（电气工程专业论文）SFlt6gt高压断路器在线监测及振动信号的分析.pdf

上海交通大学博士学位论文 大，不应是导致方法失效的主要原因；功率谱估计的前提是必须假设信 号满足线性和高斯分布，断路器振动信号的实际特性与之是否匹配，才 是失效的主要原因。 首次采用小波包频带能量分析，结合双谱估计的方法，对断路器振 动信号进行状态检测。现场实例分析表明，断路器振动信号为非高斯分 布、非线性特征的信号，这与双谱方法的前提条件相符，与功率谱方法 的假设前提条件相悖；对于几组状态相近的断路器振动信号，采用非参 数化方法中的间接法，其结果能呈现基本的相似性，但效果仍无法让人 满意；采用参数化模型方法的结果证实，无论采用a r m a 模型 ( a u t o - r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g em o d e l ) 或a r 模型，其效果都好于间接 法，几组信号的特征谱图呈良好的相似性；但短数据( 特征频带信号) 时， a r m a 模型中m a ( m o v i n ga v e r a g e ) 部分的估计误差较大，相似的程度没 有a r 模型的好；而适用于短数据处理的a r 模型，则表现出其优越性， 得出的几组结果非常相似；同时，对于状态变化较大的信号，其谱图变 化也很大，具有明显的可分性，该方法适用于断路器振动信号的状态检 测。 最后利用功率谱理论上抑制白噪声、双谱理论上完全抑制高斯噪声 的特点，对现场噪声进行分析，结果表明现场的断路器振动信号含有较 多的非高斯噪声，且在断路器振动信号的特征频带部分( 高频部分) ，存 在较多的非高斯白噪声；振动信号的非线性特征几乎存在于整个频率范 围，且主要集中在特征频带部分( 高频部分) ，这间接说明断路器振动信 号的特征频带部分包含了绝大部分反映断路器动作过程中机械状态变化 的有用信息，其提取出的特征参量能够表征断路器的机械状态的变化情 况。 i i 摘要 关键词：s f 6 断路器，状态检测，小波包频带能量，功率谱估计，双谱估 计 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t p r a c t i c es h o w st h a t d e v e l o p m e n to fc b ( c i r c u i tb r e a k e r ) c o n d i t i o n m o n i t o r i n g s y s t e mp r o v i d e sap o w e r f u lg u a r a n t e eo ns e c u r i t yo fp o w e r n e t w o r ko p e r a t i o n ，w h i c hi sv a l u a b l ef o rs t a t ed e t e c t i o no fc i r c u i tb r e a k e ri n r e l i a b l eo p e r a t i o no fh i g hv o l t a g ec ba n dd e c r e a s e st h ec o s to fh u m a na n d m a t e r i a lr e s o u r c e sf o rp l a n n e do v e r h a u l d u et ot h es i m p l i c i t yo fs y s t e m f u n c t i o na n dl a c ki ne f f e c ts t a t ed e t e c t i o ne t c ，a no v e r a l ls f 6h i g hv o l t a g ec b o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yo u rt e a ma n ds h a n g h a ie l e c t r i c p o w e rc o r p o r a t i o n a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r eo f s f 6c ba n di t so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h e i n s m l l a t i o no fs l i pr e s i s t a n c e t y p ed i s p l a c e m e n ts e n s o ra n dp i e z o e l e c t r i c a c c e l e r a t i o ns e n s o ra red e s i g n e df o ra c q u i s i t i o no fm o b i l ec o n t a c tt r a v e la n d v i b r a t i o ns i g n a lo fc b r e s p e c t i v e l y t h ec o m p u t a t i o no fa v e r a g ev e l o c i t yo f c bm o b i l ec o n t a c ti sm o d i f i e dw i t ht h ed e t a i l e do p e r a t i o np a r a m e t e ro fc b me f f e c to fs u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to ns f 6m o i s t u r ec o n t e n ti s a n a l y z e d ， w h i c hs h o w st h a tt h ee f f e c ti sn o th e a v ya si tw a sw o r r i e da b o u tw i t h r e f e r e n c et ot h eo p e r a t i o nr a n g eo fc bs f 6 g a ss t a t ep a r a m e t e r s w 曲a n a l y z i n gc bf i e l dv i b r a t i o ns i g n a lb yw p ( w a v e l e tp a c k e ob a n d e n e r g ya n a l y s i sm e t h o d ，t 1 1 eb a n ds e n s i t i v et os t a t ec h a n g em o s ti sn o t r e g u l a r l yd i s t r i b u t e do no n eb a n do rs e v e r a lb a n d s ，t h u st h eb a n d sw i t h r e l a t i v eh i g ho c c u r r i n gp r o b a b i l i t yc a nb ec h o s e na st h ef e a t u r eb a n d a c c o r d i n gt of o r m u l ad e r i v a t i o no ff i e l dd a t aa n dt e s tr e s u l t so fc i t e d d o c u m e n t s ，i ti sp r o v e nt h a tc bv i b r a t i o ns i g n a lc a nb ec o n s i d e r e da s s t a t i o n a r ys t o c h a s t i cp r o c e s si nn o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o no rs m a l lc h a n g e s o fc bo p e r a t i o nc o n d i t i o n i ti st e s t i f i e dt h a tt h em e t h o dt h a tc o m b i n i n gw pb a n de n e r g ya n da r m o d e l ( a u t o r e g r e s s i v em o d e l ) p s d ( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y ) i sn o tf i tf o r d e t e c t i n gt h ec o n d i t i o no fc bv i b r a t i o ns i g n a lb e c a u s et h ea rm o d e lp s do f v 上海交通大学博士学位论文 t h et h r e ev i b r a t i o ns i g n a l sw h i c hm e c h a n i c a lw o r ks t a t ec h a n g ei sv e r ys m a l l i sn o ts i m i l a r t h ee f f e c to ff i e l dn o i s e si sa n a l y z e df o rt h eu n f i t n e s so ft h e m e t h o dm e n t i o n e da b o v e ，w h i c hc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c to fn o i s e so n p s di sn o tt h em a i nr e a s o nf o rt h em t h o du n f i t n e s s i ti st h et r u er e a s o nt h a t t h ep r e m i s eo fg a u s s i a nl i n e a rs i g n a ld o e sn o tm a t c ht h ec h a r a c t e r i s t i co fc b v i b r a t i o ns i g n a l 。 t h em e t h o dt h a tc o m b i n i n gw pb a n de n e r g ym e t h o da n db i s p e c t r u m e s t i m a t i o ni sp r e s e n t e df o rt h ec o n d i t i o nd e t e c t i o no fc bv i b r a t i o ns i e n a li n t h i sp a p e r a l t h o u g ht h ea n a l y s i so ff i e l dc a s es h o w st h a ti n d i r e c tm e t h o du s e d f o rb i s p e c t r u me s t i m a t i o no nc bf e a t u r eb a n ds i g n a lh a sc e r t a i nv a l i d i t y , t h e a n a l y s i sr e s u l ts t i l lc a nn o ts a t i s l yt h ea c t u a ln e e d i ti st e s t i f i e dt h a te i t h e r a r m a m o d e l ( a u t o r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g em o d e l ) m e t h o do ra r m o d e lm e t h o di ss u p e r i o rt oi n d i r e c tm e t h o d 1 1 1 ea rm o d e lm e t h o dw h i c hi s g o o da tp r o c e s s i n gt h es h o r tl e n g t hs i g n a li sm o r ef i tf o rt h ec o n d i t i o n d e t e c t i o no fc bv i b r a t i o ns i g n a lt h a na r m am o d e lm e t h o d b e c a u s et h e r e l a t i v eb i ge s t i m a t i o ne r r o ri nm a ( m o v i n g a v e r a g e ) p a r to fa r m a m o d e l w a k e n st h es u p e r i o r i t yi ne s t i m a t i n gs h o r tl e n g t hs i g n a l b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fp s dr e s t r a i n i n gw h i t en o i s ea n d b i s p e c t r u mr e s t r a i n i n gg a u s s i a nn o i s e ，t h ep s dm e t h o da n db i s p e c t r u m e s t i m a t i o ni su s e dt oa n a l y z et h ec o m p o s i t i o no ff i e l dn o i s e ，w h i c hs h o wt h a t t h e r ei sm u c ho fn o n g a u s s i a nn o i s ei nc bf i e l ds i g n a la n dt h e r ei sm u c ho f n o n - g a u s s l a nw h i t en o i s ec o n c e n t r a t e d0 1 1c bf e a t u r eb a n d t h ec o n c l u s i o n t h a tt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i ce x i s t si na l m o s ta l lt h ef r e q u e n c yb a n do fc b v i b r a t i o ns i g n a la n dm o s to ft h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i ci si nt h ec bf e a t u r e b a n d ，t e s t i f i e st h a tt h ec bf e a t u r eb a n di n c l u d e sm o s to fi n f o r m a t i o n s s e n s i t i v e t oc bm e c h a n i c a ls t a t ec h a n g ea n dt h ee x t r a c t e dc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e rc a nr e f l e c tt h ec h a n g e so fc bm e c h a n i c a ls t a t ea c t u a l l y k e y w o r d s ：s f 6c i r c u i tb r e a k e r s t a t ed e t e c t i o n ，w a v e l e tp a c k e tb a n de n e r g y , p o w e rs p e c t r u md e n s i t ye s t i m a t i o n ，b i - s p e c t r u me s t i m a t i o n v i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：董越 日期：年 月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：董越指导教师签名：肖登明 日期：年月 日 日期：年 月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高压断路器在线监测的目的和意义 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。近十年的统计数字表明，我国每次断路器事故平均损失的电量达数百万千瓦 时，它所导致的损失为设备本身价格的数于倍甚至数万倍【。因此，电力运营部门对 保证高压断路器的运行可靠性提出了迫切的需要和更高的要求。 为了保证电气设备安全而可靠地运行，电力部门每年都需要定期对电气设备停电 进行预防性试验，根据试验结果进行维修。目前对高压断路器运行状态的检查主要是 通过停电测试断路器操动机构的机械运行特性和绝缘状况，由于运行人员无法及时掌 握断路器操动机构的机械运行状况，导致在预防性维修周期内也常有事故发生。 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，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 2 1 。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p j 。 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。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【4 l i 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。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【2 】。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。用状态检修取代传统的定期检修已是发展的必然趋势1 5 j 。 随着计算机技术、信号处理、人工智能和传感技术的日趋完善，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 上海交通大学博士学位论文 器的安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主的预测维修，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 6 1 。 1 2 高压断路器状态检测技术的研究现状 断路器主要故障为操动机构故障，所以断路器在线监测的重要对象就是操动机 构。操动机构的机械状态获取是非常复杂的，出现某一种故障，机构的状态特征可能 很多，同时，当机构的某一状态特征发生变化时，引起故障的原因或故障的位置也不 可能是唯一的。目前监测断路器操动机构主要是采用提取特征量、做信号比较的方法， 当某一表征信号与正常情况有变化时，就可能发生了故障，而对引起故障原因的具体 类型和部位则还需要经验加上理论进行分析。实现断路器操动机构在线监测的方法很 多，如频谱分析，红外线分析，系统动态响应特性的测试分析，系统压力的动态测试， 组件壳体的振动信号分析，超声波的分析等r 7 田，这些方法原理各异，现场实施难度 和成本也不同。因此如果要获取操动机构所有的状态特征既不现实，其经济性也是电 力部门不能接受的。 断路器的操动机构的工作参数的变化，关系到灭弧系统的工作是否正常。目前断 路器的状态监测研究主要有以下几个方面： 断路器行程特性的监测 随着计算机及电子技术的发展，现在可以记录开关每次动作的动触头的行程一时 间特性曲线，再结合其它参数，可以提取各种机械动作的参数，如计算动触头的合、 分闸操作的时间、动触头行程、动触头的刚分( 合) 速度、及动触头运动的平均速度 和最大速度与速度曲线等。一般说来，各种机械动作的参数都有其最佳的取值范围， 如动触头的最大分( 合) 闸速度不宜过大，否则会对机构的零部件造成很大的撞击， 给缓冲器工作带来负担；若分、合闸速度过小，又会造成动触头不能可靠地进行分、 合闸操作，使断路器失去保护和控制功能【9 j ，因此对于断路器动触头的行程一时间曲 线的监测是很重要的，是高压断路器状态监测的一项重要内容。 分合闸线圈电流的监测 断路器在每次合、分闸过程中，线圈的电流是随时间变化，变化波形中蕴藏着极 为重要的信息。电磁铁线圈的电流波形中含有很多信息，反映电磁铁本身以及所控制 的锁门或阀门以及连锁触头在操动过程中的工作情况，如铁心运动机构有无片滞，脱 扣、释能机械负载变动的情况，线圈的状态( 如电阻是否正常) ，与铁心项杆连接的锁 2 第一章绪论 门和阀门的状态。通过对合、分闸操作线圈动作电流的监测，可以大致了解断路器二 次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等，为检修提供一个辅助判据。 高压、超高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操动机构，这类机构的分合闸脱 扣电磁铁，在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致 断路器拒动，此类故障每年约占全国开关拒动、误动总事故率的2 6 1 嘣9 1 。而电磁铁 铁芯的动作状况，可以通过铁芯运动与电流特性的关系反映出来，如果能记录分合闸 脱扣电磁铁的电流波形，便可掌握铁芯的动作状况，预先发现问题，对这类故障起到 预防作用【l o j 。分、合闸操作线圈是控制断路器动作的关键元件，应用霍尔电流传感 器可方便地监测多种信息的分、合电流波形。分析每次操作监测到的波形变化，可以 诊断出断路器机械故障的趋势。对发生概率最大、危害性也最大的拒动、误动故障的 诊断尤为有效i l 。 振动信号在线监测 国内外几乎所有针对断路器振动检测的研究都集中在对振动信号的分析和处理 上。国外在这方面的工作开展较早，已有很多国家开展了相应的研究工作，如美国， 挪威、澳大利亚、日本等，至今为止已经确定了一些较为实用的振动信号处理方法， 并逐渐应用到实际的断路器状态检测系统中。 1 9 8 8 年，澳大利亚的a d s t o k e s 等人提出了将振动信号用一组有时延的指数衰 减振荡模型描述的思想【1 2 1 ，这种依靠数学模型的方法比较理想化，忽略了振动信号 中的干扰因素，实践证明这种方法能较为准确地提取信号中主要振动子波的发生时 刻，但准确性依赖于对振动信号中主要频率分量的合理划分。 a a p o l y c a r p o u 等人对油断路器和s f 6 断路器的研究发现，不同的断路器状态下， 振动信号的时域包络线会表现出一定的差异，并由此提出了一种基于振动信号包络分 析的分析方法【l 引。在此方法的基础上，研制出一套便携式的断路器振动信号分析系 统( p c p d s ) ，已经在多台1 1 5 k v 及以上的油断路器和s f 6 断路器上得到了成功的应 用，能正确识别出绝缘拉杆缩短、弹簧压缩过度、触头磨损以及缓冲器失效等几种机 械故障【1 4 1 。v c s 法的缺点是在确定正常状态下振动信号的平均包络之前需要积累大 量的运行和试验数据，由于多次机械振动信号之间的分散性使得振动信号的平均包络 a “) 难以确定。另外，对故障类型的分辨上也存在一定的困难。 挪威电力研究院( n o r w e i g i 锄e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的研究人员采用 加窗傅立叶变换的方法得到了断路器振动信号的时频表示【1 5 1 ，再结合动态时间归整 ( d t w ) 法，计算出测试状态与基准状态之间振动信号的动态时间距离，从而对断 路器的状态进行判断【1 6 ，l 丌。d t w 分析方法对振动波出现时间的变化有较高的灵敏度， 3 上海交通大学博士学位论文 能反映触头运动过程中机构零部件工作状态的一些变化( 如润滑不良、曲柄卡滞、触 头位置不正常等) 。但是，这种方法对信号强度变化的反映较差，此外运算过程中需 要的数据存储量近似与信号长度的平方成正比，对检测装置的要求很高。 国内起步较晚，上个世纪九十年代才逐渐开展这方面的研究工作，目前实用化的 产品还不多见。 清华大学的沈力等人深入研究了断路器机械振动信号的传播过程和特性，通过对 与振动信号对应的解析信号的分析，得到了一种识别在时间上相互混叠的振动事件的 相频分析方法d s 。 。 徐立新等人在分析a d s t r o k e 等人的研究结果后，提出了一种改进的积分法，可 以在理论上消除由于振动波随传播距离发生畸变而带来的误差。另外，还在积分法的 基础上引入了带有奇异值分解( s v d ) 的互相关p r o n y 方法，这种方法可以从原始信号 中去除奇异值较低的噪声信号，在一定程度上提高了噪声的抑制能力【1 9 , 2 0 。 山东大学的李庆民等人进一步分析了指数衰减振荡波建模方法的实质和不足，提 出了基于断路器振动信号传播过程中畸变现象的改进建模方法，在频域内建立了自学 习的优化建模策略，并通过实例分析初步验证了该优化策略的正确性和可行性1 2 l j 。 西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室在最近几年也开展了利用振 动信号分析对断路器进行机械状态检测的研究工作，研究对象主要是中压等级的真空 断路器。在试验研究的基础上，提出了几种实用的振动信号处理方法，如a c i 方法删、 欧氏距离法、积分参数法和信号熵法 2 3 1 、短时能量法洲、小波一分形理论等t 6 1 、并成 功识别出油缓冲器失效、止位垫片失效以及连接部件轴销脱落等常见的一些机械故 障。 哈尔滨工业大学的胡晓光等人在研究小波分析的基础上，提出了两种振动信号特 征参量的提取方法用于断路器机械振动信号的分析：a ) 通过离散小波变换计算断路 器振动信号包络波峰的奇异性指数，并以此作为断路器状态识别的特征参量冽。b ) 通 过解析信号小波变换把振动信号划分成不伺的频带来处理，提取不同尺度下信号的幅 值、奇异点和瞬时频率等特征参量用于高压断路器的状态识别l 冽。 除了以上三个方面，近年来，国内在电寿命预测 2 7 - 3 4 、s f 6 气体微水含量在线监 测【3 5 删等方面也进行了大量的研究，这里不再一一叙述。 1 3 现有高压断路器在线监测系统的存在的问题 近年来，国外的开关设备制造厂商已经将状态在线监测技术应用于产品中。如德 4 第一章绪论 国西门子公司在高压断路器和g i s 中采用了在线检测子系统；a b b 公司在其开发的 新型中压开关柜中，采用了温度传感器和感应式位移传感器来实现对断路器状态的检 测 4 5 1 。新的技术和方法还在不断的引入，在信号传感方面新的技术，如光学技术已 被用在断路器的状态监测上。随着计算机技术、信号处理、人工智能和测试技术的日 趋完善，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。 目前已有许多成型的断路器状态监测系统投入现场使用并取得了较好的效果，具 有代表性的有美国h a t h w a y 公司开发的b c m 2 0 0 断路器状态监测系统4 7 1 、a b b 公 司开发的s f 6 断路器状态监测系统 4 8 , 4 9 1 、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的 g i s 在线监测和诊断系统l 明、以及法国a l s t o m 研究中心研制的c b w a t c h 系列断路 器状态监测系统【5 1 , 5 2 。现场实践证明，这些断路器状态监测系统为实现整个电网的安 全运行提供了有力的工具。 在我国，对于高压断路器的状态监测和诊断的研究还处于初步发展阶段，虽然还 没有很成熟的断路器状态监测产品，但有关单位在这方面也做出了有益的探索，并开 发出相应的状态监测系统。例如，由清华大学开发的高压断路器状态监测系统 5 3 l ， 华中理工大学和湖南省电力局联合研制的高压断路器机械特性在线监测系统【蚓。另 外，和断路器状态监测的相关技术也得到了国内科研部门地普遍关注，如色度检测方 法【5 5 1 、光电检测方法【5 6 1 和红外检测方法【5 j 7 】等。随着d s p 技术、传感技术、现场总线 技术、虚拟仪器等技术的不断发展和应用，新的状态检测方法和相应的监测装置还在 不断涌现1 5 删。 从各种文献和资料的报导来看，国内现有的在线监测系统普遍存在以下问题： 1 ) 在线监测系统功能不完善，多数系统只局限于研究断路器的电气或机械性能 上的某一个或几个参数，如监测开断电流、累计跳闸次数、累计开断电流等，这不利 于故障的诊断； 2 ) 适用于在线监测参数测取的传感器存在诊断精度不高、或精度得到满足的前 提下成本价格很高等问题； 3 ) 采用的有效分析方法不多，对断路器运行状态的识别缺乏有效的数学方法和 技术手段； 4 ) 系统的开发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； 5 ) 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； 断路器在线监测研究的实质性进展所以缓慢，一方面在于断路器结构复杂，例如 5 上海交通大学博士学位论文 灭弧室，由于其封闭性较强，电弧燃烧的不确定性，测量方式很难确定，测量效果也 不能保证；二是传感技术跟不上，这也限制了监测的发展；最后，由于断路器各部件 繁多，如操动机构，很难判断哪些部件容易发生故障，以便对其进行监测，这就造成 了监测的自目性，缺乏监测经验。断路器在正常运行时很少发生动作，这也造成关键 数据的缺乏，不利于经验的积累 6 1 , 6 2 j 。 国外有时仅作为微机保护的一个功能模块，同时对于一些反映运行状态的参量也 存在着一些争议，许多方面远远没有达到高压断路器状态检修的要求。因此，尽管在 国内外已经出现一些断路器在线监测装置，但是对于断路器运行状态的在线监测仍然 处于起步阶段1 4 5 。而现有的在线监测装置功能不全，缺乏足够的数据积累，即使有 了大量数据，故障诊断的分析能力也不足；因此，开展综合性的高压断路器状态监测 技术具有重要的理论和实用价值。 1 4 本文研究的主要内容 针对目前断路器在线监测系统存在的问题，本课题组与上海电力公司的超高压输 变电公司联合开展了s f 6 高压断路器综合在线监测系统的开发，试验的监测内容包 括：断路器动作线圈电流、断路器触头行程、断路器振动信号、s f 6 气体状态( 压力、 温度、湿度) 、主回路电流、空气压缩机气体压力、空气压缩机马达工作电流。在综 合考虑运行安全、及成本的基础上，希望尽可能多地监测断路器的状态参量，以获得 足够完整的反映断路器实时运行状态的信息。本文的主要研究内容： 1 ) 根据本次试验对象l w l 2 - 2 5 2 型s f 6 断路器的结构特点，分析该断路器动作 时具体的运动过程，对动触头行程一时间、振动信号的测量，选择合适的安装方式、 安装位置、传感器类型；根据l w l 2 2 5 2 型断路器的具体运行参数，修正求解断路器 分产台闸平均速度的算法；具体研究现场周围环境对断路器s f 6 气体微水含量的影响。 2 ) 针对现场采集的断路器振动信号采用小波消噪，比较并分析四种阈值规则之 间的效果；对现场信号进行小波包频带能量分析，考察信号的频带能量的重复性是否 良好；根据几组现场信号的分析，选择断路器振动信号的特征频带；通过实验分析正 常工作状态或状态变化较小的情况下，断路器振动信号的非平稳性体现的程度。 3 ) 采用小波包频带能量分析，结合a r 模型功率谱估计的方法，对断路器振动 信号进行状态识别；采用几种常见的a r 模型阶数确定方法，对现场信号进行分析， 考察几种方法的优劣性；利用消噪前后信号的功率谱之间的差异，分析现场噪声的影 响。 6 第一章绪论 4 ) 采用小波包频带能量分析，结合双谱估计的方法，对断路器振动信号进行状 态检测。比较非参数化方法的问接法和直接法的效果；采用参数化模型方法时，通过 实验结果来证实，采用a r m a 模型和a r 模型的有效性，并比较之间的优劣性；利 用消噪前后信号的双谱之间的差异，分析现场噪声的影响。 7 里= 里! 生量生堕堕堂堑垡些塑兰堕垒 第二章s f 6 高压断路器在线监测的研究 2 1 在线监测系统设计 2 1 1 系统总体方案 本方案的应用对象是上海超高压输变电公司杨思变电站3 组沈阳高压开关厂生 产的l w l 2 - 2 5 2 型断路器( 配用气动操动机构，3 组3 相共9 台断路器) ，结合该断路器 的结构特点，整套s f 6 断路器在线监铡系统的方案设计如图2 1 所示。 困2i 多台断路嚣在线监测系统结构图 f l 口1s t r u c t u r e d i a g r a mo f o n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m o f c b s 从功能上，监测系统分为现场采集模块和远程管理模块两部分。现场采集模块由 电源模块、传感器模块、信号调理电路、采集卡和下位机组成，远程管理模块为设在 监控室内的一台p c 机。这里用v c 升发的数据采集软件来控制多项监测参数的采集。 在浚上位机内建立了数据库，并用v c 和v b 开发了断路器监测系统软件，对下位机 。塑一雪 。一。一。一 一 茹斛酬誊 l 卜， n 卜圹 虱 斟虱卦固 h 海变通大学博f 学位论文 所采集的数据进行存储、分析、显示与打印。两部分系统通过r s 4 8 5 总线实现远距 离数据传输。 对于某一台s f 6 断路器，在线监测系统的结构图如图2 2 所示： i ，藿；睦簪苎恼唑甲 里霉霎整f ! 竺! 一敞据一一量霾鼍篓l 数据库i 圈2 2 单台断路嚣在线监测系统结构图 f i 9 22s t m e t , m ed i a g r m no r o n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m o f s i n g l e c b 这里对断路器动作时产生的状态参量称作暂态数据，对断路器未有动作时存在的 状态参量称作稳态数据。对于稳态模拟信号，选用了a d l i a k 的p c i 9 1 1 3 采集卡，该 采集卡具有3 2 位p c i 总线3 2 通道单端或1 6 通道差动输入，带有低通滤波器用于 信号调理或衰减，采样频率可达l o o “- l z ( 大通道) ，满足稳态信号采集的需要，同时该 采集卡内部采用了光耦隔离，抗干扰性强。需要注意的是p c i 9 1 1 3 采集卡必须保证绝 对的接地良好，否则容易产生静电积累，使得卡上接地端口的低电平变为高电平，导 致采集卡工作故障。对于暂态信号的采集，这里选用n i 的p c i 6 2 2 0 采集卡，该采集 卡具有1 6 通道，1 6 位a d 转换，2 5 0 k h z 的高采样频率，抗干扰能力强，能满足采 集高频振动信号的要求。 2 1 2 系统通信的实现 在本监测系统中，现场的三台下位机与一台上位机通过串口进行数据传输。通信 方式选用半双工，比特率设为9 6 0 0 比特秒串口读写缓存均设为l o k b i t 。 r s 2 3 2 串口不适于远距离传输，这里采用了m o x a 公司的a 5 3 型有源 r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器，利用r s 4 8 5 总线进行远距离传输( 见图23 ) 。串口通信速率较 慢，尽管断路器动作时传输数据量较大但断路器的动作事什并非频繁发生，故串口 苎三兰! 垦垫堡堑竺墨! 苎些型盟型翌 通信速率可以满足实际要求。 锤翌到一一。 。1i 管坠j 攀- 型十羔与 幽墨一一- 剑 图2 , 3 系统通信结构田 f i 9 23s t r u c t u r e d i a g r a m o f s y s t e mc o m m u n i c a t i o n 反映断路器工作状态的参量有很多，而单一地监羽4 某几个指标或采用单一的监测 手段，显然不能满足断路器在线监测的实际要求。本次试验的监测内容包括：断路器 动作线圈电流、断路器触头行程、断路器振动信号、s f 6 气体状态( 压力、温度、湿度) 、 主回路电流、空气压缩机气体压力、空气压缩机马达工作电流。下面给出各监测量采 用的传感器( 见表2 1 1 。 表2i 监测量度选择的传感器 监测量传感器类型传感器型号主要技术参数 断路器触头滑阻式位移 c w y d 、_ c 最大行程：2 5 0 ( r n m 1 ) ，采样电阻： 行程传感器 2 5 0 5 k d ，精度；0 1 ，工作温度范围： 一5 5 1 2 5 断路器振动加速度振动 l c o l 0 2 t响应频率范围：05 1 3 k h z ，量程： 信号传感器 5 0 0 9 ，分辨率：0 0 0 4 9 分，合闸线圈磁平衡式霍c s m 0 0 5 a 原边电流测量范围：0 ：k 1 0 ，副边额 电流尔电流传感 定输出电流：2 5 n t a ，匝数比：5 ：1 0 0 0 , 电源电压：1 2 1 5 ( 5 ) v ，精度： 器 07 上海交通大学博士学位论文 主回路电流电流互感器 m 气2 0 2 0 额定输入电流：6 0 a ，额定输出电流： 0 3 0 m a ，非线性度： 0 4 s f 6 气体压力压力传感器 w p 4 0 1 b 量程：o 2 k p a 4 0 0 m p a ，输出信号： ( 4 - - 2 0 ) m a d c ，无数字显示，工 作温度：- 4 0 , - - , 8 5 s f 6 气体温度温度传感器 j c j l 0 0 g 温度范围：5 0 - 1 0 0 ，输出信号： ( 4 - - 2 0 ) m a d c ，环境温度：2 0 - - 8 0 ，相对湿度：5 9 0 r h s f 6 气体湿度露点传感器 j c j 2 0 0 m测量范围：8 0 8 0 ，输出信号： ( 4 - - - 2 0 ) m a d c ，工作电压：2 4 v ， 响应时间升湿 5 秒，准确度：础2 空气压缩机压力传感器w p 4 0 1 a量程：0 2 k p a - - 4 0 0 m p a ，输出信号： 气体压力( 4 2 0 ) m a ，有数字显示，工作温 度：- 4 0 - - - - 8 5 0 空气压缩机电流互感器 1 a 1 7 0 2额定输入电流：2 0 a ，额定输出电流： 马达工作电0 1 0 m a ，非线性度：郢1 流 2 2 主要监测内容 2 2 1 断路器触头行程一时问 2 2 1 1 位移传感器的安装 在本次实验中，选择c w y - d w - c 2 5 0 型位移传感器，该传感器量程2 5 0 m m ，采 样电阻5 豳，精度0 1 ；该传感器的原理是将可变电阻滑轨定置在电位器的固定位 置，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同阻值，同时电位器滑轨连接稳态直流电压， 允许流过小电流电压，滑片与始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。一般地， 安装时将位移传感器的测量杆固定在与高压断路器的动触头一体的绝缘拉杆上，差动 变压器壳体固定在参照物上，就可以直接测量动触头的相对位移量【3 。断路器动作 时，绝缘拉杆的运动带动位移传感器金属连杆相对其轴式感应变压器运动，由位移传 感器将触头的机械位移转换成同步变化的直流电压信号输出。 本次实验对象为l w l 2 2 5 2 型s f 6 断路器，动作时其绝缘拉杆在垂直方向上运动。 1 2 第二章s r 高压断路嚣在蛙监翻的研究 因此，选择安装位置时，首先要满足安装点的运动方向与绝缘拉杆的方向一致，同时 最好能够满足完全反映动触头的全部量程。从图2 4 ( a ) 可以看出，断路器动作时，拐 臂与活塞连杆的连接处能完全反映动触头的全部行程，且在空间上该位置始终完全暴 露在空气中，没有其它部件的环绕或阻挡。因此，该位置适合安装位移传感器( 见图 2 4 中的1 0 ) 。 c a ) ( b ) i 一活塞杆；2 一气缸；3 - 连接件；4 一传感器金属拉杆：5 一直线位移传感器；6 一油缓冲器：7 一拐臂；8 一支架上的螺孔( 振动信号的测量位置) ：9 紧吲螺钉；1 0 一拐臂与活塞杆的连接处( 动 触头行程的测量位置) 图2 , 4 位秽传意嚣安装示意周覆实景固 f 1 9 24s c h e m a t i c d i a g r a ma n ds p o tc h 1 r t o f d i s p l a c e m e n t l i s o r i n s 忸l l a t i o n 安装时，为固定传感器的壳体及金属拉杆，需加工制作连接部件，以保证传感器 金属拉杆的运动方向与断路器动作时绝缘拉杆的运动方向一致目能反映断路器动触 头的最大行程，安装示意图及实景图如图2 4