁铁作为操作的第一级控制元件，操动机构中使用的绝大部 分是直流电磁铁。当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，动铁心受磁力吸引，使 断路器分闸或合闸，从能量角度看，电磁铁的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并 7 东南大学硕士学位论文 通过动铁心的动作，再转换成机械功输出。合( 分) 闸线圈的电流中含有可作为诊断机 械故障用的丰富信息，可以选用补偿式霍尔电流传感器监测电流信号。对线圈电流的监 测主要是提取事件发生的相对时刻，根据时间间隔来判断故障征兆，对于诊断拒动、误 动故障有效。 2 2 1 3 振动信号在线监测 机械振动是一个丰富的信息载体，它包含着大量的设备状态信息。机座、外壳上的 振动是内部多种受激的反应，这些受激包括机械操作、电动力或静电力作用、局部放电 以及s f 6 气体中的微粒运动等。通过适当的检测和信号处理可找到某些特定现象的状态 信息。因此利用振动检测来诊断高压断路器机械系统状态已受到国内、外重视。振动信 号监测的最大优点是不涉及电气量，传感器安装在外部，对断路器本身无任何影响。缺 点是在气体中信号衰减太快，对局部放电等微小的振动信号检测有一定的困难。 机械振动方法监测断路器机械状态的特点： 1 ) 振动传感器的尺寸小、重量轻、工作可靠、价格低； 2 ) 断路器机械振动的检测信噪比高，但只能在操作过程中获取信号，除频繁操作 的断路器外，信号量明显不足； 3 ) 信号不够稳定、重复性有时较差； 4 ) 振动信号是瞬时非平稳信号，不具有周期性有效信号出现的时间非常短，通常 在数十到数百毫秒之间； 5 ) 振动是由于操作机构内部各构件的受力冲击和运动形态的改变引起的，在断路 器的一次操作中，有一系列的构件按照一定的逻辑顺序启动、运动、制动，形成一个个 振动波，沿着一定的路径传播，最终到达传感器的是一系列衰减振动波的叠加，不同的 结构和不同的运动特性将产生不同的叠加波形； 6 ) 断路器的机构对振动信号的传递过程是复杂的，冲击( 振源) 位置与测量位置的变 更都会显著地改变实测振动加速度信号的特性； 7 ) 高压断路器操作过程中的振动具有高加速运动、高强度冲击的特点，其振动信 号可以通过加速度传感器获取。 机械振动监测的使用范围1 1 9 j ： 1 ) 在线监测； 2 ) 临时性监测，如s f 6 等不宜在现场进行拆卸的断路器，在离线条件下采用外附 传感器进行内部状态检测。 机械信号处理、诊断方法1 1 9 】： 1 ) 按处理的方式分为多个振动事件分别处理以及总体处理两类； 2 ) 按故障的判断方式分为与正常振动信号相比较以及和已知故障类型的振动信号 相比较两类。后者由于开关种类繁多、结构差别很大，造成工业应用上工作量过大； 3 ) 按判断所用的信息可分为只根据振动信号进行判断以及与其他信号( 如控制线圈 电流波形、断路器行程、速度等) 联合进行判断两类。 2 2 1 4 主操作杆上机械负载特性的在线监测 监测主操作杆上机械负载特性，可以提供开关刚分( 合) 的时刻、触头接触压力， 还可以反映连杆松动、断裂、卡死以及机械负载特性与机构输出特性之间的配合情况。 8 第二章断路器机械特性在线监测原理 2 2 2 机械特性在线监测方法及存在的问题 经过几十年的研究，断路器状态检测技术有了长足的发展【1 3 1 4 1 。就国内外成型技术 来看，状态检测过程主要包括四步，如图2 1 所示。各研究机构工作的主要区别集中在 特征提取和状态诊断的方法上，不同方法对断路器的某些故障比较有效，有的甚至达到 了1 0 0 的检测成功率【1 5 - 1 引。 图2 1 状态监测过程 ( 1 ) 信号采集 高压断路器是机电一体化的开关设备，在运行过程中必然会有光、电、声、热、力 等各种物理量的变化。选择能表征高压断路器工作状态的多种信号是十分必要的，这些 信号一般由不同的传感器获取。随着传感技术的不断发展，可以获得越来越丰富的断路 器运行状态信息。 ( 2 ) 信号处理及特征参量提取 特征参量提取是实现断路器状态检修的关键环节，将采集到的信号进行分类处理、 加工，提取能表征断路器工作状态的特征参量。特征参量是否满足状态检测的需要依赖 于数字信号处理技术的发展。 ( 3 ) 状态识别和故障趋势分析 将经过信号处理后获得的特征参量与规定的允许参数或判别标准进行比较，从而确 定断路器的工作状态、是否存在故障以及故障的类型和性质等，同时根据当前数据预测 状态可能发展的趋势，进行故障趋势分析，为此应制定合理的判别准则和策略。随着专 家系统、神经网络、模糊逻辑和人工智能等先进理论的发展，对高压断路器运行状态进 行准确地识别逐渐成为可能，这个领域是目前高压断路器状态检修研究的热点和难点， 也是今后发展的必然趋势。 ( 4 ) 维修决策 根据对高压断路器状态识别和故障分析的结果，决定应该采用的对策和措施，从而 帮助运行人员制定合理的维修计划。 高压断路器的机械特性参数主要包括：合( 分) 闸时间，合( 分) 闸不同期，触头 行程、开距、超行程，刚合速