（电力系统及其自动化专业论文）高压断路器状态监测与故障诊断方法的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a 8 s t r c t a b s t r a c t ：h i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ro t v c b ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n t sf o rc o n t r o l l i n ga n do p e r a t i n gi np o w e rs y s t e m i no r d e rt oi n c r e a s et h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fp o w e rs y s t e m , c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a i l u r ed i a g n o s i sa n e c e s s a r yf o rh v c b h o w e v e r ，t h e r e 黜m a n y d i f f i c u l t i e si nt t v c bf a i l u r ed i a g n o s i s t os o l v et h i sq u e s t i o n s , t h i sp a p e rg i v e st h ei t e m sa n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so t c o n d i t i o nm o n i t o r i n gb a s e do ns t a t i s t i ca n da n a l y s e so i lt h es u m m a r yo fc i g r e1 3 0 6 w o r k i n gg r o u pw o r l dw i d er e l i a b i l i t yd a t aa n dm a i n t e n a n c ec o s td a t ao nh i 曲v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r sa b o v e6 3 k va n dt h ec o n d i t i o no fi n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o no fb i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ra b o v e6 3 k vt h en a t i o l lw i d ep o w e rs y s t e mi n1 9 9 9 2 0 0 3 w i t hf u z z yd i a g n o s i st h e o r y , af a u l td i a g n o s i sm o d e lo fh i 曲v o l t a g es f 6c i r c u i t b r e a k e ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a n db y 锄a l y z i n gt l a ef r e q u e n ta n dc o m m o nf a i l u r 鹤， t h i sp a p e rc o n f l n l 3 st h ei t e m so fo n l i n em o n i t o r i n go ft t v e b m o r e o v e r , i td i g st h e r e l a t i o m l a i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dt h ef a i l u r e s f r o mt h er e s u l to f f a i l u r e ss t a t i s t i c sa n dt h ea n a l y s i so i lt h ei m p o r t a n ts i l l so fi - i v c b so p e r a t i o n , t h i s p a p e rd e f i n e st h ef a i h e sa r r a y , f a i l u r es y m p t o m sa r r a ya n df u z z yr e l a t i o n a lm a t r i x t h e n , i tg i v e st h eo p l i m i s t i ef u z z yo p c l a t o l a n dd i a g n o s i sr u l e s a n dt oi m p r o v et h e v e r a c i t yo ff u z z yd i a g n o s i ss y s t e m , f l a i sp a p e rp r o p o s e sa d a p t i v ec o i t c c t i o nm e t h o d so f t h ef u z z yr e l a t i o n a lm a l r i x a tl a s t , t h ep r a c t i c a le x a m p l e sg i v e ni nt h i sp a p e rs h o w st h a t t h ea l g o r i t h mi sc o n v e n i e n tt ou s e 孤dt h ec o n c l u s i o ni se x i i c t f u t l a e r m o r e , f o r i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo f f u z z yd i a g n o s i s ，t h i sp a p e rg i v e sa n o t l a e ra u x i l i a r yd i a g n o s i s m e t h o db a s e do nr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e l 1 r a ln e t w o r k ( p b f n n ) r b f n nm a k e ss u r e c o r r e c t n e s so f t h ef u z z yd i a g n o s i sr e s u l to f o p e r a t i n gm e c h a n i s m e l e c t r i c a le n d u r a n c ei st h em o s ti m p o r t a n ti n d e xo f h v c b sf i f e i nt h i sp a p e r , aw a y o ff o r e c a s t i n ge l e c t r i c a le n d u r a n c eo fc i r c u i tb r e a k e rc o n t a c t sb yc a l c u l a t i n gt h er e l a t i v e e l e e ( a i c a la b r a s i o ni sg i v e n 1 1 l i sw a yi sc o n v e n i e n ta n dr e l i a b l et om a s t e rt h ee l e c t r i c a l e n d u r a n c 圩o fc i r c u i tb r e a k e r 啦p a p e rp r o p o s e ss p co i lf a i l u r e sd e f e n d i n gf o r p r e v e n t i n gt h ei - i v c bf r o mg o i n gw r o n g k e y w o r d s ：h i 曲v o l t a g es f 6c i r c u i tb r e a k e r ；, f a u l t sd i a g n o s i s ；f u z z yt h e o r y ； r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ；s t a t i s t i c a lp r o c l 嚣$ c o n l t o l c l a s s n o ：t m 5 6 1 4 ；t p 2 7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：壹鑫毫 签字日期：为6 7 年阻月v 1i t 导师签名： 立匆 i 签字日期：一 哆年7 j 月) 2 日 北京交通大学硕士论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：耋瘥? l签字日期：为司年l z 月叫日 致谢 本论文的工作是在我的导师王玮教授的悉心指导下完成的，王玮教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王玮 老师对我的关心和指导。 吴振升老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴振升老师表示衷心的谢意。 倪平浩老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘艳妮、柳经纬、王伟、王欣星、罗欣等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 l l i 1 1课题背景及意义 1 绪论 国际电工标准( m c ) 中，关于断路器的定义是：“所设计的分合装置，应能关合、 分断和承载正常状态的电流；并能于规定的短路电流等异常状态下，也能进行关 合、分断以及一定时间内的导通和开断h “。3 k v 及以上电力系统中使用的断路器 称为高压断路器。高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备。所谓控制 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；保 护作用，即在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正常运行。高压断路器控 制、保护的对象主要有：发电机、输电系统、配电系统以及电力设备。因此，高 压断路器的可靠运行对电力系统的安全、稳定至关重要。 为了提高断路器运行的可靠性，一种方法是提高断路器的质量，另一种方法 就是在断路器发生故障以前，对断路器进行必要的检查和维修，避免故障的发生。 电力系统中，高压断路器数量最多，按照传统的计划检修模式对断路器进行检修， 存在以下缺陷：检修量大、费用高、容易出现检修过剩或者检修不足的现象。状 态检修是基于设备的实际运行工况，根据其在运行状态下的各种技术参数和特性 现状，通过分析比较而确定设备是否需要检修，检修哪些部件和内容，所以具有 极强的实时性和针对性。因此，对高压断路器实施状态检修，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，可显著提高其运行的可靠性和经济性。 与状态检修密切相关、能直接提高检修工作质量的科学技术有【2 】：状态监测与 故障诊断技术、可靠性管理技术、寿命预测技术、信息管理与决策技术。由于设 备的状态检修是以其运行现状为基础的检修方式，没有设备的运行状态信息的收 集和对设备未来发展趋势的预测，就没有真正的状态检修。由此可知，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。高压断路器在线监测和 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。 随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理等技 术的发展，以及故障机理、特征信号提取方法的深入研究，使得在线监测和故障 诊断技术逐步进入了实用化阶段。断路器的在线监测内容是建立在对多发事故和 重大事故的统计和分析之上的，主要内容包括断路器主体和操动机构机械特性的 北京交通大学硕士学位论文 监测、绝缘的监测、导电部分的监测等。参数种类多、处理的数据量大，如何能 快速、准确地对断路器的将要发生的故障或已经发生的故障进行预报、分析和诊 断，确定故障的性质、类别、原因、部位，是对故障诊断最基本的要求【3 卅。 通过国际大电网会议1 3 0 6 和国家电力科学研究院的统计可以得出【蚓；操作 机构的故障发生率比较高，因此机械故障的监测和诊断在高压断路器的在线监测 中占很重要的地位；由于电气控制和辅助回路工作电压等级较低，易于安装传感 器等监测设各，故电气控制和辅助回路的在线监测和故障诊断也是十分必要的 7 4 1 。 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 征兆之闻关系的复杂性，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，本课题的目的和意义在于：提高高压断路器运行的稳定性和可靠 性，以期提高电力系统运行的可靠性；为高压断路器由计划检修到状态检修做好 准备工作；节省检修费用。 1 2 状态监测与故障诊断技术的发展现状及发展方向 1 2 1状态监测与故障诊断技术 设备的状态监测是在设备处于运行状态下，对其特定的参数进行测试，从而 判断设备运行状态的一种技术。 故障诊断是根据状态监测所获得的信息，结合己知的结构特性和参数以及环 境条件，结合该设备的运行史( 包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录) ，确定 设备故障的性质、程度、类别和部位，明确故障、征兆、原因和系统之间的相互 关系。并指明故障发展趋势p 】。在高压断路器的状态监测与故障诊断过程中，状态 监测与故障诊断是相辅相成的。 2 状态监测和故障诊断的实施过程是：信号采集、信号处理、状态识别、故障 诊断。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，如图1 1 所示。 图1 - l 设备诊断过程图 l r 喀1 = le q u i p m e n td i a g n o s i sd i a g r a m 训练 1 2 2电力设备状态监测与故障诊断技术的发展现状及发展方向 设备状态在线监测( c o n d i t i o n0 n _ _ | i n em o n i t o r i n g ) 不等于状态监测，设备状态 监测与故障诊断( f a i l u r ed i a g n o s i s ) 也不等于设备状态在线诊断。状态监测包括在线 监测，必要时的离线检测及试验，以及不与运行设备直接接触的( 如红外监测等) 所有可得到运行状态数据的手段；设备故障诊断是根据某一时刻在线监测的特征 量与前面监测的结果进行纵向比较分析，与同类设备或同一设备不同相在线监测 的结果进行横向比较，并结合历年离线检测试验数据和运行经验等，对故障类型、 严重程度及原因等做出综合判断，进而做出维修策略及方法凹 可以这样说，在线监测系统是状态监测和故障诊断技术发展的初级阶段，虽 然能起到一定的监测的目的，但还不能完全满足状态监测和故障诊断的要求。 对电力设备进行在线监测的思想【4 】，早在1 9 5 1 年由美国西屋公司的约翰逊 f j o h as j o h n 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 年代美国率先开发在线监测技术，并成立了 庞大的研究机构，每年召开1 2 次学术交流会议。2 0 世纪6 0 年代初，美国即已使 用可燃气体总量检测装置，来测定变压器储油柜面上的自由气体，以判断变压器 的绝缘状态。 7 0 年代加拿大、日本、前苏联等国家的在线监测技术开始起步，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在线监测装置；日本于7 0 北京交通大学硕士学位论文 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； 前苏联的在线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在 线监测方面，有较强的技术实力。 到了2 0 世纪8 0 年代，局部放电的监测技术已有了较大的发展。加拿大安大 略水电局研制了用于发电机的局部放电分析仪，在1 9 8 1 1 9 9 1 年共装备了5 0 0 多 台。魁北克水电局研究所研制了一套多参数的监测系统( a d 讧) ，除可对7 3 5 k v 变 压器局部放电监测外，还可分析油中的溶解气体及分线路过电压，并具有初步诊 断的功能。 2 0 世纪9 0 年代【1 0 1 ，状态监测与故障诊断也已受到电力部门管理、科研、运营 和工程维护人员的日益重视并逐渐成为国际性的前沿研究课题和研究热点。国际 上对电力系统状态监测和故障诊断的对象和内容有了很大的发展。状态监测和故 障诊断的研究对象主要集中在以下几个方面：变压器、发电机、高压断路器以及 交流感应电机。变压器状态监测内容有：热点温度、油中气、油中水、局部放电 ( p d ) 以及有载分接开关( 0 归) 监测。比较典型的系统有： ( 1 ) m r r sm o d a l - b a s e ds y s t e m ：此系统主要对油中气体和变压器温度进行监 测，缺点是它的热动态模型需要进一步提高； ( 2 ) a b b 公司的m o n i t o r i n ga n d d i a g n o s i se q u i p m e n t ：监测的内容有混合气体、 p d 、o l t c 、负载以及关键部位的温度，此系统不仅可以对油中气体成分进行分析、 局部放电定位，还可以通过振动分析预测o l t c 故障，缺点是：虽然提出了寿命 预测问题，但是并没有给出详细的方法； ( 3 ) s i m e n s 公司的p o w e r t r a n s f o r m e r m o n i t o r i n g s y s t e m ：监测的内容有油中 气、温度、电压和电流、o l t c 以及油中水和油位等等，当监测信号的特征值超出 阈值水平时报警； ( 4 ) a i j t h o m 公司的m s 2 0 0 0m o n i t o r i n gs y s t e m ：此系统可以给出故障报 警，并且给出了界面，使监测数据可视化，而且，此系统可以用于远距离故障诊 断。 在2 0 世纪9 0 年代，对发电机局部放电的研究日新月异，几乎每年都有突破 性的进展1 9 9 3 年s a t i s h 采用多层神经网络对p d 进行模式分类，并能自动诊断 局部放电故障；1 9 9 5 年t a n a k a 提出了局部放电脉冲模式分析的方法，通过对统计 数据的分析，用神经网络的方法进行噪声识别和绝缘故障诊断；1 9 9 6 年i t o m 通过 采用热敏电阻作为传感器传感器，并通过射频耦合器作为滤波装置除去噪声的干 扰；1 9 9 9 年，g u l s k i 研制了数字局部放电诊断系统，此系统利用麦克斯韦线圈和 由推理数据库支持的局部放电诊断模块进行故障诊断。 随着技术的发展，在进入2 l 世纪后，多a g e n t 系统( m u l t i - a g e n ts y s t e m s ) 的 4 应用日益广泛i l l j 。c o n d i t i o n m o n i t o r i n g m u l t i a g e n t s y s t e m ( c o m m a s ) 用于变压器 内部局部放电的特高频监测；此外，被称为p r o t e c t i o n e n g i n e e r i n g d i a g n o s t i c a g e n t s ( p e d a ) 也是较为典型的多a g e n t 系统，在对s c a d a 和故障诊断数据分析的基础上， 用多a g e n t 技术来实现对电力系统扰动的分析和故障诊断。 在国际上，状态监测已成为非破坏性检测洙o i ld e s t r u c t i v et e s t i n g ，n d t ) 下属 的一个活跃的新分支。从1 9 8 9 年起已举行了多届有关状态监测的国际会议，2 0 0 8 国际状态监测与诊断会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f c r e n c 圮o nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d d i a g n o s i s ) 将于2 0 0 8 年4 月2 1 日- 2 4 日在北京召开 由上可见，状态监测与故障诊断在电力系统中已得到广泛重视。随着社会的 发展，电力系统面对的经济压力会越来越大，而用户对电力质量的要求却越来越 高，这必将促进状态监测技术的进一步发展和应用将来电力系统状态监测技术发 展的趋势及需要重视的问题。将具体体现在以下几个方面f 1 2 】： ( 1 ) 越来越多的电力设备被纳入状态监测和故障诊断的范畴； ( 2 ) 随着传感器技术的发展，可以监测的状态量将越来越多，而计算机技术 的发展，在短时间处理大量的数据变为可能，因此多功能、多状态的在线监测与 故障诊断系统将得到发展； ( 3 ) 对如何根据检测到的数据作出相应的判断，以及对新的更有效的检测项 目和检测方法以及对监测信号进行处理的新的数学工具等方面的基础研究将得到 迸一步加强；专家经验的积累也将得到更多的重视和加强，同时，智能的故障诊 断方法将得到进一步研究和应用，尤其是神经网络技术、知识系统、模糊逻辑等 会得到更广泛的应用； ( 4 ) 状态监测系统与其它系统的联网和集成问题将得到进一步研究，状态监 测系统与继电保护将有机地结合起来。 1 2 3高压断路器状态监测与故障诊断技术的发展现状及发展方向 与变压器、发电机、电容性等设备相比，断路器状态监测技术起步较晚。直 到9 0 年代以后断路器状态监测技术才逐渐发展起来。9 0 年代，美国、日本开始 研究断路器的状态监测，美国学者率先绘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，“全工况跳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。随着研究的深入，都 先后生产了自己的断路器状态监测装置。早在1 9 9 2 年 t 3 1 ，a l s t o m 在美国的 g r i z z l y 变电站第一次在5 0 0 k v 的断路器上使用了c o n t r o la n dm o n i t o r i n gs y s t e m ， 在今后的几年中，这套装置广泛使用在加拿大h a m m e r 变电站的型号为f x 3 2 d 的 5 北京交通大学硕士学位论文 5 0 0 k v 的高压断路器装置上。这套监测系统包括几个由1 2 m h z 的8 位微处理器芯 片组成的微控制系统。后来，在1 9 9 9 年到2 0 0 0 年，a l s t h o m 公司又开发了较 为先进的c b w a t c h - 1 系统，c b w a t e h - i 系统一项重要的突破是它能够预测s f 6 气 体的压力变化趋势，并能给出低压报警。现阶段正向大规模的专家故障诊断系统 方向发展，基于神经网络和模糊理论的断路器故障费雷、决策系统开始出现。 国内的高压断路器状态监测的研究起步较早，1 9 9 2 年吉林电业局曾立项“断路 器机械特性的监测”和“g i s 局部放电特高频在线监测”，1 9 9 5 年清华大学高压教研 室研制了c b a - 1 高压断路器参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸电流、 行程曲线及振动信号。这些近年来在国内出现的高压断路器机械参数监测仪，虽 然能够监测断路器的各项运行参数，对断路器的故障进行预防。但是，就估行诊 断方面国内还没有形成一个真正意义上的适用的故障诊断专家系统，所能做到的 只是对具体断路器的具体信号处理来进行故障诊断，通用性较小不过，就断路 器故障诊断系统的研究已经开始，并取得了一定的成果，基于神经网络、小波分 析，模糊理论的信号分析和诊断方法的研究已经开始用于试验。 目前，国内外对断路器状态监测技术与诊断的研究包括以下几个方面： ( 1 ) 记录分合闸操作的行程、时间特性曲线，提取机械运动参数，并借之判 断机械故障；( 2 ) 监测操作线圈电流、电压波形，可有效地判断拒动、误动等故 障；( 3 ) 断路器的机械振动信号包含丰富的信息，通过监测分析振动信号，诊断 断路器机械系统的状态；( 4 ) 测量断路器提升秆的泄漏电流以监测其绝缘状态；( 5 ) 测量静态电阻和动态电阻以检测触头的烧损情况；( 6 ) 通过测量灭弧室和控制箱 内的温升情况以判断触头的烧损情况以及分合闸线圈回路的完整性情况；( 7 ) 监 测s f 6 气体的压力。 1 3本文的主要工作 本文的主要研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 通过对国内外断路器历年事故的统计和分析，确定断路器的状态监测内 容； ( 2 ) 研究高压断路器运行监测机理，分析断路器在分、合闸操作的行程、时 间特性曲线。操作线圈电流、电压波形，断路器的机械振动信号，断路器提升杆 的泄漏电流以及灭弧室和控制箱内温升等，深入研究监测信号与故障之间的对应 关系，提出用于故障诊断的特征信号： ( 3 ) 计算断路器开断电流的有效值，用于断路器电寿命的预测，给出用于诊 断断路器电寿命的数学模型； 6 ( 4 ) 研究故障诊断方法，分析各种方法的优缺点，提出以模糊诊断理论为主， 径向基神经网络诊断为辅，并结合统计过程控制( s p c ) 用于进行断路器的趋势诊 断，根据( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 中对断路器的分析建立其故障诊断的数学模型； ( 5 ) 利用c 语言编程实现高压断路器的故障诊断系统，包括信号处理、特征 信号提取以及故障诊断，并验证所建立数学模型的正确性、实用性 7 高压断路器状态监测特征参量的特性分析 2 高压断路器状态监测特征参量的特性分析 2 1高压断路器状态监测特征参量的选取 2 1 1故障统计与分析 高压断路器的状态监测内容是建立在对故障的统计和分析之上的。国际大电 网会议1 3 0 6 工作组在1 9 7 1 年到1 9 9 1 年先后对高压断路器进行了两次世界性的调 型1 4 1 ，第一次世界性大调查是1 9 7 4 年至1 9 7 7 年，主要是对1 9 6 4 年1 月1 日后安 装运行的6 3 k v 以上的高压断路器进行调查，全世界2 2 个国家1 0 2 家电力公司参 加，共得到了2 0 0 0 0 台断路器的资料及7 7 8 9 2 开关年的数据；第二次世界性调查 是1 9 8 8 年至1 9 9 1 年，主要是对6 3 k v 以上单压式$ f 6 断路器进行调查，全世界 2 2 个国家1 3 2 家电力公司参加，共得到了1 8 0 0 0 台断路器的资料及7 0 7 0 8 开关年 的数据。表2 1 为两次世界大调查的大事故率的特点。两次调查大事故率分布情况 对比如表2 - 2 所示，主要说明导致大事故发生的部位。 表2 - l 两次调查大事故率特征 t a b 2 - 1m a j o rf a i l u r em o d e so f c i g r ew g e n q u i r i e s 每百开关年的大事故率( ) 特征 第一次大调查第二次大调查 拒合 3 3 72 4 6 拒分 1 4 18 3 误合 1 71 0 误分 5 27 o 无电流 1 6 1 7 不能切断电流 1 93 0 不能载流 2 51 5 对地击穿 2 63 2 相问击穿 o 51 5 开路相内击穿 4 03 6 开路相外击穿 1 21 5 分闸或合阿位置闭镄 2 8 5 其他 3 1 01 4 6 北京交通大学硕士学位论文 表2 - 2 两次调查大事故率分布情况对比 t a b 3 , - 2t h ec o n t r a s tb e t w nt w om a j o rf a i l u r es u r v e y s 故障率 相关元部件 第一次第二次 处于工作电压的元部件 4 8 2 1 电气控制及辅助回路 1 9 2 9 机械部分 3 3 4 3 其它 7 总失效率 1 0 0 1 0 0 国家电力科学研究院高压开关所也对我国断路器的运行情况作了统计 6 1 ，在 1 9 9 9 2 0 0 3 年全国电力系统1 1 0 ( 6 6 ) k v 及以上高压断路器运行中的事故和障碍以及 事故原因的统计中，拒动及开断关合事故等占2 5 ，绝缘事故占4 1 7 ，误动事故 占2 2 2 ，载流事故占2 ，8 ，其他占8 3 。按故障原因及发生部位统计故障率如 下：处于工作电压的元部件为2 3 1 3 ，电气控制及辅助回路又称为二次回路及控 制回路，故障率为2 l ，5 5 ，机械部分为4 9 4 ，其它5 8 s 。 2 1 2状态监测特征参量的选取 操动机构包括2 个部分，一是机械传动部分，二是包括控制机械部分，包括 合、分操作的控制回路和辅助回路，如接线端子、接触器、辅助开关、分合闸线 圈、微动开关、电机、气体继电器、安全阀等二次元件，控制机械部分简称二次 部分。在既定义的基础上。两次世界大调查和国家电力科学研究院在1 9 9 9 - 2 0 0 3 年的调查中的事故原因的统计可以表明：目前高压断路器的主要故障为操动机构 的故障，第一次世界大调查中机械故障占所有故障的5 2 ，第二次世界大调查中 机械故障占所有故障的7 2 。国家电力科学研究院的调查中占7 l e a 。因此机械放 障的监测和诊断在高压断路器的状态监测中占很重要的地位 此外，在这三次调查中处于工作电压的元部件的故障率分别4 8 ，2 1 ， 2 1 1 3 ，所占的比重也是很大的，并且断路器的开断电流的大小对于判断断路器 的电寿命是必不可少的条件。因此，对处于工作电压的元部件进行监测对判断断 路器的运行状况也是非常重要的。 综上所述，通过对断路器故障的统计，在分析研究的基础上，本文归纳出s f 6 断路器的在线监测内容及特征量【1 l ，如表2 - 3 所示。 t o 高压断路器状态监测特征参量的特性分析 衰2 - 3 在线监测内容及特征量 t a b 2 - 3i t e m sa n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f o n - i h em o n i t o r i n g 序号在线监测内容特征量所反映断路器的状态或用途 1 、监测线圈回路的电气完整性 1 分合闸线圈 电压、电流 2 、间接判断断路器机械操作机构的情况 1 、监测电动机的工作情况 2 储能电机线圈 电压电流 2 、间接判断液压机构的密封性 分合同时间、速度、 l ，反映同期性问题 3 动触头的运动特性 2 、监测动力机构、传动机构的运行情况 行程，超程 以及连接状态 三相电流、壳体温 1 、用来判断断路器的电寿命 4 触头信息 升 2 、动静触头的对中情况 l 、通过振动波形监测机械系统的运行情 5 断路器主体振动 振动波形况 2 、提取断路器运动的特征时间 绝缘支撑、绝缘拉 l 、反映支持瓷瓶受损和表面积污情况 6 绝缘 杆的泄露电流2 、反映绝缘拉杆的绝缘情况 2 2 分、合闸线圈电流分析 电磁铁是高压断路器操动机构中的重要元件之一【4 】，高压断路器一般都是以电 磁铁作为操作的第一级控制元件。当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通， 铁心受电磁力作用吸合，使断路器合闸或分闸。从能量角度看，合、分闸线圈的 作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过铁心的动作，再转化为机械功输出。 大多数断路器均以直流作为控制电源，故直流电磁线圈的电流波形中包含着可作 为机械故障诊断用的重要信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及 连锁触头在操作过程中的动作情况。 线圈的直流供屯电路如图2 - l 所示。合、分闸线圈等值为一个电阻r 和一个 电感线圈l 【”, 2 6 1 。 北京交通大学硕士学位论文 绞荫 l r 图2 - 1 合( 分) 闸线圈结构示意及等值电路 瑰2 - 1 $ t r u e t u r a d h g r l u n a n d e q u v a l e n t e l r e u r o f c o i l 假设铁心不饱和，电感l 不随i 变化。当断路器接到合、分闸命令时，刀闸k 合上，线圈中通过电流i ，电路微分方程如下： ( ，：“+ 掣( 2 - 1 ) 倒 式( 2 1 ) 中甲为磁链，则有l t , ；厶i 。代入，上式可变为： u ：r i + l 粤“粤v ( 2 - 2 ) d td s 典型的线圈电流曲线如图2 - 2 所示。根据铁心运动过程该波形可分为以下四个 阶段。 b乜 b qk 图2 - 2 操作线圈电流曲线 f 龟2 - 2t h ew a ”o f c o i le m - - r e n t ( 1 ) 铁心触动阶段：t = t o f 1 t o 为断路器合、分闸命令下达时刻，是断路 器合、分动作计时起点，f l 为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁心 开始运动的时刻。在这一阶段，v = 0 ，l = l 。为常数，代入式( 2 - 2 ) ，并代入初 始条件t = t 。时，i = 0 ，可得式( 2 - 3 ) i ；兰f 1 一c i l ，l ) ) ( 2 3 ) 1 2 高压断路器状态监测特征参量的特性分析 这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心静止，电流可以反映线圈的状态( 如 电阻是否正常) 。 ( 2 ) 铁心运动阶段：t = f 2 。在时间 ，电流增大到动作电流 铁心的吸 力超过反作用力( 如铁心重力，加在铁心上的弹簧力等) ，铁心开始运v 0 。t 2 为控 制电流的谷点，代表铁心已经触动操作机械的负载而显著减速或停止运动。等值 回路中增加一随时问增大的反电势i ( d l d s ) v ，一般情况下，线圈电流i 在铁心运 动后迅速下降，直到铁心停止运动，v = 0 。 这一阶段的特点是电流下降，铁心运动。电流的变化表征铁心运动结构有无 卡涩，脱扣、释能机械负载变动的情况。 ( 3 ) 触头分、合闸阶段：t = t z 一厶。在这个阶段，铁心已停止运动，1 ，= 0 ， l = l 。时有式( 2 - 4 ) i = 兰( i c - ( 剐k “) ( 2 - 4 ) r 在这一阶段铁心运动停止。电流又呈指数上升。因l - l o ，故电流上升比第 一阶段慢。 ( 4 ) 维持阶段：f = - t , 。这一阶段时阶段( 3 ) 的延续，电流达到近似的稳 定。t 为断路器辅助接点切断的时刻，t t 。或t t ：可以反映操作传动系统得情 况。 ( 5 ) 电流切断阶段：f = 毛。此阶段辅助开关分断，在辅助开关触头问产 生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。 综合以上5 个阶段的情况，通过对线圈电流的监测，分析i 的波形和t ，t ， t ，i 。，i ：，i 等特征值，可以计算出铁心启动时间、铁心运动时间、线圈通电时 间等参数，从而了解断路器机械操动机构的变动倩况。因此，实时记录每一次开 关操作过程线圈电流的波形，分析上列有关参数是诊断断路器机械操动系统的重 要信息。根据得到的操动机构的启动时间、铁心运动时问、线圈通电时间等，并 根据断路器自身参数范围，比较判断操动机构是否己有铁心空行程、弹簧卡滞等 故障，从而预告故障前兆。本文通过对线圈电流特性的分析，为实际合、分闸线 圈电流的在线监测的实现提供理论参考。 2 3 断路器振动信号分析 高压断路器是一种瞬动式的机械 4 1 ，在动作时，具有高强度冲击、高速度运动 的特点其动作的驱动力可达数万n 以上，在几毫秒的时问内，动触头系统能从 北京交通大学硕士学位论文 静止状态加速到每秒几米加速度达到1 0 0 倍于重力加速度的数量级：而在制动、 缓冲过程中。撞击更为强烈。这样强烈的冲击振动提供了更为敏感的诊断信息， 易于实现监测。 机械振动总是由冲击受力、运动形态的改变引起的。在断路器结构上，动作 一觳由撵动视梅的驱动器经过连秆机构传动，推动动艇头系统，在一次的潦作过 程中，有一系列运动构件的启动、制动、撞击出现，这些运动形态的改变都在其 结构构架上引起一个个冲击振动。振动波经过结构部件传递、衰减，在传感器测 量部位测到的是一系列衰减的冲击加速度波形。这些冲击振动都可以与结构件的 运动状态变化找到对应得关系，为状态监测和故障诊断提供了可能。 2 3 1断路器振动信号的时域特性 断路器在动作时，会产生振动信号，对应机构中每一部件的动作，在振动信 号时域图上都会有一个振动脉冲。任何一个操作中，脉冲出现的频率是变化的 但脉冲的出现顺序是相对不变的。对于同一断路器同秘状态下的重复操作过程， 外部振动信号在一定的范围内是稳定的。对于同一位置测得的相同情况下的操作， 其振动信号具有一定的相似性，而每台断路器的不同相或同相、同类型同批次的 断路器其对应的振动信号也具有相似性。机械振动波形是由一系列衰减的正弦波 组合而成的，外部振动响应的幅值与冲击力的大，j 、成正比，振动的频率比及衰减 的时间常数与断路器的机械结构有关。因此用振动信号分析断路器的特性是可行 的 图2 - 3 是断路器舍超过程实飘鲍擐动如速度( 8 ) 、动触头行程 轰动曲线 t h ew a v eo f v i b r a f i o n 高压断路器状态监测特征参量的特性分析 ( b ) 行程曲线 t o ) t h e w a v e o f t r i p l f ， ( c ) 分闸线翻电流血线 国t h e w i v e o f c o i l c u r r e n t 圈2 - 3 合闸操作实潮结果 f i 9 2 - 3 t h e m s u l t o f a c t u a l m e a s u r e m e n t f o rc l o s i n g o p e r a , l i o n 对于合闸过程所对应的重要冲击振动如下： t l ：支架上合闸接触器动作所对应的微弱振动；( 此时断路器动触头并没有开 始运动) t 2 ：合闸铁芯带动机构传动连秆开始运动；( 动触头开始运动) t 3 ：动静触头接触时刻； t 4 ：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，瞬时加速 度数值接近1 0 0 9 ； t 5 ：机构的连杆运动到头与维持合闸掣子接触撞击 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 ：机构连秆解列，分闸弹簧开始驱动传动机构及触头系统运动。对应着分闸 过程最大的冲击振动，幅值约8 0 9 左右； t 3 ：主触头分离时刻； t 4 t 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。 可见在操作过程中，各个冲击子波与断路器运动状态有一一对应得关系，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；从而就有可能计算断路器相应状态的机械 参数，为运行和管理人员提供必要的分析依据。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 2振动信号测量点的选取 振动波在断路器结构中的传播过程、波的类型、传播途径、衰减、折反射情 况等是十分复杂的，因此在不同的测量位置以及同一过程所测量的响应波形差别 很大【2 6 】。例如。操动机构贴心运动的信息在灭弧筒上反应十分微弱，而断路器筒 内动触头传动连杆的运动状态则只有在灭弧筒上有明显的反应，而在支架上测不 到相应得振动信号。因此，加速度传感器监测位置的选择是很重要的。 一般情况下，振动传感器的安装有两种方式，一种方式是将振动传感器装在 断路器动触头的连杆上，尽量靠近动触头以防止振动波的过度变形，这种方式所 测得信号能够较准确的反映振动事件的时间及强度，但这种安装方式不但要打开 断路器，侵入断路器内部，而且在断路器剧烈动作时传感器安装的牢固程度是一 个很难解决的问题，同时传感器的安装也一定程度上妨碍了断路器部件的动作；另 一种传感器的安装方式是安装在断路器的基座上，这种方式安装方便，不侵入断 路器内部，且能够一定程度上较好的反映振动的真实情况叨。 2 4 开断电流信号分析 高压断路器在正常情况下，可以开断、关合及承载运行线路的正常电流，在 这种情况下，断路器是起控制作用的设备；此外，当电力系统发生短路故障时， 断路器应在规定的时间内完成切断故障的任务。断路器在开断有电流的电路时， 触头分离后，触头间会出现电弧，只有使电弧熄灭，电路的开断任务才能完成。 在电力系统发生故障时，短路电流比正常负荷电流大的多。这时的电路最难开断。 一般