王勝男 安金楠 何平

摘 要： 目前，我國市場經(jīng)濟(jì)在迅猛發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，將斷路器機(jī)械特性故障概括為三種，即拒動、誤動和其他故障等，以下對斷路器機(jī)械故障進(jìn)行探究，并對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行剖析。

關(guān)鍵詞： 斷路器;機(jī)械故障;故障機(jī)理

【中圖分類號】 TM561.3? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A? ? ?【文章編號】1674-3733（2020）14-0209-01

引言

斷路器的種類很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另外其性能又受到安裝的地理環(huán)境和天氣狀況等外部因素的影響，所以斷路器的故障類型各不相同。通過分析國內(nèi)外對斷路器故障相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其中機(jī)械故障占了60%～70%左右，因此，研究分析斷路器機(jī)械故障類型和原因，實時監(jiān)測斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決斷路器潛在的機(jī)械故障，將有利于斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電系統(tǒng)的安全性能和經(jīng)濟(jì)性能，構(gòu)建強(qiáng)大的智能電網(wǎng)。

1 斷路器的選擇

開斷元件是執(zhí)行元件，主要起到閉合、切斷電流的作用。其執(zhí)行閉合、切斷動作的能量來源則為操動機(jī)構(gòu)，并具有不可替代的重要作用，根據(jù)能量來源的不同可將其分為彈簧式和電磁式兩大類。對比這兩種操動系統(tǒng)，電磁操動機(jī)構(gòu)不僅對電源要求較高，并一直存在合閘速度慢的問題。相對來說彈簧操動機(jī)構(gòu)并不存在這兩個問題，因此在眾多科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，其操作方式分為手動和電動兩種。對于彈簧操動系統(tǒng)來說，彈簧作為執(zhí)行分、合閘操作的能量來源，是其最為主要的部件之一。少油斷路器優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單且價格便宜，但檢修頻繁，且在檢修時需進(jìn)行解體操作，不僅操作過程繁瑣且檢修成本耗費(fèi)巨大。除此之外，因滅弧介質(zhì)和觸頭間的絕緣介質(zhì)都是油，因此發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險系數(shù)較高，安全性較差。SF6斷路器具有較強(qiáng)的滅弧性能，優(yōu)點是能連續(xù)多次進(jìn)行分合閘操作且噪聲小。SF6氣體不可燃，不具有發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險。SF6氣體作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，為保證其密封性不發(fā)生泄露，對制造工藝及材料的要求更為嚴(yán)格，受此因素的限制，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中并不廣泛。相對于上述兩類斷路器真空斷路器各方面優(yōu)勢明顯，基本上結(jié)合了少油斷路器結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜與SF6斷路器連續(xù)多次進(jìn)行分合閘操作且噪聲小的共同優(yōu)勢。除此之外也并不存在這兩種斷路器的缺點，其檢修便捷極大的節(jié)省了檢修成本和精力，此外滅弧和絕緣介質(zhì)均為高真空，因此相對來說更為穩(wěn)定且不懼火災(zāi)風(fēng)險。由于真空斷路器在各方面的眾多優(yōu)勢，因此生產(chǎn)實際中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用ZW51-12型真空斷路器進(jìn)行振動信號檢測系統(tǒng)的搭建。

2 斷路器誤動故障及其成因

這里所探究的誤動故障是指斷路器在沒有接收到動作指令時即發(fā)生動作，其中涵蓋了保護(hù)跳閘、偷跳、合后即分等非人為因素形成的斷路器動作?，F(xiàn)階段，在傳統(tǒng)預(yù)防性試驗時不應(yīng)脫扣，斷路器分閘脫扣器的最低動作電壓處在額定電壓的30%～60%之間，合閘最低動作電壓處于額定電壓的30%～80%（交流為85%）之間。國家標(biāo)準(zhǔn)（如GB11022和DL/T596）明確規(guī)定了斷路器最低動作電壓，對于30%及以下額定電壓不應(yīng)脫扣的要求，目的是防止電力設(shè)備干擾引起的斷路器誤動作。在實際工作中，即使對于斷路器誤動的試驗較為精細(xì)，卻仍然發(fā)生較多的斷路器誤動問題。在分析斷路器誤動的成因時，發(fā)現(xiàn)該故障的發(fā)生與拒動十分相似，其原因主要為操作機(jī)構(gòu)無法保持狀態(tài)或電氣部分受到干擾或出現(xiàn)問題。操作機(jī)構(gòu)無法保持狀態(tài)。斷路器設(shè)備的機(jī)械部件是由簡單自由度為1的四連桿機(jī)構(gòu)組成的，分合閘保持摯子是用來限制斷路器運(yùn)動的，可以理解為在四連桿機(jī)構(gòu)的主動軸上加上了約束，使其自由度變?yōu)?。而斷路器誤動的成因源自其機(jī)械結(jié)構(gòu)無法保持住狀態(tài)，四連桿機(jī)構(gòu)的約束不能制止主動軸的運(yùn)動，四連桿機(jī)構(gòu)的自由度可回歸為1。當(dāng)儲能部件恰處在儲能完成狀態(tài)，那么就會使斷路器形成誤動。電氣受到干擾或出現(xiàn)故障。在正常情況下斷路器分合閘回路為斷路狀態(tài)，在工作中，下達(dá)動作指令后，分合閘回路才會形成聯(lián)通。在分合閘動作完成時，機(jī)械結(jié)構(gòu)會將分合閘回路切斷。在異常情況下，斷路器元器件會受到干擾，導(dǎo)致分合閘回路處于聯(lián)通狀態(tài)，進(jìn)而使斷路器執(zhí)行分合閘動作。此外，變電站斷路器布局也會對其產(chǎn)生影響，如布局緊湊，在母線帶電時磁場范圍內(nèi)的導(dǎo)線可形成感應(yīng)電，在國家標(biāo)準(zhǔn)中，對于對斷路器最低動作電壓也有明確規(guī)定，即處于30%工作電壓以下時斷路器不可實現(xiàn)分合動作，主要是為避免感應(yīng)電對斷路器造成影響而形成誤動。

3 振動信號的特征提取

斷路器的操作起始于分合閘電磁鐵線圈上電，之后通過一系列的機(jī)械聯(lián)動實現(xiàn)儲能機(jī)構(gòu)中能量的釋放，并通過力的傳遞和方向控制，帶動動觸頭運(yùn)動。整個操作過程中，零部件之間的機(jī)械撞擊、摩擦，以及機(jī)械力、電動力等的作用均可以激發(fā)機(jī)械振動。機(jī)械振動通過設(shè)備零部件之間的連接向外傳播，可以在傳播路徑和開關(guān)的機(jī)座、外殼上測得，對其進(jìn)行信號處理后可得到反映斷路器機(jī)械狀態(tài)的信息。振動信號具有狀態(tài)信息豐富、信噪比高的優(yōu)點。振動信號特征提取的研究起始于20世紀(jì)80年代，早期提出了振動事件提取法、頻域法、時頻幅值法、“狀態(tài)圖”法、動態(tài)時間規(guī)整法、偏差測試法、指數(shù)衰減振蕩子波分解法等。21世紀(jì)以后，又引入了短時能量法、細(xì)化頻譜分析、小波分析、希爾伯特黃變換、積分參數(shù)法、分形方法、相空間重構(gòu)法等。近幾年來，研究人員一方面針對斷路器振動的特點，對已有的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、小波及小波包變換等方法加以優(yōu)化，一方面也利用新的信號處理方法，如局部均值分解，經(jīng)驗小波變換等對振動信號進(jìn)行分析。下面介紹幾種主要的振動信號特征提取方法。

4 噪聲去除

在斷路器的振動信號中，除了有高頻之外，還有低頻，與機(jī)械狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信息大部分都集中在高頻上，如觸頭撞擊形成的沖擊信號，除此之外的信息則集中在低頻上。在現(xiàn)場對斷路器進(jìn)行振動信號采集時，若是其它斷路器進(jìn)行分合閘操作，則會對振動信號測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。不僅如此，采集的振動信號本身也存在噪聲，所以需要進(jìn)行去噪處理，將無用的信息除去，保留具有利用價值的信息，從而提高機(jī)械故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。在對斷路器振動信號的噪聲進(jìn)行去除時，可以采用小波變換的方法，這種方法分為兩種情況，一種是借助軟閾值來去除振動信號中的噪聲，另一種則是通過硬閾值來完成去噪。

結(jié)語

從以上分析，斷路器拒動、誤動和其他故障會造成斷路器機(jī)械故障。本文深入剖析了導(dǎo)致斷路器機(jī)械故障的成因，并可為斷路器故障檢測提供借鑒。

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