（电力系统及其自动化专业论文）基于小波变换的断路器在线监测系统研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e my e a r s ，t h ep o w e rs y s t e mh a sm a d e 孕e a tp r o 擎e s s 1 ；u ti td o e n ti n c l u d e t h e 凡n c t i o n0 fc o n d i t i o nm o n i t 嘶n gw h i c hc o u l dr e n e c tt h eh e a l t h0 fe l e c t r i c a i e q u i p m e n t s a st h ec o n t r o l 觚dp r o t e c te l e m e n to f 舯1 w e rs y s t c m ，c i r c u “b f e a k e r o p e r a t e sf r c q u e n t l y 觚di st h ek e yt 0f e a l i z et h et n i eu n m a 蚰e ds u b s t a t i o n ，i t so n l i n e m o n i t o r i n ge a e c t st h es t a b i l i z a t i o no fp o w e rs y s t e m 觚d t h es e c u r i t y0 fp o w e rs u p p l y u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h co n l i n em o n i t o r i n go fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s ，i nt h i st h e s i s w eh a v e 惦e dan e wm e t h o df o ro n - l i n ec o n d i t i o nm o n i t o f i n gd e v i i 。cf o rv o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r m c c h a n i lp m p e r t ym o n i t o ri st h em a i np a f to ft h ec i r c u i tb r e a k e ro n - l i n es t a t e m o n i t o r 觚di t si n o s ti m p o n 柚tq u e s t i o ni sn e e d st od e t e 姗i n et h ee x a c t l ys w i t c ho n a i l ds w i t c ho 行t i m eo ft h ec i 姗i tb r e a k e r t h i sp a p c rs h o w san e wo n - l i n em o n i t o r i n g m e t h o d sf o fv o l t a g ec i r c u i tb r e a k c rb 硒e do nw a v e l e tt r a n s f o 咖t h i sm e t h o d sc a ng e t e a c c t i v ei n f 0 册a t i 仰丘0 mt r a v a l - t i m ei n f 0 咖a t i o ni n d u d i n gn o i s ei n f 0 珊a t i o 玛t h e n i tc 姐g e tt i m c 锄ds p c e dw h c ns w i t c h 伽0 rs w i t c ho 娥j u d g cb r c a k e rw o f k i n gs t a t e ， 陀a l i z eo n i i i 坨s t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ( m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t “a u t o m a t e ds y s t e mo ft h ec i t ye l e c t r i c a ln e t w o r k b a s eo ns e l f h e a l i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y ” ，w h i c h i s c o o p e r a t e db yn a n j i n g a u t o m a t i n gr e s e a r c hi n s t i t u t ea n dn a n j i n ge l e c t r i cp o w e rc o m p a n y w eu f 砖t d i 乎t a ls i 盟a lp 撇s s i n gc l l i p st m s 3 2 0 v c 3 3 嬲c c n t m lp 撇s s o r b u i i dt h e 仃锄e w o r kf o ro n 1 i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n gd e v i c cf o rc i r c i l i tb r e a k e f y w o r d s ：c i r c u i t b r 翰k e r ；o n i i n em o n i t o r i n g ；w a v e l e ta n a i y s i s ；d s p 学位论文独创性声明： 本人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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者 ( 签名) ：鸯虹 加莎年j 月们日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。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。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 聋瞻少飞年厂月佻日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 断路器在线监测的必要性 断路器是能开断、闭合和承载运行状态的正常电流，并能在规定时间内承载、 闭合和开断规定的异常电流( 如短路电流) 的电器设备，通常也称开关。i e c 标 准的定义是：所设计的分、合装置应能关合、导通和开断正常状态电流，并能在 规定的短路等异常状态下，在一定时间内进行关合、导通和开断。 在电力系统中，断路器同发电机、变压器、线路等一样，都是电力系统的重 要设备。断路器在电力系统中主要起着两方面的作用：一是控制作用，即根据电 网运行要求，将一部分电器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，即在电器设备或线路发生故障时，通过继电保护及自动装置 动作断路器，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。 随着国民经济的发展和人民物质文化水平的不断提高，人们对电力的需求量 越来越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠 性的要求也越来越高，这就要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的 电力。 国际大电网会议及我国电力研究院关于断路器故障的统计调查显示：断路器 的大多数故障( 主要故障的7 0 和次要故障的8 6 ) 发生在机械机构，主要涉及 操动机构、监视装置和辅助装置等。同时电力系统中，断路器数量最多、检修量 大、费用高。变电站维护费用的一半以上是用在断路器上，而其中6 0 又是用于 断路器的小修和例行检修上。据统计，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，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引 起很多新的缺陷f 1 1 。 各电压等级断路器的使用比例，以5 5 0 k v 装用量为1 0 0 ，则5 5 0 k v 3 6 3 k v 2 5 2 k v ：1 2 6 k v 7 2 5 k v 4 0 5 k v 1 2 k v 的比例1 0 0 ：5 1 ：1 6 5 3 ：4 4 9 1 ：8 1 6 ：6 3 9 1 ：2 7 7 1 1 。部分省市电力公司断路器装用类型、电压等级分别如图1 1 和图1 2 所示。 既然断路器是电力系统中最重要的控制与保护设备，作为绝缘和灭弧的装 置，在发电厂和变电所配电装置中必不可少的。它在电网中的作用至关重要，其 故障带来的后果将十分严重。直接的危害是被断路器所保护的线路、设备受损、 电能损耗加剧，间接的危害则造成用户大面积停电，影响正常的生活、生产甚至 社会稳定。断路器是数量巨大的电气设备，断路器发生故障造成的损失，远远超 河海大学硕上学位论文第一章绪论 出断路器本身的价值【2 】。因此必须对断路器进行长期、连续监测，这就是断路 器在线监测，断路器在线监测系统可以提供断路器实时运行状态，跟踪重要参数 的变化，确定其变化趋势，以判断是否有故障先兆，为断路器状态检修积累经验 和数据，提高电力系统稳定性和供电可靠性。断路器在线监测是断路器的实时健 康诊断，可以及时了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停 电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性和运行经济 性。 钳 毋 如 l n 0 ， 巧0 2 誉l 卯 i 如 o 图1 1 断路器类型分布状况统计 上= ， 一 一 一 一 一 一嘲一l l l ，1 5 坶粥墩i 撕7 2 5瓤，1 2 w 图1 - 2 断路器按电压等级分布统计 ( 以5 5 0 k y 装用量为1 0 0 ) 1 2 断路器在线监测的技术现状 断路器在电网中起控制和保护作用，断路器发生故障或事故时会引起电网事 故或事故扩大，造成相当大的经济或其它方面的损失，是电网安全运行中至关重 要的一个环节。断路器在线监测技术，无论在国内还是在国外，都还没有通用的 在线监测装置标准产品，各研究机构或制造厂家根据不同的断路器装置和用户的 要求而生产不同的产品。国外由于起步早，产品相对比较成熟，国内尚在不断探 索之中。 1 2 1 断路器在线状态监测发展史 断路器的监测技术经历了从离线测试、周期性检测、长期在线监测的发展过 程。上世纪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 2 河海大学硕士学位论文第一章绪论 断路器寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电寿命的概念，“全工况分合 闸回路完整性监视 的概念也是同期提出的，当时的研究工作主要是围绕着断路 器状态检修进行的，现已转向为以机械特性在线监测为主，并已制定出有关标准。 同本同时期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。 目前，一些发达国家对高压开关设备的机械特性诊断技术已日趋成熟，并且已有 了功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。在我国，断路器机械特性在线监测技术 发展起步较晚，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 ；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3 1 。随着国内 各单位研究的深入，先后生产了自己需要的断路器机械特性在线监测装置，不过 都存在着只能对其中的一个或几个机械特性参量进行监测的问题，检查结果的适 用性和部分项目的检测方法仍然很不理想。 与变压器、发电机、电容性设备相比，断路器状态监测技术起步较晚。从某 种意义上讲，“g i s 应用和“状态维修”概念促进了断路器状态监测技术的发展。 在电力系统中，可能是由于断路器的造价与变压器、发电机等贵重电力设备相比 较更为便宜，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超过其它 电力设备，但直到上世纪9 0 年代以后断路器状态监测技术才逐渐发展起来。现在 的电力系统事故已经不再单纯的以其对电力系统的危害来衡量它造成的经济损 失。如果按我国权威部门指出的非计划停电所造成的直接损失、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设备的状态监测是减少损失的最佳途 径。经济利益的驱动也推动了断路器状态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、配断 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检修。计划性检修盲目性大，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，克服了计划检修的盲目性，同时也最大程 度上节省了维护费用。状态维修的前提是对断路器的状态预知，而断路器状态监 测技术为状态检修提供状态预知的技术支持，状态检修的广泛应用也推动状态监 测技术的发展。g l s 装置是上世纪6 0 年代中期才出现的一种新型电器装置。它的 广泛应用成了断路器状态监测技术发展的另一股推动力。g i s 具有占地面积小、 3 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 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，目前己成为高压配电装置的一个发展方向( 我国第一 套1 1 0 k v 的g i s 于1 9 7 1 年研制成功，1 9 7 3 年投入运行) 。g l s 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 到维修量最小和维修费用最低。 综上所述，由于断路器状态监测技术发展起步较晚，而“g i s 装置”和“状 态维修”概念促进了断路器状态监测技术的发展，致使短短的十几年时间里断路 器状态监测技术得到了较快的发展。 1 2 2 国内外断路器状态监测技术现状 德国频谱化学和频谱应用研究所、科技研究与发展所的中央实验室开发的离 子迁移率频谱仪( 由分析传感器系统公司制造) ，作为s f 6 断路器气体现场监测 的工具，已在巴西的电力部门成功应用。在美国有5 0 以上的电力公司已经应用 状态检修技术对发电设备实施状态检修，美国c o n s o u d a t e de u ! c t r o n i c s 酣c ( c e l ) 公司研制生产的s m 6 系列断路器监测器( 美国专利号5 3 8 5 4 5 1 ) ，能 够在线测量s f 6 气体温度和压力，并连续地、实时地计算s f 6 气体密度。同时，还 可监视断路器内加热器、操作电流、气体液体压力以及跳闸合闸线圈的工作 状况，预测s f 6 气体泄漏趋势及其它潜在故障，避免了事故的发生，从而提高了 电力系统运行可靠性。该监测数据既可通过现场p c 机，也可通过r s 2 3 2 4 8 5 接口 远程通信获得，并且存储数据长达1 0 年之久 4 ，目前该产品已进人中国市场。 a b b 公司在高压气体绝缘组合开关( g i s ) 的生产过程中，已经考虑到其断 路器部分性能的状态监测。如断路器的储能状态、二次回路完好性、分合闸位置 状态的监测等。a b b 公司推出的高压开关柜智能化集中控制保护单元，将控制、 信号、保护、测量和监视等功能组合起来，使高压开关柜具有连续自监视以及与 电站控制系统直接连接等功能。监测的项目包括：辅助回路监视、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，“全工况分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。电动机 操动开关装置的电源监视、跳闸线圈完好性监视、断路器储能弹簧状态监视、机 械操作次数监视、气体压力监视、开关累计运行时间( 按小时) 、触点切换时间 ( 从合到开的位置) 等。 断路器状态监测技术己经进入一个新的发展阶段，一些新理论、新技术、新 检测手段正在被开发、运用。断路器状态监测项目方面，国内正在做或已经做的 工作主要有以下几个方面： ( 1 1 机械特性监测 4 河海大学硕士学位论文第一章绪论 记录分合闸操作的行程一时间特性曲线，提取机械运动参数，结合分合闸线 圈电流波形监测断路器机械状态。文【5 1 3 】在这方面作了比较详细的探讨。 ( 2 ) 绝缘监测 文【1 4 1 8 】中进行了仔细的分析和研究。 ( 3 ) 断路器电寿命预测 对于对电寿命的预测，方法多种多样，文【1 9 2 3 】提出了电寿命监测若干方 法，文f 2 4 1 对各种方法作了一个比较好的总结。 ( 4 ) 静态电阻和动态电阻的测量 ( 5 ) 人工智能与计算机结合的专家系统 1 3当前断路器在线监测系统存在的问题和不足 断路器在线监测系统中，以科学的方法对断路器的运行状态进行监测和诊断 是实施状态监测的关键。我国对电力设备状态监测的研究多集中于变压器，发电 机一类的大型设备，对于断路器状态监测和诊断的研究还处于初步发展阶段，目 前断路器在线监测系统普遍存在以下问题： ( 1 ) 选择合适的传感器以及对不同的断路器安装适应性差的问题，即针对 不同电压等级和不同操动机构的断路器所选择的传感器类型也不一样； ( 2 ) 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性 能上的某一个方面，如监测开断电流、累计跳闸次数、累计开断电流等等。 ( 3 ) 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故障 录波的一个功能模块加以开发。 ( 4 ) 在线监测装置模块寿命过短，安装维护困难，价格过高而精度不够高。 ( 5 ) 对断路器开合闸时间不能准确监测，从而影响断路器开合闸速度测定 和断路器状态诊断。 1 4 本文的主要研究工作和章节安排 随着电力系统广泛发展和电网的不断扩大，对断路器实施在线监测的必要性 显得越为突出，本论文结合国网公司南京自动化研究院和南京供电公司合作的 “基于自愈控制技术的城市电网自动化系统项目，对断路器在线监测系统的设 计与应用进行了研究，主要工作有以下几点： ( 1 ) 总结和分析断路器在线监测系统中监测信号获取和处理方法； ( 2 ) 对断路器在线监测的信号进行小波分析，例如对断路器行程信号进行 尺度变换，获得准确的断路器开合闸时间，对断路器开断电流信号进行小波处理， 5 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 用以判断断路器是否发生机械故障等等； ( 3 ) 设计断路器状态在线监测系统。 全文的章节安排如下：第一章绪论，介绍断路器在线状态监测研究的发展现 状、意义以及存在的问题。第二章断路器在线状态监测的内容，主要总结了高压 断路器的机械特性、电寿命、绝缘介质性能和二次回路完好性四个方面的在线监 测原理。第三章简要介绍小波理论的基本知识。第四章小波变换在断路器在线监 测系统中的应用。第五章断路器在线监测系统的设计。第六章是全文总结。 6 河海大学硕士学位论文第二章断路器在线监测的内容 第二章断路器在线监测的内容 2 1 断路器的基本结构 断路器种类繁多，但就其基本结构而言，一般由电路通断元件、绝缘支撑元 件、操纵机构、中间传动元件和基座等几个部分组成。 断路器中的电路通断元件是断路器的关键部件，承担着接通或断开电路的任 务。断路器的通断由操纵机构控制，分合闸操作是由操纵机构经中间传动机构控 制动触头的运动而实现的。电路通断元件主要包括接线端子、导电杆、触头和灭 弧室等，这些元件均安装在绝缘支撑元件上。绝缘支撑元件起固定通断元件的作 用，并使其带电部分之间和带电部分与地之问绝缘。 电力系统断路器根据灭弧原理可以分为多油断路器、少油断路器、压缩空气 断路器、真空断路器、瓯断路器等。断路器的典型结构如图2 1 所示。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，触头的分合动作是靠操纵机构带动的，根据能量形式的不同，操纵机构可分 为手动、电磁、弹簧、电动机、气动和液压操纵机构等。在操纵机构与断路器动 触头之间连接的传动部分为传动机构。 网2 一l断路器构成示意巨 2 2 断路器在线监测的内容 断路器常见故障以机械故障和电气故障居多。据统计，机械故障( 包括操动 7 河海大学硕士学位论文第二章断路器在线监测的内容 机构及控制回路) 占断路器总故障的7 0 8 6 ，电气故障居其次。断路器发生比 较严重的故障是分合闸失灵，即拒动或误动，危害很大【2 5 2 7 1 。断路器绝大部分 动作异常一般是操动部分的机械性能下降，如分、合闸动作电压不合格、同期不 合格、分合闸速度不合格或动作时间过大等。断路器电气故障主要体现在触头的 电损耗情况，灭弧介质质变、压力或密度不合格( 真空或眼) 。 以液压操纵机构的阮断路器为例，其主要发生故障如图2 2 所示： 操作系统故障 本体故障 常 常常常足 镇压 载流断流故障 泄局湿压 杂机 电 漏放 度力质坂 寿 电量异减 含寿 命 流 过 靠 夺 量命 到 过大 过到 大商 图2 2 液压操纵机构断路器常见故障 可见断路器的故障具有多样性，单一参数不能全面反应断路器的健康状况， 也不能将各种单一功能监测模块简单的叠加来实现整个断路器状态监测诊断，这 样做不但性价比非常低，而且监测量的作用也没有得到充分利用，因为一个监测 量有时候能为多项监测功能所用，例如分合闸线圈电流，既能用于监测断路器的 机械性能，又能够用来监测二次回路的完好性。要实现对断路器的全面状态监测， 必须对所有相关的参数进行综合的分析，根据不同断路器的特点归纳如下： ( 1 )断路器机械特性监测 断路器分、合闸线圈电流 断路器分、合闸线圈电压 断路器行程一时间特性曲线 断路器操作时的振动信号 ( 2 )断路器电寿命监测 记录断路器开断电流和燃弧时问 进行断路器电寿命综合评估 ( 3 )断路器机械寿命监测 累计断路器在不同电流等级下的开断次数 ( 4 )二次回路完好性监测 8 河海大学硕士学位论文 第二章断路器在线监测的内容 断路器分、合闸线圈电流、电压 ( 5 )绝缘介质特性在线监测 断路器s f 6 气体湿度及相对应的温度监测 断路器s f 6 压力的在线监测 油含水量监测 油气分析 增6 、泄漏电流及相对应的温度监测 真空度监测 2 3 断路器在线监测分析 2 3 1 断路器机械性能监测 通常所说的断路器的机械特性参数包括：合闸时间、分闸时间、触头行程、 超行程、合闸不同期、分闸不同期、刚合闸速度、刚分闸速度、合闸最大速度、 分闸最大速度、平均合闸速度、平均分闸速度等等。这些参数都属于行程、速度 和时间三种参量，在断路器的这几种参量求取中，我们只要知道两个参数1 2 8 】就 可以了，一般选取行程和时间，于是断路器分合闸时的行程一时间特性成为表征 断路器机械特性的重要参数，蕴含多种信息，包括分合闸时间、同期性、速度等。 这些信号还与断路器的灭弧室性能、燃弧时间以及弧后介质的恢复、合分闸弹簧 的性能等相关。 断路器分合闸速度很难直接测量，一般采用光电编码器测量，文【2 9 】提出了 一种利用可擦除可编程逻辑控制器件来测量，文【3 0 】采用高精度直流差动变压器 式位移传感器，将其测量杆固定在与真空断路器动触头一体的作直线运动的绝缘 部件上，直接测量动触头的相对位移量。这两种方法都需要开辟专门的外围接口 电路，缺少通用性，价格昂贵，还考虑到目前大部分断路器的外形结构尺寸已缩 小到接近极限，动触头附近可供安装位移传感器的空间非常有限，而动触头的行 程与主轴转动角度之间又存在一定的比例关系，本文选用了一种精密的导电塑料 电位器作为角位移传感器，安装在操纵机构的主轴上，传感器的转轴与断路器的 主轴通过连接件紧固连接，测量得到的角位移由变送器经a ，d 转换成数字量送至 系统进一步处理，具有很高的精度。 各机械特性参数定义如下： 合闸时间：从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬问为止的时间间 隔。 分闸时间：从接到分闸指令瞬间起到所有极触头都分离瞬间为止的时间间 隔。 9 河海大学硕士学位论文第二章断路器在线j l ：f 测的内容 触头行程：动触头的起止位置之间的总位移量。 触头开距：断路器处在分闸位置时，动静触头之间的距离。 触头超行程：合闸操作时，从所有极触头都接触开始到合闸稳定位置为止的位 移量。 合闸不同期：从首极合开始到所有极触头都合为止的时间之差。 分闸不同期：从首极分开始到所有极触头都分为止的时间之差。 刚合速度：动触头在合闸过程中与静触头刚接触时的速度。 刚分速度：动触头在分闸过程中与静触头刚分离时的速度。 合闸最大速度：合闸全过程中的最大速度。 分闸最大速度：分闸全过程中的最大速度。 合闸平均速度：合闸过程中从触头开始运动到刚合位置点内的平均速度。 分闸平均速度：分闸过程中从触头刚分位置点到分闸位置内的平均速度。 合闸弹跳时间：在合闸过程中动静触头接触后由于弹力而反复弹跳，从弹跳开 始到最终达到稳定的这段时间。 分闸反弹幅值：分闸过程中，由于缓冲器的作用，动触头存在惯性，还会运动到 最高点，而后返回到平衡点，形成一个振荡过程，振幅为分闸反弹幅值。 为了得到上述各参数，必须要得到各时刻点和相应时间段内的触头位移，间 接求出各种速度。为了使断路器机械特性参数的求取更为方便，我们将断路器合 闸、分闸的整个动作过程看成是由各个动作过程连接起来组成的顺序时间链，各 个动作过程又是顺序时间链的子时间链。当对某一台断路器的操作过程进行监测 记录时，设法捕获到断路器各个相关部件的动作时刻在顺序时间链中所处的相对 位置，那么这台断路器的各时间参量就一目了然，然后经过计算得到各机械特性 参量。 确定各动作时间的起始终止时刻，并且能够分析动触头分、合闸速度，一个 简单的方法就是通过判断分合闸线圈电流的波峰和波谷的出现时刻来确定时间， 但这个方法存在一个严重的不足就是，当铁芯出现卡塞时会在分合闸电流波形上 出现多个畸变点，从而没有办法确定那次波峰波谷出现时刻是诸过程的起始终止 时刻，如果畸变点的波谷比正常情况下的波谷还要低，那么就会出现误判。而小 波尺度变换为我们提供了一个很好的辨别方法，可以利用某一固定的小波函数对 正常情况下的分合闸动触头时间行程波形进行变换分析，分析后的数据存储起 来作为样本，将运行中测量得到的实际数据利用同样的小波函数分析，即使某段 波形中出现畸变，但原来主要事件的起始终止时刻对应的变换结果特点不会丧 失，通过对这些特点的捕捉，确定故障位置和时间，而且还可以通过对时间行 程特性的小波消噪求解分合闸时间和速度等信息。 1 0 河海大学硕+ 学位论文第二章断路器在线监测的内容 2 3 2 断路器电寿命在线监测 断路器的每次开合都会对断路器本身( 主要是触头) 产生一定的损伤。断路 器触头的电磨损( 又称电寿命) 是衡量断路器性能的重要指标。i e c 和国家标准 对电磨损( 电寿命) 没有规定，以前国外厂家用断路器累计开断短路电流的l a 数或累计开断额定短路电流的次数来表示电寿命，现在对电寿命的计算研究很 多，我们这里简要介绍几种常用方法。 一、累计开断电流法 电弧的烧损与电流大小有很大关系， 损状况。计算公式为 q | 善 可以用累计开断电流的办法反映触头烧 ( 2 1 ) 其中q 为总的电磨损量，为每次开断电流，f 为断路器开断次数，断路器 厂家一般提供不经检修的累计电流值，以此为初始量，可计算剩余寿命裕度。从 断路器多次开断的开断时间平均值来看，例如3 0 次开断和2 0 次开断，其平均开断 时间差别不是很大，因而累计开断电流法在电寿命监测的初期也被广泛应用。但 这种方法有很大的不足之处，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，其烧损程度很可能大相径庭。实验表明，烧损与开断电流不是线 性关系，即使开断额定短路电流一样，特别是开断具有非周期分量的额定短路开 断电流时电寿命和燃弧时间有直接的关系，当开断电流相差很大时，触头的烧损 机理不同，烧损相差更大，因此用累计开断电流法来判断触头烧损量是不够的， 由于该算法忽略了很多实际问题，所以比较粗糙，准确性不高。 二、累计电弧能量法 我们知道，电弧烧损与电弧能量有密切关系，用累计电弧能量表征比单纯地 累计开断电流值要准确。计算公式为 上 q 一 ：r 岛 ( 2 - 2 ) 贫 其中q 为总的电磨损量，厶为每次开断电流，为断路器开断次数，t 为每次开断 时间。该算法计算简单，只需测得燃弧时间和开断电流即可。然而在实际应用中， 由于燃弧时间的测量还比较困难，故经常用开断时间代替燃弧时间进行计算，导 致累计计算电磨损常常和实际电磨损相差很大。 三、相对电磨损法 实践证明仅考虑累计开断电流和累计开断次数是不科学的。合理的办法是依 据开断电流的大小，评估出该次开断的触头磨损量，再累积每次开断的触头烧损 河海大学硕士学位论文第二章断路器在线监测的内容 量，作为电寿命判别的依据。各种型号的断路器都可以得知其额定短路开断电流 下的允许开断次数，设额定短路开断电流下允许开断次数为n ，定义一台全新的 断路器的触头相对电寿命( 磨损量) 为1 0 0 。则每次额定短路开断电流开断时 的相对磨损为1 n ，根据不同断路器的n i b 曲线，即可求得任意大小开断电流i b 的对应允许开断次数n b ，则对应的单次开断的相对电磨损量为1 n b ，这样可求 出任一次开断时的相对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命。 a 厶一瓯 ( 2 3 ) 式中l 1 为断路器电寿命的初始值，是一个不大于1 的百分数，其值由断路器 的运行历史决定，新投运的或经过大修后的l 1 可取为l 。根据以上方法和试验结 果，本文采用的电寿命计算曲线可在下表的基础上插值实现。 表1 少油断路器的相对电磨损量 t a b l elr e l a t i v ef o 工h u l ao ft h ee 1 e c t r i c 如a 工o fl e s s0 i lc i z c l l i tb z e a k e r 表2 s f 6 断路器相对电磨损量 t a b l e2r e l a t i v ef o r 眦1 ao f 也ee 1 e c t n ch 缸o fs f - c 虹c u i tb r e a k 盯 表3 真空断路器相对电磨损量 t a b l e3r e l a t i v ef o 功m ao ft h ee 1 e c t 工i c 缸 o fv a c l 砌nc i r c u i tb r e 出e r 四、加权累计法 目前工程适用的关于电寿命的算法非常多，文【3 1 】做了比较详细的总结，现 1 2 河海大学硕士学位论文第二章断路器在线监测的内容 有的方法都不可能准确的计算触头的电寿命，这是因为电磨损的随机性非常大 【3 2 】，因此，对触头电寿命的监测，不能只凭借某种单一的算法唯一确定，文【3 3 】 提出一种基于累计开断电流法、累计电弧能量法、开断电流加权累计法、改进的 计及燃弧时间的加权评估、相对电磨损与相对寿命五种监测方法的最小二乘法估 计方法。 假设电磨损q = ，b ) 一万1 目1 ) + 万2 9 2 0 ) + 万3 9 3 ) + 万4 9 4 0 ) + 刃5 口5 0 ) ，其 中口1 ，口2 ，留3 ，口4 ，口5 表示5 种不通检测方法得到的电磨损关系式， 万l + 万2 + 万3 + 万4 + 珂5 ；l ，为上述5 种方法的权系数。在设备投入运行前，对断 路器进行历次试验，每次都会得到5 个基于不同方法计算达到的触头电磨损量， 设m 组数据分另i j ( q ，口。l ( i 现，口五工( q ，g 复) ，玉，口冀l ( q ，g 射) ( q ，口舅) l f 一1 ，2 ，3 ， 根据这川组数据，利用最小二乘法确定权系数万1 ，万2 ，万3 ，仃4 ，万5 ，使得 q l ，鼋2 ，9 3 刀4 刀5 能够最优表示q ，即要求 ，t 罗娩一五) 2 ( 2 4 ) 一 有最小值。用矢量表示有 q 一 则有 q 1 q 2 瓯 ，珂4 万l 万2 万3 形4 珂5 ，e 。 日； g l l 9 2 1日3 l口4 1q 5 1 譬1 2留2 2譬3 2譬4 2留5 2 口切口2 j ，l口鲕留4 肘 9 5 朋j 懈5 q 一日毋+ e j ；z e 2 唧r p ( q 一肺) r ( q 一日毋) 若j 取最小值，那么必然有 旦；o 因为坐；生v + 生“， 缸缸缸 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) q 气 河海大学硕士学位论文第二章断路器在线监测的内容 有 罢：一2 ( 日r q 一日r 日毋) ；o a 叮 所以 毋a ( 何r 胃) 一1 日r q( 2 8 ) 在设备投运前期，可以试验测得历 5 组数据，得到5 种方法的权系数，作 为评估断路器电寿命的参数。 2 3 3断路器绝缘介质性能在线监测 一、吸气体湿度和压力监测 在瓯断路器中，瓯既是灭弧介质，同时也是绝缘介质，主要监测其水分 含量和压力【3 4 】。水分含量的多少对分解产物的组成和含量影响极大，会产生腐 蚀性很强的h f 和观等酸性气体而加速对触头等的腐蚀。瓯气体湿度随环境温 度的变化而变化，而且湿度值的变化滞后于环境温度的变化。因此，在低于2 0 。c 以下测试的湿度值不能代表高温度下设备内气体的湿度2 0 c ，湿度的测量离不开 温度的测量，两者必须同时进行，在程序判据上，温度和湿度应同时考虑。文 【3 5 】_ 【3 6 】对瓯的监测作了专门的讨论。对瓯的压力监测，可以监测瓯气体是 否发生慢性泄露。 二、油断路器绝缘油监测 油断路器在开合闸过程中，油在电弧的作用下会分解出h 2 、c 2 h 2 、c i l 4 、c 2 h 4 、 c 2 h 6 等各种气体，溶解在油中，气体含量过高会影响灭弧性能和开断情况下的 绝缘性能。对于多油断路器，还要对灭弧室外的绝缘油进行各项绝缘性能监测。 当油湿度升高后，其增6 、i 都会发生变化，通过监测这两个量的变化就能够比 较全面的反映油的绝缘性能。另外，电气绝缘的增6 与温度有关，这种关系因材 料、结构的不同而异，一般情况下增6 随温度上升而增大，现场监测时，断路器 的温度是变化的，因此，在监测增6 的同时一定要监测相对应的温度，这样就能 够将监测得到的增6 统一换算到某同一温度下的数值才能进行有效诊断。目前对 这些参数的监测技术已经比较成熟。 三、真空断路器真空度监测 由于真空灭弧室使用材料和制造质量方面的原因，真空灭弧室的真空度即 真空灭弧室的压强会降低。真空灭弧室的真空度一旦降低到一定数值，将会影响 它的开断能力和绝缘水平，严重时将导致其开断完全失效。目前在线监测真空断 路器真空度的方法多种多样，文【3 7 】介绍了一种基于“光电效应 原理的电光变 换法，文【3 8 】根据局部放电测量原理提出耦合电容法测量真空度，但是该方法的 灵敏度有待进一步验证，文【3 9 】利用旋转式电场探头测量屏蔽罩的直流电位变化， 从而检测到真空灭弧室内气体压力的变化，文【4 0 】介绍了种真空度在线监测新 1 4 河海大学硕士学位论文 第二章断路器在线监测的内容 方法，在不改变原灭弧室体积和性能的情况下，采用独特的内置式双波纹管检测 技术，利用外界气体压力和灭弧室内腔自闭力的平衡原理实现真空度的在线监 测。该方法检测原理为真空断路器的灭弧室经特殊设计，在保持原有灭弧室体积 和性能不变的情况下，在其静端比普通灭弧室静端增加了一个波纹管即内置式双 波纹管灭弧室，该波纹管内腔和灭弧室内腔通过静导电杆( 导电杆内部空心有孔) 相通。灭弧室未抽真空前是延伸状态，在排气台上抽真空后，内置波纹管呈压缩 状态。由于内置式波纹管检测装置仅对灭弧室进行特殊设计，并不改变真空断路 器的其他结构，试验数据表明，该装置的引入不降低或不影响原断路器的各项性 能和技术指标，也为该装置的推广应用提供了依据。文【4 1 1 也通过大量的特性实 验证明了弹簧位移量变化与真空度变化呈较好的线性关系，装置能够较准确地在 线检测到真空度的变化装置能够在灭弧室慢性漏气或突发性漏气时，实现预报、 报警和断路器紧急分闸闭锁功能。 2 3 4 二次回路完好性监测 目前，国内外现有的断路器二次回路完整性监视方法有简单直观的红( 绿) 灯回路直接监视和采用开( 合) 闸位置继电器常闭触点串联启动中央信号的间接 监视等。这些方法存在的共同问题是：断路器合闸后合闸回路完整性失去监视， 断路器跳闸后跳闸回路完整性失去监视，属于非全工况监视。文【4 2 】提出了一种 利用二次操作功监测断路器分、合闸回路状况及其动作性能的方法。所谓二次回 路操作功，即断路器操作过程中，分闸( 或合闸) 线圈消耗的电能，是触发储能 机构并令其工作所消耗的能量，由操作直流电源提供。 正常情况下，断路器在合闸位置时，其分闸回路有微小电流流过；断路器在 分闸位置时，其合闸回路有微小电流。利用这一特点，监视断路器正常运行时分 ( 合) 线圈的累计功耗，可以反映二次回路的状态。通过比较每日累计功耗，可 实时监测断路器的控制回路是否完好，当回路断线、电源消失、分合闸线圈短路 与断路时，均可以告警提示。 当断路器在合闸状态，断路器的常闭辅助接点接通，直流操作电源电压通过 大电阻的合闸位置继电器线圈加到分闸线圈上，产生一定的功率损耗。正常情况 下，线圈操作功变化不大。当分闸线圈出现匝间短路或对地绝缘下降时，功耗明 显增加；若断路器辅助接点接触不好，其压降增大，分闸线圈上的电压降低，线 圈的功耗将减小。线圈功耗的减小还可反映操作电源电压的下降，起到监测电源 电压的作用。对合闸回路可以实施同样的在线监测。 河海大学硕士学位论文 第二章断路器在线监测的内容 2 4 断路器在线监测量评估 2 4 1 机械性能评估 断路器机械性能好坏的一个重要标志，是其分合闸时间的正常与否。断路器 机构部分的磨损、疲劳老化、变形以及生锈等均会引起动作时间的改变。所以， 在更为精确的机械检测出现之前，断路器分合闸时间可以有效的指示和反映机械 部分是否存在缺陷和隐患，通过对动作时间进行检测，可有效地提供断路器的机 械运行状态，从而确定断路器是否需要维修。 一、时间评估 l 、越限检查 其中t 代表某个动作时间，若式 f f m 缸 ( 2 - 9 ) 成立，则表明相应部分发生故障。 2 、横向比较 横向比较即三相动作时间相互比较，也即三相分合闸不同期性的检验。 m a x 也一b 悱口一f c l ，i c 一忙r ( 2 1 0 ) 若式( 2 1 0 ) 成立，则说明同期性检验不合格，需进行维修。 3 、纵向比较 纵向比较即同相历次动作时间的比较。当前值与原始值比较 掣4( 2 - 1 1 ) 1 0 其中t 表示当前测量值，f o 为投运前对应时间值。若式( 2 1 1 ) 成立，则说明当前相 有动作不良或故障出现。 二、速率评估 1 、越限检查 其中 ，代表某个动作速度，若式 y y m “ 或者 ， ：q 辨 ( 2 1 4 ) 1 7 河海大学硕士学位论文 第二章断路器在线监测的内容 l 1 为断路器电寿命的初始值，是一个不大于l 的百分数，其值由断路器的 运行历史决定，新投运的或经过大修后的l 1 可取为1 。 相对电磨损量 o b ，i e ) 图2 3v g 2 伽o 1 m 【v 真空断路器相对电磨损图 河海大学硕士学位论文第三章小波变换简介 3 1 小波变换的起源 第三章小波变换简介 小波的起源可以追述到2 0 世纪初。1 9 1 0 年，h a a r 提出了规范正交小波基的 思想，构造了紧支撑的正交函数系h a a r 函数系。1 9 3 6 年，u t t l e w o o d 和p a l e v 对f 0 u r i e r 级数建立了二进频率分量分组理论，构造了一组l i t t l e w 0 0 d p a l e v 基， 这为小波在后来的发展奠定了理论基础。1 9 4 6 年，g a b o r 提出了加窗f o u r i e r 变 换( g a b o r 变换) 理论，使得对信号的表示具有时频局部化性质。人们真正研究 小波是在2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 2 年，s t 柏i i l l b e r g 构造了一组具有指数衰减且有限 次连续导数得小波基。1 9 8 4 年，法国地球物理学家g r o s s m 蠲和m o r l c t 首次提出 了小波( w a v e l e t ) 的概念，给出了按一个确定函数1 l r 的伸缩平移系展开函数的新 方法和进行信号表示的新思想。随后，m e y c f 证明了一维小波的存在性，并构造 了具有一定衰减性质的光滑小波函数。1 9 8 6 年，m a l l a t 和m e y e r 提出了多分辨 分析的理论框架，为小波基的构造提供了一般的途径。多分辨分析的思想是小波 的核心，它是理论与应用的结晶。至此，小波分析才真正成为一门学科。之后， 人们构造了大量的小波，其中包括具有指数衰减的b a t t l e k m a r l i e 小波和第一个 双正交小波t c h 撇i t c h i 锄小波等，比较引入注目的是d 孤b e c h i e s 于1 9 8 8 年 构造的一类具有紧支撑的有限光滑正交小波函数，该小波得到了非常广泛的应 用。1 9 8 9 年，随着小波理论的进一步发展，m a l l a t 提出了实现小波变换的快速算 法一m a l l a t 塔式算法，它的地位相当于f 0 u r i c f 变换中的f f t 。1 9 9 0 年，崔锦 泰和王建忠构造了基于样条的双正交小波函数，并讨论了具有局