摘要：在电力系统的设备中，高压断路器故障会造成线路、设备受损，电量损失，用户大面积停电，影响正常的社会生产与生活。因此，高压断路器作为电力系统中重要的控制和保护设备进行维护与检修，确保其正常运行至关重要。合（分）闸线圈是断路器操作机构的重要组成部分，其电流波形中包含了断路器运行状态的关键信息，如线圈卡滞、辅助触点状态等。通过对高压断路器的合（分）闸线圈电流波形与特征值的分析，可判断断路器是否出现故障。因此，准确地提取电流信号特征值是判断断路器故障的关键。
关键词：高压断路器；合（分）闸线圈电流；在线监测；故障诊断；EMD算法
1 高压断路器概述
高压断路器指的是额定电压3kv以上的断路器，其具有良好的灭弧结构和断流能力，能够根据需要控制电路的通断以及根据电气设备的负载电流情况使电气设备投入或退出运行，此外，高压断路器还能够同继电保护装置一同工作，切断电网系统中的故障部分，防止电力事故进一步扩散。高压断路器可以根据灭弧介质和方法分为油断路器、sf6断路器、10kv真空断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器。其中油断路器在我国电力系统中的应用最为广泛，sf6断路器主要应用在超高压电力系统中，10kv真空断路器的额定电压为12kv，具有重量轻、体积小、安全的优点，主要应用在操作频繁的场所，压缩空气断路器具有灭弧能力强、速度快的优点。目前，为了减少高压断路器的故障，灭弧的方式多为无油或少油，未来随着科技的发展，10kv真空断路器将得到进一步完善，在高电压电力系统运营中发挥更大的作用。
2信号处理与故障诊断
2．1合（分）闸线圈电流
断路器的合（分）闸线圈电流是判断断路器正常运行的重要依据，通过分析线圈电流波形可得到触头合（分）闸动作启动时刻、合（分）闸时间等参数。线圈电流变化总共经历了4个阶段：t0～t1为铁芯触发阶段，线圈电流不断增大，t0代表了断路器合（分）闸动作的触发时刻；t1～t2为铁芯运动阶段，电流逐渐减小，可根据这段波形判断铁芯的运动状态是否正常；t2～t4为触头合（分）闸动作阶段，开始时刻在t2附近，线圈电流在t4时达到稳定值，此时断路器的动触头动作到位；t4～t5为电流切断阶段，辅助开关触头间的电弧被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小直至熄灭。因此，t0、t1、t2、t3、t4、t5代表了断路器在动作过程中线圈电流信号的关键时间点，将采集到的断路器合（分）闸线圈电流波形与标准波形比较，即可判断该断路器操动机构是否正常运行。
2．2EMD算法
EMD算法是一种时频分析方法，其本质是直接分析非平稳、非线性的信号本身，逐级分解信号在不同尺度下的波动情况，获得其内在的IMF分量（固有模态分量），分解得到的IMF分量包含了待分解信号在不同时间尺度下的局部特征，该方法克服了小波变换的局限性。其中，典型的IMF分量需满足以下2个特点：1）在整个时间范围内，极值点和过零点的数目最多相差1个；2）在任意时间点，所对应的极大值的包络和极小值的包络平均为零。
2．3t0的提取方法
高压断路器动作的触发时刻t0为断路器接到合（分）闸指令的时刻，当检测到有上升沿信号时，即认为断路器接到指令。系统选用±10V作为采样芯片AD7606的输入范围，其最低有效位为305．175μV，即精度为0．03%，而系统选用的霍尔电流传感器CSM010GT的精度为0．7%。因此，当线圈电流经转换后的电压变化大于7mV时，认为线圈有电流流过，并将此时定义为断路器动作触发时刻t0，系统开始保存采样数据。
2．4刚分、刚合点的提取方法
高压断路器的合（分）闸时间是断路器的一个重要参数，其定义为断路器合（分）闸动作触发时刻到动静触头刚刚接触（或分离）的时间，而刚分、刚合点的提取一直是断路器在线监测分析的难点。目前，刚分、刚合点的提取方法主要有振动信号分析法、触头加速度分析法等，上述方法精确度较高，但实现过程复杂。本文采用辅助开关的开断确定刚分、刚合点，在断路器动作过程中，主动轴带动主触头旋转到指定位置，辅助开关的状态发生变化，辅助开关状态变化时刻，即为刚分、刚合时刻。
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2．5故障诊断方法
同种型号的高压断路器的线圈电流波形具有很高的重复性，通过多次实验，同时结合断路器技术参数，可确定断路器正常工作时的合（分）闸时间与电流最大值的阈值范围。当线圈出现卡滞、匝间短路等故障时，合（分）闸时间与电流最大值会出现明显变化，因此，可采用判断合（分）闸时间与电流最大值是否超出正常范围的方法进行故障诊断。通过断路器合（分）闸线圈电流在线监测系统实时测量线圈电流，经去噪声处理后，通过比较的方法找到信号的最大值，若线圈合（分）闸时间或电流最大值不在正常范围内时，则判断断路器出现故障。
3高压断路器的在线监测方式与特征
在高压断路器进行运行的过程中，其中一个重要的表征是其行程时间特性，这一表征是关系到高压断路器的分合闸速度的重要因素，也是对其进行计算的重要参数依据。断路器的开断性能在高压电网中的作用是极为重要的，长期的实践证明高压断路器分、合闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度会从很大程度上影响到断路器的功能尤其是开端功能的发挥是否正常。在实际的操作中高压断路器动触头速度的测量必然离不开动触头的行程时间关系的测量，因此我们应该认识到高压断路器行程时间特性监测的重要性，并且要注重其监测的质量，以保证高压断路器监测的质量。在目前的技术与设备条件下，光电式位移传感器与相应的测量电路相配合的测量方法可以较好的提高高压断路器的行程时间特性的监测质量。另外一个影响到断路器电寿命的重要因素是断路器触头电磨损程度以及检修是否及时。因此，对于断路器电寿命的监测也应该是断路器在线监测的重要内容。但是，在进行实际操作的过程中确定断路器实际切断电流大小及电磨损具有一定的难度，需要较强的理论知识作为基础，也离不开较强的实践经验。在进行在线监测之前应该对断路器的故障以及结构等做到了如指掌，如果对断路器进行盲目解体将会带来很多不利影响，不但会造成巨大的人力、财力浪费，造成资源损失以及电力浪费，影响正常的生产以及生活。更为严重的是盲目的对断路器进行解体还会使原本完好的断路器因检修而出现故障，影响日后的正常使用质量和使用安全性。线圈的电流会在断路器进行开合的过程中发生一定的变化，这种变化应该引起我们的重视和关注，因为在电流变化的波形中蕴含了较为丰富的信息。如果我们以正确的方式对这些信息进行加工与处理，会获得断路器在线监测与故障排除更加有效的信息。断路器在其进行不断地合、分闸操作过程中会会线圈动作电流产生影响，我在此过程中我们可以通过正确的分析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。
4高压断路器的振动信号处理
断路器每次的合闸或者分闸操作，都会引起若干次振动事件，每个振动事件都对应着特定的幅值、频率及衰减指数。当断路器发生故障时，在断路器的故障信号中，必然会引起意外的振动事件，这使得整个振动信号在特定频段内振动，频率、幅值及衰减指数都可能发生变化，这些就可以作为判断的依据。如果断路器运行正常，变化应在有限的幅度和范围之内，并且应在平均值的上下随机波动。在操作中，如果在某些点上的变化大大超出平均值或者在某一方向上有规律地迁移，就可能检测出问题。在断路器的振动信号中，包含许多尖峰和突变部分，而且噪声也不是平稳的，因此应当对信号进行预处理，将信号的噪声部分去除，提取有用信号。由于小波分析能同时在频率域中对信号进行分析（且在频率域内分辨率高时，时间域内分辨则低；在频率域内分辨率低时，时间域内分辨率则高），所以能有效地区分信号中的突变部分和噪声，从而实现信号的消噪。对于振动信号的监测也是断路器监测的一个重要内容。监测振动信号的突出优点是振动信号的采集不涉及电气测量，受到电磁干扰的程度较低，因此信号采集的真实性较高，具有较高的可用性。另外，传感器安装于外部，也不会对断路器的功能以及结构等产生影响。同时，振动传感器具有适用于监测的一些优点和特点，比如尺寸小、工作可靠、价格低廉、灵敏度高、抗干扰好等。根据相似性原则，对于同一高压断路器，同种状态下的重复操作过程中，外部振动信号在一定范围内是稳定的，即采集的振动信号波形是相似的。
5结语
本文所提出的是一种高压断路器合（分）闸线圈电流在线监测系统的设计方案，该方案集采集、处理、显示、故障诊断、存储于一体，通过多次实验进行验证，该方案的优点就是实时性好、精度高等，因此具有广泛的市场应用前景。
参考文献：
[1]王昌长，李福琪，高胜友．电力设备的在线监测与故障诊断［M］．北京：清华大学出版社，2006．
[2]赵洋，刘汉宇，曾庆军．高压真空断路器机械特性在线监测系统研制［J］．高压电器，2009，45（6）：91－95．
论文作者:邢亮
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/10
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