高压断路器机械振动信号特征与故障诊断方式

高压断路器机械振动信号特征与故障诊断方式

刘炳辉  强浩政  林卫东

山东泰开真空开关有限公司  271000  山东泰安

摘要：近年来，我国的电力行业有了很大进展，在电力系统中，高压断路器发挥着重要的作用。机械特性参数是断路器的主要性能参数，通过断路器机械特性测试试验可对断路器的运行可靠性作出评价，及早发现隐患，杜绝设备故障的发生。本文首先分析断路器工作原理，其次探讨高压断路器机械特性测试参数定义，最后就高压断路器振动信号特征提取进行研究，以供参考。

关键词：高压断路器；振动信号；特征提取；故障诊断；状态识别

引言

传统的检测技术无法保证断路器在多场景下实现快速检测、与辨识，且无法精准定位与判断故障类型实现保电数据来源统一化、标准化。系统解决了各专业系统接口配置不统一，系统数据标准不一的难题。基于企业云平台的系统建设，各专业系统全部流入全业务统一数据中心，并经统一的清洗、转换后再按需传送至保电指挥系统，保证了数据来源统一可靠，提高保电指挥系统数据的可靠性。建立了一套保电用统一数据字典，对不同系统数据进行了标准化转换，进一步提高了数据的准确性和可靠性，为专项保供电任务提供快捷、准确、可靠的辅助决策服务。

1高压断路器工作原理概念、类型及优势

（1）概念。高压断路器是电力系统中用来发电、送电、变电、配电接通、分断电路以及保护电路的主要设备。高压断路器在正常运行状态下，接通和开断负荷电流；发生故障时，切断短路电流，切除故障电路。（2）类型。按照控制和保护对象的不同，高压断路器可分为发电机断路器、输电断路器；配高压断路器。（3）优势。机械振动信号是一种间接测量方式，可在其接地极周围完成监测，有效避免了监测过程中可能出现的安全问题；机械振动特征信号提取不会对高压断路器内部结构造成破坏，但振动信号特征提取仅仅是判断高压断路器是否出现故障的关键一步，时域中包含着丰富的信息。当前，随着信号技术的蓬勃发展，越来越多的高压断路器故障诊断方法应运而生。机械振动信号属于一种非电磁信号，受断路器周围电磁干扰的影响较小；断路器类型多样，尺寸较小，安全性高，十分适合于其在户外严酷环境下工作；机械振动信号中包含着丰富的高压断路器信息，以上方法提取这些信号是一种比较理想的选择。

2高压断路器机械特性测试参数定义

（1）合闸时间：指分闸位置的断路器从接到合闸指令瞬间起，到所有极的触头都接触瞬间的时间。从合闸线圈通电动作作为计时起点，到所有动、静触头刚接触的时间。（2）分闸时间：指合闸位置的断路器从接到分闸指令瞬间起，到所有极的触头都分离瞬间的时间。从分闸线圈通电动作作为计时起点，到所有动、静触头刚分离的时间。（3）分、合闸不同期性：指断路器最先合上（或断开）的一相（或一个断口）与最后合上（或断开）的一相（或一个断口）的时间差。（4）断路器分、合闸动作电压：断路器分闸线圈的动作电压不能过低，当在直流系统绝缘不良，或直流两点高阻接地的情况下，有可能在分闸线圈两端产生一个不高的电压，如果分闸线圈动作电压过低，会导致断路器误跳闸；同时如果分闸线圈动作电压过高，在直流系统故障，直流母线电压降低时断路器会拒绝跳闸。

3高压断路器振动信号特征提取

3.1振动信号特征提取法

对于高压断路器的分闸与合闸操作，需要通过转动装置带动触头运动完成，运动过程中其内部发生的摩擦、碰撞等的信号称为振动信号，这些信号可准确反映高压断路器的运行状态。因此，对于振动信号特征的提取至关重要。（1）时域分析法。时域分析法指的是在时域中对高压断路器振动信号特征进行分析的方法。常见的时域分析法主要有包络谱分析法和短时能量分析法两种。①包络谱图中高压断路器故障特征频率较高，与频谱图相比来说，比较容易识别，包络谱分析法指的就是将高频段的故障拿到低频段进行分析，由于它消除了不必要的频率干扰，所以能够更加准确地体现高压断路器故障发生的位置。通过包络谱法对高压断路器的故障进行诊断，不仅能更好地体现高压断路器在振动状态下的强度，还可以准确判断振动发生的频率和时间；②短时能量分析。短时能量分析现已被广泛应用到了语音信号分析和处理领域中。在对高压断路器的诊断过程中，通过信号传感器可以得出其在开闸与合闸时间内相等的参数，从而对高压断路器的运行状态进行判断。（2）频域分析法。在对高压断路器的振动信号处理中，频域分析法指的是在一个特定的频域内将复杂的信号进行简化，同时监测信号的频率和分布变化情况。目前，常见的频域分析法主要包括chirp-Z变换法、FFT+FT细化法等。（3）时频分析法。时频分析法在考虑高压断路器运行时间的同时还要在考虑其振动的频率，时频分析了综合了时域分析法和频域分析法很多的优点，对于高压断路器非平稳信号的分析可准确反映高压断路器的局部特征，在对高压断路器机械振动信号故障的诊断过程中常用的方法有小波分析法、静态分解等。

3.2多元辅助智能决策

依托人机协同、智能识别等技术，实时获取巡视结果、状态数据、故障隐患等信息，实现线路缺陷类型和故障位置快速研判，设备受损状况智能评估，并基于数字孪生技术与虚拟现实技术实现故障动态显示与场景沉浸交互式体验，为高效处置提供辅助决策。利用数字孪生技术建立生命档案，实现智慧线路本体、通道与设备状态全生命周期数字孪生动态管理，自然灾害仿真推演及防灾决策制定。

3.3测试控制回路接线

高压断路器机械特性测试时需要在断路器汇控柜内选择合适的二次回路节点加控制电压使断路器分合闸线圈动作。此控制电压可以使用试验仪器自带的直流电源。当断开站用直流控制电源而使用仪器自带控制电源试验时，要注意分析合闸二次回路中受站用直流控制电源影响的闭锁接点是否会对合闸通路造成影响。对于常闭接点，其失电时本就处于闭合状态，所以不受站用控制电源失电影响，而断路器辅助接点和防跳接点与断路器分合闸状态有关。不同型号不同生产厂家的断路器类似ＳＦ6气体低气压或液压油低油压等闭锁接点在回路中的位置可能会有所区别，有的设计在分合闸线圈的正电侧，有的设计在分合闸线圈的负电侧。必要时需将仪器控制电源线跳过受站用控制电源失电影响的常开闭锁接点进行接线以形成通路，但不可将控制电源直接接在分合闸线圈两端，否则会烧坏线圈。

3.4实时动态安全防护

基于人员定位、智能穿戴设备、数字孪生技术，结合实景建模、现场环境状况，实现作业前人员准入识别、安全仿真评估分析、工作内容智能交底，作业中安全距离实时校核、人员身体状态监护、作业行为自动分析、违章即时警告等作业全过程管控及人员安全状态监护，提升作业安全防护水平。

3.5位机软件设计

软件具备设备管理、测试内容配置、时域波形显示、综合频谱分析、历史数据比对等功能。 设备管理可设置隔离开关信息、测试信息、采样信息及测试通道；测试内容配置包括确定采样信息、配置档位、连续或单次测试以及基准电流； 波形显示指显示各信号原始波形、包络分析结果及频谱分析结果；历史数据比对将样本数据与数据库的对比数据进行比对，以发现设备故障，确保设备使用安全。

结语

弹簧机构断路器应定期进行机械特性试验，并同时测量分、合闸线圈电流波形。高压断路器机械特性试验能够反映断路器的工作状况，及时发现断路器早期故障，为断路器检修提供可靠的依据，对于保障电网安全稳定运行有着十分重要的意义。

参考文献

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[2]田书,康智慧.基于改进变分模态分解和SVM的断路器机械故障振动分析[J].振动与冲击,2019(23):13-16.

[3]黎小峰,巫世晶,李小勇,等.考虑弹簧应力松弛的高压断路器运动特性[J].中南大学学报（自然科学版）,2019(7):10-13.