（电力系统及其自动化专业论文）电气设备的在线监测与故障诊断.pdf

中文摘要 本文在分析现代电力系统设备检修体制的基础上，论述了电气设备实行状态 监测必要性和可能性，并以高压断路器为研究对象高压断路器是电力系统中重 要的电气设备，在电网中起到控制和保护作用，因此确保断路器的可靠性运行极 为重要。目前实行的定期检修制度盲目性大，并且容易引入新的故障隐患，降低 设备的可靠性。因此必须对高压断路器状态实行在线监测，实时监测断路器的运 行状态，并为设备的状态检修提供依据 高压断路器大部分故障源于机械方面，因此研究机械故障具有重要的意义。 高压断路器的机械振动信号是一个丰富的信息载体，包含有大量的设备状态信 息，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术的发展，利用振动信号监测和 诊断高压断路器的机械状态已经可行，并且受到重视本文提出利用小波分析技 术的模极大值分析法，将模极大值作为故障特征参数作为决策表的原始输入，且 利用粗糙集理论提取高压断路器机械故障诊断的规则，提高了故障诊断的可靠 性 模极大值分析法，也是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，并且将模值 作为故障诊断的特征参数。 将小波分析得到的故障特征参数作为决策表的原始输入，利用粗糙集理论对 其进行约简，在保持决策表分类能力不变的情况下，去掉诊断中的不重要因素， 保留重要的要素，简化进行故障诊断时所需的信息，从而提高故障诊断的准确率。 最后是系统的实现部分，介绍了硬件与软件的实现。硬件部分主要介绍了 b h 5 1 1 6 数据采集板的特点和参数。软件部分，系统主要采用v i s u a lc + + 6 o ， m a t l a b6 , 5 进行编程，以v i s u a lc + + 6 0 位开发平台该系统实现数据采集、存储， 通信等功能，同时直接调用m a t l a b 6 5 编程语言，直接利用m a t l a b 中丰富的数据 处理方法和数学模型，实现对数据的处理和分析 关键词：高压断路器在线检测故障诊断振动信号信号处理 租糙集 a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n c e p t i o no fd e v i c em a i n t e n a n c eo fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，t h i s p a p e r d i s c u s s t h e p o s s i b i l i t ya n d n e c e s s i t y o f s t a m s m o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g u o s i s t e c h n o l o g ya n dt a k et h eh v ( h i g hv o l t a g e ) c i r c u i tb r e a k e r 罄t h ee x a m p l e t h eh v c i r c u i tb r e a k e ri so n eo ft h em a j o rc r i t i c a lc o m p o n e n t s ，w h i c hc o n t r o l sa n dp r o t e c t s p o w e rn e t w o r k , s oi t sr e l i a b i l i t ys e r v i c ei sv e r yi m p o r t a n t a th o m e ，t h eh v c i r c u i t b r e a k e r sa r eo v e r h a u l e dr e g u l a r l yb yr o u t i n eo p e r a t i o nn o w t h i sw a yi se y e l e s sw h i c h u s u a l l yb r i n g st h en e wf a u l tt os y s t e ma n dr e d u c et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y s oi ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pt h eo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sf o rt h er e a l t i m es t a t e o f h eh vc i r c u i tbreakel b e c a u s et h em o s tf a u l t so fc i r c u i tb r e a k e r sr o o tf r o mm e c h a n i s m ，t h ed i a g n o s i s t e c h n i q u ef o rm e c h a n i c a lf a u l t so ft h ec i r c u i tb r e a k e r si fo ff a rr e a c h i n gi m p o r t a n c e t h em e c h a n i s mv i b r a t i o ns i g n a lc o n t a i n sp l e n t i f u ls t a t ei n f o r m a t i o no f t h ee q u i p m e n t a sa na b u n d a n ti n f o r m a t i o nc a r r i e r w i t ht h ep r o g r e s so ft h et e c h n o l o g yo fs e n s o r 。 s t g n a lp r o c e s s i n ga n dc o m p u t e r ，i ti si m p o s s i b l et od i a g n o s et h em e c h a n i s ms t a t eo f t h ec i r c u i tb r e a k e ro nt h ev i b r a t i o ns i g n a l o nt h i sp a p e r ，t w om e t h o d so ft h e v i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gh a v eb e e np u tf o r w a r d ：t h ed e v e l o po f s i g n a lt r e n da n dt h e a n a l y s i so f t h em a x i m u mm o d u l eb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r m t h ef i r s tm e t h o d ： c a p t u r et h es i g n a lsl o wf r e q u e n c yc o m p o n e n ta c c o r d i n gt o t h ew a v e l e tt r a n s f o r mw h i c hc a l lr e f l e c tt h es i g n a l sd e v e l o p i n gt r e n d t h e ni tc a n e s t i m a t et h es t a t u so fh vc i r c u i tb r e a k e ra c c o r d i n gt oc o m p a r et h en o r m a lc o n d i t i o n s w a v e f o r mw i t ht h ef a u rc o n d i t i o n sw a v e f o r m t h es e c o n dm e t h o d ：p r o c e s st h em e c h a n i s mv i b r a t i o ns i g n a lo nt h et h e o r yo f w a v e l e ts i n g u l a r i t y d e t e c t i o n w l e nt h es i po c c u rt h es i n g u l a l i t y ，t h ec o e f f i c i e n t s m a x i m u mm o d u l ec a na p p e a r i tc a nc o n f i r mt h et i m ew h e nt h ef a u l to c c b la tt h e s a m et i m e ，t h em o d u l ec a l lb ec 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 sf o rt h ef a u l t d i a g n o s i s f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h eo n l i n es t a t u sm o n i t o r i n ga n d 2 f a u l td i a g n o s i ss y s t e mw h i c hi n c l u d e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f o rt h eh a r d w a r e ， w cm a i n l yd i s c u s st h ef e a t u r ea n dp a r a m e t e ro f b h 5 1 1 6 f o rt h es o f t w a r e ，t h es y s t e m i sm a d eo fv i s u a lc * 卜6 0 ，m a t l a b 6 5 w h i c hc a l lo b t a i nt h ef u n c t i o na b o u td a t a a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a t ac o m m u n i c a t i o n i nt h ep r o c e s s i n g ，v cc a nd i r e c t l yc a l l m a t l a bp r o g r a mt oc a r r yo u tt h ed a t ap r o c e s sa n dd a t aa n a l y s i s k e y w o r d s ：i - i vc i r c u i tb r e a k e ro n - l i n em o n i t o r i n gf a u l td i a g n o s i s ； v i b r a t i o ns i g n a l s i g n a lp r o c e s s i n g 3 符号说明 a b = x l x a 工萑b a 和b 的差，记为a b ； c a r d ( a ) ：集合所包含元素的个数，称为该集合的基数； h v ：高压；。 r s ：粗糙集。 4 1 1 课题的提出 第一章：绪论 随着社会和经济的发展，电力系统在国民经济中的地位日趋重要，因此对电 力系统安全可靠性提出了更高的要求，同时，电力系统的改革也促使各个电力运 营商在满足质量要求的情况下追求以最低的成本实现最终的目标，而其中重要的 举措之一就是采取科学的监测和故障诊断手段对电气设备进行检修，从而能够提 早发现设备隐患，提高设备的可靠性，降低运行和维修的成本。 设备的检修体制大致经历了事后维修、预防性定期检修、状态检修的方式， 而我国电力系统当前对电气设备所采取的维修方式为事后维修和预防性定期检 修的方式啷 早期所采用的事后维修方式( b m ，b r e a k m a i n t e n a n c e ) 是当电气设备发生 故障时才进行的维修，此时事故已经造成，所承受的经济损失也是最大的在现 代设备管理要求下，事后维修仅用于对生产影响极小的非重点设备、有冗余配置 的设备或采用其他检修方式不经济的设备。 1 预防性定期检修( t i m eb a s e dm a i t e n a n c e ) 是以时问为基础的预防检修方式， 在电厂通常分为大修、小修，这种检修方式不管被检修的电气设备状态如何，一 律到期必修长期以来，t b m 对我国电力系统安全运行起到了很大的作用，但 随着电力系统向高电压，大容量，互联网发展，以及用电部门要求的提高，这种 传统的方法已越来越不适用，主要表现在：( 1 ) 需要停电进行试验，而很多重要 电力设备轻易不能退出运行；( 2 ) 停电后设备状态( 如t 作电压，温度等) 和运 行中不一致，影响判断准确性；( 3 ) 受检修周期的限制，检修往往不能恰到好处， 对在两次检修期间发生的事故没有好的解决方法 在2 0 世纪7 0 年代美国杜邦公司首先提出了状态检修( c b m ，c o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e ) 这是从预防性检修发展而来的更高层次的检修体制，是一种以设 备状态为基础、以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式。这种检修方式能及 时地有针对性地对设备进行检修，不仅可以提高设备地可用率，还能有效降低检 修费用，它与预防性检修相比较，带有强烈地主动色彩国务院于1 9 8 7 年颁发的 出丕太堂亟堂焦途塞 全民所有制工业交通设备管理条例明确指出：“应采用以设备状态监测为基 础的方法，不断提高设备管理和维修现代化水平 一 状态检修的基础是状态检测，根据对设备的日常检查、定期重点检查、在线 状态监测和故障诊断所提供的信息，经过分析处理，判断设备的健康和性能劣化 状况及其发展趋势，并在设备故障发生前及性能降低到不允许极限前有计划地安 排检修。c b m 的特点是：a 有一个能反映设备状态的参数；b 有一个规定的阈值 或概念明确的判据。以判断设备是否需要检修；c c b mt 作本身不需要接替设 备 本文就是在此基础上进行对电气设备进行在线监测与故障诊断的研究，进行 状态监测就是尽早的发现故障，进行故障诊断就是尽快找出故障发生的原因，为 状态检修提供依据。 1 2 国内外电气设备状态监测与故障诊断研究状况 国外对电气设备状态监测与故障诊断技术的研究，始予6 0 年代，各个发达 国家都很重视。美国是开发设备诊断技术最早的国家1 9 6 7 年4 月，由美国宇 航局创导，美海军研究室主持下，成立了美国机械故障预防小组1 9 7 6 年芙国 西屋公司即开发以计算机为基础地发电厂设备诊断系统，8 0 年代向电力部门展 示了一套以微处理器为基础地发电机诊断系统欧洲一些工业国家的设备诊断技 术研究和开发都有了进展，而且各具自己地专长领域和特色如丹麦b & d 公司 的声学与振动检测和诊断技术，瑞典的a g e m a 公司红外测温技术，其红外热 像仪广泛地用于电力部门带电部件及输电线测温，瑞典s a p 仪表公司轴承监测 技术等。国际大电网会议于1 9 9 0 年发表了关于电气设备绝缘诊断技术的综述性 报告，对这一领域截止8 0 年代末的研究成果作了系统的总结 我国设备诊断技术的研究开发是从7 0 年代末期开始，从8 0 年代开始，国内 大专院校，科研所等开展了电力设备诊断技术的开发，研制并取得了一批成果。 北京电力科学研究所、清华大学、陡河电厂联合开发了大型汽轮发电机振动监测 和故障诊断系统，华中理工大学开发地2 0 0 m w 汽轮发电机组地寿命管理和故障 诊断专家系统，可以诊断机组各类原因的振动故障；华北电力科学院利用美国 e n t e k 公司电动机诊断软件开发了电动机诊断专家系统，在电厂实测5 5 台电动 6 出壅太堂亟堂焦途塞 机，准确度高：东北电力科学研究院研制成功b z s 变压器油色谱在线监测装置， 武汉高压研究所研制成功变压器局部放电诊断装置，都获得广泛运用；红外线监 测技术在全国电力系统获得了广泛运用另外，人工智能诊断技术也正逐步运用 于电力设备的故障诊断哪 国内外的应用实践证明，状态监测与故障诊断系统能实时掌握电气设备的运 行状况、电气参数的特性，减少突发性故障的发生，提高设备的安全可靠性和运 行效益，降低设备强迫停运率、维修成本和寿命周期费用，延长设备的使用寿命， 从而增加电力系统的经济效益但是由于状态监测与故障诊断技术的难度，不论 是国内还是国外，除个别项目外，大都还不成熟，仍处于研究发展阶段 1 3 电气设备监测与诊断技术的发展 随着传感器、计算机，光纤等高新技术以及数学理论应用，人工智能技术的 发展，为监测和诊断提供了进一步发展的空间。监测与诊断过程分为信号检测、 信号处理及其特征提取、状态判别与分类、趋势预测等几项基本内容。在监测过 程中，状态判别主要关心的是设备系统的整体状况；而在故障诊断中，状态分类 则是在发现设备异常后。对故障进行深入的分析，已确定故障发生的部位、严重 程度及其原因，为诊断决策提供依据嘲 1 3 1 现代传感技术在电力设备监测中的应用 现代测试技术是以信号采集、信号传输、信号处理为主干，传感是测量与检 测的第一步随着科技的发展，新的测量传感技术在电力设备监测中有了更为广 泛的应用，由此发展的光纤传感技术、噪声监测技术、红外测温技术、声发射技 术，无损探伤技术等拓宽了传统的电力设备的测量范围，提高了测量的准确性， 使电力设备监测与诊断技术得到了重要发展文献【6 】介绍了一种基于单片机 的高压断路器综合在线监测系统通过采用了绝缘泄漏电流传感器准确测量微安 级泄漏电流；直线位移传感器来监测断路器动触头速度和行程；跟踪性霍尔电流 传感器分合闸线圈回路电流、储能电机电流及短路电流；实现多参量的综合监测 来判断断路器的机械性能的系统，全面地了解断路器的运行状态。文献【7 】介 绍了利用光纤温度传感器来测量真空断路器触头温度，不仅能够直接诊断真空断 7 些二叁坠兰坠垡选 路器的长期稳定温升，还可以估计触头的接触压力根据监测结果进行“状态维 修”，对提高设备的不停电率和节省检修人力、物力有着重要的实际意义。文献 【8 】介绍了一种六氟化硫气体密度的在线数字式监测装置，通过压力、温度变 送器采集断路器中s f 6 气体压力值和温度值，经过a r d 变换送至单片机。通过数 字运算获得在线监测的s f 6 气体。 1 3 2 信号处理技术在电力设备诊断中的应用 通过信号处理，能够抑止干扰、保留或增加有用的信号，提炼信号特征，从 中获得与故障相关地征兆，利用征兆进行故障诊断。时域分析、快速傅立叶变换 ( f f t ) 频域分析、小波分析、小波包分析等信号处理提取技术的发展为进行诊 断提供了前提条件。文献 9 1 对小波分析在电气设备故障诊断中的应用作了简 要的介绍，利用小波变换的多分辨率性质，基于信号和随机噪声在小波变换域中 不同的模极大值系数特征，提取信号和噪声在多尺度分辨空间中的波形特征，而 且根据表征该特征的小波系数模极大值传播特性的不同，来实现对信号波形的有 效检测。小波分析能准确的反映故障发生的时间、位置等信息，并能对电气设备 进行实时有效的状态监视和故障诊断。文献【1 0 】【1 l 】介绍了基于小波包原理 的振动信号处理方法，小波包变换能将已知信号按任意时频分辨率分解到更加精 细频带，且提高了信号处理的频率分辨率，小波包正交分解后的信号具有各频带 信号独立、能量守衡的特点小波包分析继承了小波变换所有的时频局部化优点， 能够为振动信号提供一种更精细的分析方法! 它对多分辨分析没有细分的高频部 分进一步分解，从而提高了信号的时频分辨率，是提取振动信号特征的一种很好 的方法。文献【1 2 】基于小波变换的信号奇异性检测理论，对断路器合闸时的振 动信号首先进行小波去噪处理，提纯有用信号。然后利用h i l b e r t 变换提取信号 包络，对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形最后根据小波变换各尺度 上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数，以此作为断路器故障诊 断的种特征参数。取得了较好的效果 1 3 3 诊断方法的应用 由于诊断过程很难用传统的数学方法描述，而人工智能技术则由于其善于模 些东太学硕士学僮论文 拟人类处理问题的过程，容易计及人的经验以及具有一定的学习能力等特点在这 一领域得到了广泛的应用例如专家系统、人工神经网络、模糊理论、遗传算法、 p e t r i 网络等人工智能技术，当然这些人工智能技术有各自的优点和不足，它们 本身并不是孤立的，很多情况下可以相互结合以达到更好的诊断效果。文献【1 3 1 针对电力系统的复杂性和故障的多样性，很难用精确的数学模型表示系统状态和 断路器分闸速度之间的关系，提出采用模糊控制建立断路器开断速度特性的运动 模型，并采用遗传算法对模糊模型的隶属函数进行优化，使得智能操作模糊控制 的隶属函数在全局得到优化，并得出了优化后的隶属函数，为断路器智能控制的 理论深入提出一条新的思路文献【1 4 1 基于径向基函数网络( r a d i a lb a s i s f u n c t i o n n e t w o r k ，r b f ) 理论，提取断路器操作过程中振动事件发生的振动信号 幅值和振动事件发生的时间区段作为输入，建立断路器振动信号的r b f 网络预 测模型，构成r b f 网络预测器。由于健康状态下分合操作的振动信号具有较强 的相似性，因此将r b f 网络预测器的输出与预先给定的阐值进行比较来判别断 路器是否发生故障及故障类型文献【1 5 针对大型汽轮发电机组故障诊断问题 提出了多层次多分布式混合智能诊断方法，即用模糊逻辑进行数据预处理，用模 糊神经网络等进行故障分类，用专家系统寻找故障原因和进行故障验证。这种混 合技术及组合技术的应用将是今后的发展方向 1 4 状态检测与故障诊断的发展方向 1 4 1 基于多传感器的信息融合技术的发展 在设备状态监测中引入多传感器与信息融合技术，首先是可以拓宽信息来源 渠道，其次是可以改善信息处理的质量，提高诊断的准确性，以便对设备的运行 状态有整体的、全面的了解这种技术最大的优点是能够提高测量抗干扰的能力， 因为不同的传感器对干扰的反映灵敏度不同，尽管在某些传感器中可能存在比较 强的干扰信号，但是当与其他对电磁干扰反映不灵敏的传感器信息进行融合之 后，就可以剔除其中所包含的干扰信号分量 9 1 4 2 基于虚拟技术的发展 虚拟仪器技术是当前测试与控制领域技术的研究热点，它是以计算机及网络 为基础，以软件为核心的自然科学信息测试、分析、存储、传输与控制系统。通 过虚拟技术，系统的界面更加形象逼真。具有良好的可视性和交互性，可以明了 的表现系统的状态? 1 。 1 4 3 设备状态的远程监测和网络化跟踪“1 随着分布式计算技术、大型数据库技术、面向对象的软件技术和宽带数字通 信技术的长足发展，基于因特网的设备故障监测将成为现实，将设备诊断技术与 计算机网络技术相结合，采集设备状态数据，实现对设备故障的早期诊断和及时 维修。远程监测和诊断可实现全国范围内的诊断知识与数据共享，远程协作诊断 以因特网为桥梁，必将在时间和空间上缩短电力设备和诊断专家的距离。 1 4 4 基于人工智能诊断系统开发 所谓的人工智能是以模型化的计算机来代替人的思维方式解决习题的一种 方法专家系统实际上是人工智能计算机程序系统，通过汇集和管理不同来源的 众多专家知识，用仿人类专家推理过程的计算机模型来解决现实生活中某些复杂 的重要问题，而目前专家系统的问题是缺乏有效的诊断知识表达、不确定性的知 识推理及知识获取困难；神经网络的兴起开辟了一条崭新的途径，它是由大量处 理单元互连而成的网络，是在现代神经生物学和认知科学对人类信息处理研究成 果的基础上提出的，具有很强的自适应能力、学习能力、并行能力、容错能力和 鲁棒性，从而可以代替复杂耗时的传统算法，使信号处理过程更接近人类思维活 动；状态监测与故障诊断中经常用模糊的自然语言来说明状态的特征，为了准确 有效的判断具有模糊征兆的状态，必须用模糊集合的概念对其是否属于某个状态 的原因进行描述，特别对于一些征兆与状态之间无法确定的数学模型的复杂的机 械系统，只有在获取系统状态的综合效应、积累维修经验和集中专家意见的前提 下，用模糊的方法进行状态监控。 0 1 4 5 开放式故障诊断系统 开放式故障诊断系统是通过网络连接的远程故障诊断系统，与传统的故障诊 断系统有着本质的区别。传统的故障诊断系统的数据库是封闭或半封闭的，其构 造和输入都需要设计人员来修改，而远程故障诊断系统的知识库必须是基于w e b 数据库的开放式体系结构，设计者只需完成一个简单的系统框架，知识库的填充 是在系统的维护与使用过程中不断充实的，从而使整个系统具有灵活性，可扩展 性 1 4 6 基于寿命周期的成本管理 实行状态监测的最终且的就是为了提高经济效益和降低生产成本，当设备运 行到一定的年限，设备的检修费用可能会高于重新配置设备的费用，这与状态监 测的初衷是相悖的。而基于设备寿命周期费用管理就是以设备在整个寿命周期内 所花费的总费用为评价指标，比仅仅根据监测诊断、寿命预测、可靠性分析进行 状态检修更加合理，更符合所追求的目标，基于这种方法的状态检修决策要同时 考虑本次检修和本次检修对设备长期运行效率和成本的影响，从而撂出更加切合 实际的维修、更新措施 1 5 本文研究的主要内容： ( 1 ) 以电气设备中的高压断路器为例，分析它的结构和动作机理，并归纳断路 器的各种监测方法： ( 2 ) 运用小波理论对高压断路器进行振动信号进行深入的分析，提取故障特征： ( 3 ) 运用粗糙集理论建立高压断路器故障诊断规则库。 2 1 概述 第二章电气设备的状态监测 状态监测“1 是通过各种测量、检测和分析方法，结合系统运行的历史和现状， 对设备的运行状态进行评估，以便了解和掌握设备的运行状况，并且对设备状态 进行显示和记录，对异常情况进行处理，并为设备的故障分析，性能评估提供基 础数据 状态监测基于这样的事实：大量故障不会同时发生，设备的劣化大都经过了 一个渐变的发展过程。通过对能够反映设备运行状态的参量进行检测，一旦发现 设备出现异常的迹象，且这种迹象仍然有发展的趋势，我们就认为该种设备有发 生故障的可能。 电气设备的状态通常可以分为三种情况：正常状态，异常状态、故障状态。 正常状态指设备的整体或其局部没有缺陷，或虽有缺陷但不影响设备的正常运 行。异常状态是指缺陷已有一定程度的扩展，使电气设备状态信号发生一定的变 化，电气设各的性能已经劣化。但仍能维持工作，此时应该注意设备性能的发展 趋势，开始制定相关检修计划。故障状态则指设备的性能指标已有明显的下降， 设备已经不能维持正常的工作，包括故障萌生并有进一步发展趋势的早期故障； 程度尚不严重，电气设备仍可勉强“带病”运行的一般功能性故障；电气设备不 能继续运行的严重故障以及已经导致灾害事故的破坏性故障等 状态监测的原理就是通过传感器将能够反映设备状态的参量送入计算机，经 过信号处理获得表征设备特征参数，在与根据历史数据和经验确定的阈值参数进 行比较以判断设备的状态情况，状态监测的过程如图所示： 图2 - 1 状态监测原理图 2 2 高压断路器的基本介绍 在电力系统中使用的3 k v 及以上的断路器称为高压断路器“”，在电网中它 主要有控制和保护两种作用，即能根据电网的需要进行电力设备及线路的投切以 及当电力设备或线路发生故障时，能将故障部分迅速从电网中切除，保证电网无 故障部分可靠运行，因此是一种重要的电气设备 2 2 1 高压断路器的机械结构和组成 电力系统中应用的高压断路器根据灭弧原理可以分为油断路器( 多油和少 油) 、压缩空气断路器、s f 6 断路器，真空断路器、磁吹断路器“”等。断路器的典 型结构如图2 一l 所示图中开断元件啪1 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，它包括触头、导电部分和灭弧室等触头的 分合动作是靠操动机构来带动的，根据能量形式的不同，操动机构可分为手动操 动机构( c s ) 、电磁操动机构( c d ) 、弹簧操动机构( c t ) 、电动机操动机构( c j ) 、 气动操动机构( c q ) 和液压操动机构( c y ) 等，其中适应于中小型断路器的弹 簧操作机构和适用于1 2 6 k v 及以上高压断路器的液压操动机构是未来的发腥方 向。在操动机构与断路器动触头之间连接的传动部分称为传动机构和提升机构。 图2 - - 1 高压断路器典型结构简图 2 2 2 高压断路器合分闸过程 操动机构是断路器的重要组成部分，断路器的工作可靠性很大程度上依赖于 操作机构动作的可靠性，操动机构往往是一个独立的装置1 ，一种型号的操动机 构可以配用于不同型号的断路器，而同一种型号的断路器也可配装不同型号的操 动机构。下面我们以弹簧操动机构为例，介绍一下断路器的合闸与分闸过程。首 先我们应该清楚这几个概念“”： 开距：高压断路器分闸到底时，动触头与静触头之间形成一定长度的 绝缘间隙以保证线路能彻底断开。断路器处于分闸状态时，此时触头 之间的绝缘间隙被称为开距。 行程：指高压断路器分闸过程中动触头所走过的距离，形成包括了触 头之间的开距和触头接触行程。 超行程：为保证足够的接触压力，补偿触头受电弧的烧损以及获得必 要的分闸速度，动端需要超行程来保证。 合闸时间：从发合闸命令到断路器的主触头刚合时止的这段时间 固分时间：指分闸过程中从操动机构接到分闸命令时起，到断路器触 头侧分离的一段时间。 2 2 2 1 分闸操作 分闸操作时断路器的基本功能，通过断路器的分闸，可以开断高压回路，或 切断负荷电源，或隔断高压电源，或切断故障电源 断路器分闸动作原理：断路器呈合闸已储能或合闸未储能状态时，当接到分 闸指令，机构即解合闸状态，迅速分闸。在负载力的分闸弹簧力的作用下，断路 器端口打开。灭弧室切断电流形成开路。拐臂、传动绝缘子大轴、分闸弹簧、合 分指示标牌都回复到分闸位置，断路器完成合闸操作。 2 2 2 2 合闸操作 线路的正常送电，负荷的倒换，电压的引入等都必须由断路器的和闸动作来 完成。 1 4 出壅太堂亟堂焦迨塞 断路器合闸动作原理：断路器呈现分闸己储能状态时，当接到合闸指令，机 构即迅速合闸机构输出拐臂通过传动杆推动大轴转动，大轴转动时，大轴上的 三相拐臂分别推动与之相连的传动连板传动连板推动传动绝缘子及灭弧室动端 向合闸方向运动，并且在动静触头接触后拉动触头弹簧产生超行程。大轴上拐臂 推动传动绝缘子的同时，两边相拐臂另一端压缩分闸弹簧使之完成储能，中问相 的拐臂压动断路器合分指示牌，使指示牌指示合闸状态，断路器完成合闸操作 2 3 高压断路器的状态监测 2 3 1 机械振动信号的监测 高压断路器是依靠其机械部件的正确动作来完成其职能的，因而每个组成部 件的机械可靠性极为重要根据能源部电力科学研究院统计的1 9 9 0 年全国6 k v 以上高压断路器的故障中拒分、拒合和误动作三类共占4 6 因此，加强机 械故障的监测手段，提前发现潜在故障，对降低设备故障率，以提高电力系统的 安全性和高效性具有十分重要的意义 一 机械振动信号是一个丰富的信息载体，包含有大量的设备状态信息，它由一 系列瞬态波形构成，每一个瞬态波形都是断路器操作期间内部“事件”的反映。 振动是对设备内部多种激励源的响应，对高压断路器而言，激励源包括分合闸电 磁铁、储能机构、脱扣机构、四连杆机构等内部构件的运动断路器机械状态的 改变将导致振动信号的变化，这是利用振动信号作为故障诊断依据的理论基础咖 通过适当的检测手段和信号处理方法，可以识别振动的激励源，从而找出故障源 2 3 1 1 振动信号的特点 高压断路器是一种瞬时动作电器，正常运行时处于静止状态，只是在执行分 合闸命令时才快速动作，从而产生强烈的振动，其振动信号有以下特点嘲： 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 振动是由于操动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 出丕太堂亟堂焦迨塞 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，不同的结构合不同的运动特性将产生不 同的叠加波形。 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的改变实测振动加速度信号的特性。 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得。 2 3 1 2 振动信号合分闸的波形分析 s n l 0 1 0 型高压断路器在合分闸过程中的振动信号波形如图： 。暑( 觚1 ) 毛 与岛“ | ll lk 上一 p i 一， l i r p 图2 - - 2 合闸振动信号波形 对于合闸过程所对应的重要冲击振动如下： t 1 ：支架上合闸接触器动作所对应的微弱振动；( 接触器关合时刻) t 2 ：合闸铁芯带动机构传动连杆开始运动；( 触头系统开始运动时刻) t 3 ：动静触头接触时刻；( 主触头接触时刻)一 t 4 ：合闸缓冲器接入时刻： t 5 ：合闸铁芯运动到头，对应着支架在合闸过程中最大的一次冲击 t 6 ：机构的连杆运动到头与维持合闸掣子接触撞击， 在操作过程中各个冲击子波与断路器运动状态有一一对应的关系，这为断路 器监测提供了重要数据，通过选择适当的部位，就有可能从支架或外壳上的振动 信号来判断内部某一特定动作 图2 - - 3 分闸过程波形 对于分闸操作过程，几个重要冲击振动如下： t l ：分闸脱扣电磁铁与连杆机构撞击，对应着一个较微弱的振动； t 2 ：机构连杆解列，分闸弹簧开始驱动传动机构及触头系统运动。对应着分 闸过程中最大的冲击振动 t 3 ：主触头分离时刻 t 4 ：动触头运动到头，制动缓冲所对应的冲击，也是一个比较强烈的振动信 号。 2 3 2 断路器合、分阐线圈电流的监测 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，并通过动铁心的动作，再转换成机械功输出。合、分闸线圈的 i 图 4 离线测量原理图 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 f 7 隔来判断故障征兆，对于诊断拒动、误动故障有效。 2 3 3 断路器行程、速度的监测 位移量采集是靠光电式行程传感器来实现的。其工作原理如下：把旋转光栅 安装在断路器操动机构的主轴上，利用光栅和光电断续器的相对运动，经光电转 换，将速度行程信号转换为电信号。经数据处理后可得断路器操作过程中的行程 和速度随时阿的变化关系。据此可计算出以下参数：动触头行程，超行程，刚分 后及刚分| i l o m s 内平均值等。通过触头的时间一行程信号可以提取触头运动过 程中各个事件发生的时刻，根据事件时间来诊断故障，这种方法可以诊断断路器 机械部分部分磨损、疲劳老化、变形、生锈、阀的缓慢动作等故障。 2 3 4 开断电流累计监测 在分闸过程中，由高压电流互感器和二次电流传感器测量高压开关的主电流 波形，通过测量触头每次开断电流，经过数据处理得到该次开断电流的有效值， 然后根据下式计算：q = 咒，其中：万为开断的次数：l 为该次开断电流的 t 。i 有效值：口为开断电流指数；q 为开断电流的加权累计值。当q 值超过闽值时， 则表明应该检修、更换，从而间接的反映触头的磨损情况。 2 3 5 合、分闸时问，同期测量 关于合分闸时间及同期的测量电路原理，如图2 - 5 所示。在断路器断口上下 接线端子接上测量信号线，当断路器合上时，信号线上有电流流过，经光电隔离 器，电压比较器，输出高电平信号；当断路器分开时，信号线上无电流通过，输 出信号是一低电平。测量系统以一定时间周期同时读取所有断口的信号，以操作 线圈电流信号为起点，计算出各个相的各断口的分合闸时间和耜间与相内的同期 差。这种技术只能用于临时性监测嘲 图2 - 5 离线测量原理图 2 3 6 合闸弹簧状态监测 直接监测：应用压力传感器，通过测量合闸弹簧压力值的大小，判断弹簧压 缩状态。这种方法需要在机构上安装压力传感器 间接监测：应用电流传感器，通过测量储能电动机的工作电流变换及工作时 间，监测合闸弹簧的状态，通过分析电流波形得到电流特征参数的变化，从而反 映弹簧状态的变化。 2 3 7 动态电阻的监测 一般的s f 6 断路器有主触头和弧触头m ，灭弧主要靠弧触头，断路器在闭合 状态时，测得的回路电阻主要时主触头接触电阻和弧触头接触电阻的并联值，一 般情况下，主触头接触电阻比弧触头接触电阻小的多，所以所测回路电阻无法反 映弧触头的烧损情况。 在分闸过程中，主触头先分离，开断电流转移到弧触头上，弧触头间先出 现电弧，借助灭弧装置使电弧熄灭。如果弧触头严重烧损，在分断过程中先于主 触头分离，则灭弧装置不能发挥作用，这样会导致断路器烧损。从主触头分离到 弧触头分离这段时间称为有效接触时间，其行程称为有效接触行程。只有保证弧 触头有足够有效接触行程和时间才能使断路器顺利灭弧通过检测断路器动作过 程中的回路电阻变化曲线可以不用拆开断路器就能得到弧触头的有效接触时间， 这种检测方法称为动态回路检测，测得的电阻称为动态回路电阻，用以区别通常 的在断路器闭合时测得的回路电阻，后者称为静态回路电阻。 1 9 2 3 8 真空度的检测 现有对真空度测定的方法主要有汹1 ：观察法，仅仅用于对玻璃外壳的真空灭 弧室适应。并且只能作为经验判断，参考使用；交流耐压法，在分闸状态下的真 空断路器的触头间施加交流电压，根据电压施加过程中相关参数的变化来判定真 空度，但这种方法只能为真空灭弧室的真空状况提供一个粗略的判定，不能判断 真空度的变化趋势，只是一个定性的判断方法，有时和实际结果并不一致；火花 计法，这种方法也仅适用于玻璃管真空灭弧室，使用时，让火花探漏仪在灭弧室 表面移动，根据高频电场作用下不同的发光情况来判断真空度。综上所述，真空 度的测量目i ；i 仅仅停留在原理的探讨上，如果一定要实现在线监测，尚无经济而 安全的方法。 2 4 其他电气设备的状态监测 2 4 1 变压器的状态监测 局部放电的监测： 变压器绝缘内部若存在如气泡或局部电场增强等缺陷，运行中这些局部区域 内可能发生放电，但导体间绝缘并未发生贯穿性击穿，称为局部放电。局部放电 本身是绝缘老化的原因设备发生击穿事故前，往往以局部放电为其先兆如图 2 6 所示，安装在接地线与套管末屏引下线上的电流传感器提取放电的脉冲电流 信号：安装在外壳上的超声传感器提取局部放电的声信号声、电信号经过数据 采集单元实现数字化测量并送入计算机进行数据处理与存储。为了抑制电磁干 扰，采用了包括数字滤波技术在内的各种干扰 变压器油色谱在线监测： 油色谱在线监测是灵敏度较高的测试方法，其在线监测过程，是将变压器本 体油经循环管路循环并进入脱气装置，经脱气装置进入分析仪，在经数据处理打 印出可燃气体等的谱图及含量值，主要根据变压器油中溶解气体甲烷、乙烷、乙 炔等，反映出变压器内部是放电故障还是过热故障。 2 0 图2 - 6 变压器局部放电在线监测原理图 2 4 2 金属氧化物避雷器的状态监测 金属氧化物避雷器的在线监测主要是监测其阻性电流，由于总电流中容性电 流分量比例很大，所以监测阻性电流的关键是如何从总电流中分离出微弱的阻性 电流。 补偿法监测阳牲电流：基本原理是在测量电流的同时，检测系统的电压，利 用电压信号消除泄漏电流中的容性电流分量 谐波分析法监测阻性电流：原理是在正弦交流电压下，由于避雷器阀片的非 线性特性，阻性电流分量中除基波外还含有高次谐波，而使阀片发热的仅是 阻性电流中的基波分量，即正是基波分量才是避雷器劣化的关键指标。通过 数字化测量和谐波分析技术可以从总泄漏电流中分离出基波电流。 2 4 3 电缆的状态监测 直流叠加法： 借助电抗器将直流电压在线叠加于电缆绝缘，即直流电源经电抗器连接于三 相导线，并由并联电容来免除交流高压对直流电源的影响，通过测量流过绝缘的 直流电流进行诊断。由于电缆绝缘处于交流高压的作用下，尽管所加直流电压不 高，仍能真实反映绝缘的实际情况有关资料规定，用直流叠加法测得的电缆绝 缘电阻大于1 0 0 0 m q 时绝缘良好，小于l o i n 时绝缘不良。这分别相应于电流 为1 0 n a 、1 0 0 0 h a 左右，可用微电流测量装置测量杂散电流的影响可以通过正、 反向叠加直流电压消除。 2 介质损耗因数( r g 万) 法： 将加于电缆的电压( 通过电压互感器) 及流过绝缘的工频电流( 通过电流 互感器) 信号取出。再通过数字化测量装置测出电缆绝缘的f g 艿根据资料分析， 当，g 占 1 时，绝缘可判为不良。由此法所得信息反映的是绝缘缺陷的平均程度。 复合判断法： 一 由于绝缘状态与其特性参数问的统计分散性，仅用一种方法来诊断绝缘，会 有漏判和虚警的可能。采用几种方法，互相配合进行复合诊断可提高诊断的正确 性。资料表明，采用包含直流叠加法以及t 9 8 的复合诊断，对不良电缆诊断准确 率高达1 0 0 。根据测量装置的难易程度现场的干扰情况，采用包含直流叠加及 辔万的复合诊断是较好的选择。 一 2 5 本章小结： 本章主要对电气设备的监测方法进行了概述，并以高压断路器为