断路器机械特性分析与故障诊断系统的设计和应用_石金波.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电器153断路器机械特性分析与故障诊断系统的设计和应用石金波，唐天笑，陆 骢，王 悦，季铭言，万佳彬国网江苏省电力有限公司南通市海门区供电分公司，江苏 南通 226100摘要：断路器作为输配电系统必不可少的设备，其可靠性直接关系到整个供电系统的安全生产和稳定运行。文章介绍了断路器机械特性分析与故障诊断系统的设计，该系统由数据采集终端和数据管理分析系统组成，数据采集终端通过监听分合闸电流，完成断路器电信号和机械振动的完整捕获；数据管理分析系统通过 RS-485 或者 Wi-Fi 从数据采集终端收集监测记录，并基于必要的数据变换，实现断路器故障诊断大数据分析所需要的数据整理和特征数据提取。系统可以同步获取断路器分合闸操作时的电流信号和振动信号，并通过分析断路器分合闸过程中通电、缓冲、吸合、断电四阶段的持续时间和振动信号幅频特性数据，进行断路器机械特性分析与故障诊断。关键词：断路器；电流变送器；振动变送器；机械特性分析；故障诊断分类号：TM5610引言断路器是一种重要的输配电电气设备，可以确保整个供电系统的无故障正常运行，也能够在出现故障时迅速断开故障电路，保证电网中非故障电路的运行。据数据统计，由断路器故障造成的停电事故占总停电事故的比例超过 60%1，每次断路器事故的平均损失电量高达数百万千瓦时，所导致的损失是设备本身价格的数千倍甚至数万倍，严重影响了社会效益和人民生活2。为尽量减少断路器故障的发生，电力部门需要经常对断路器进行检测与检修。传统的检修方式是计划检修，需要定期通过停电解体的方式来检查断路器的机械运行情况和绝缘特性。随着电力系统规模的不断扩大，断路器的数量越来越多，每一次检修需要耗费大量的人力物力。据统计，每年断路器的小修和例行检修要用掉检修费用的 60%3，而且例行检修具有一定的盲目性，断路器的解体和重新装配不仅造成了停电损失，还导致了设备寿命的降低。随着传感技术、信号处理技术、计算机技术、微电子技术的发展，断路器运行过程中产生的各类信号都能被准确采集，为在线评估断路器状态提供了技术支持4。基于此，文章设计了一种断路器机械特性分析与故障诊断系统，该系统通过对断路器分合闸操作过程中电流信号和振动信号的在线采集与集中分析处理，实现对断路器运行状态的实时监听、状态评价和故障诊断，极大地方便了断路运维管理，节省了人力物力5。1断路器机械特性分析与故障诊断系统的设计断路器机械特性分析与故障诊断系统的组成分为数据采集装置和数据管理分析系统两部分。其中，数据采集装置可以通过高性能电流变送器和振动变送器捕获断路器分合闸过程中产生的驱动电压、分合闸线圈电流、储能电机启动电流及振动信号等；数据管理分析系统通过 Wi-Fi 或 RS-485 与电流变送器连接，可以从信号变送器获取分合闸监测记录并保存到监测数据库中，通过必要的数据整理、关键参量及特征信息提取、模式比对、趋势分析，可以实现断路状态评价与故障诊断。机械特性分析与故障诊断系统的结构框图如图 1 所示。图 1机械特性分析与故障诊断系统的结构框图1.1 数据采集装置的设计数据采集装置主要由信号传感器、采集模块、Flash作者简介：石金波，男，本科，工程师，研究方向为变电运维。文章编号：2096-9317（2023）01-0153-03 照明电器 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明154存 储 器、通 信 模 块 组 成。其 中，采 集 模 块 使 用STC8A8K64D4 单片机，通过高速模数转换实现信号捕获，该单片机结构简单，有 12 位 AD，采样率高达 1 M。数据采集装置可以完成断路器分合闸驱动电压、线圈电流、储能电机启动电流和振动信号的同步采集6。其中，驱动电压信号通过降压电路输出给采集单元；线圈电流信号通过 4 20 mA 直流电流传感器输送给采集单元；储能电机启动电流信号通过 4 20 mA 交流电流传感器输送给采集单元；振动信号通过 ADXL326芯片级三轴加速度传感器输送给采集单元。在数据采集装置中，电流变送器和振动变送器的信号捕捉位置和方式不同，需要设计为两个完全独立的装置，二者之间通过 5 芯信号线连接，包括 12 V 和24 V 直流电源线各 1 对、RS-485 通信线变送器和同步信号线 1 根。当电流变送器监听到分合闸电流后，需要在启动电流信号采集的同时，立即发送同步触发信号给振动变送器。振动变送器捕捉到触发信号后，需要立即启动分合闸振动信号采集。电流信号和振动信号采集启动时间间隔不超过 3 ms。电流变送器和振动变送器获取的电流信号和振动信号分别存储在各自的Flash 存储器中。电流变送器和振动变送器各自使用不同的 Modbus ID 为数据管理分析系统提供远程连接和数据下载服务。电流变送器接收到命令后，根据 Modbus ID 的不同分别响应，响应与电流变送器 ID 匹配的命令，转发不匹配的命令。其中，电流变送器提供了 RS-485 有线和 Wi-Fi 无线两种与上位机连接的方式，数据管理分析系统可以通过 Wi-Fi 无线方式或 RS-485 有线方式与电流变送器建立连接，从电流变送器下载断路器分合闸时监听到的电流监测记录和振动监测记录。断路器机械特性分析与故障诊断系统数据采集装置的运行流程图如图 2 所示。图 2数据采集装置运行流程图1.2 数据管理分析系统的设计断路器数据管理分析系统通过 Wi-Fi 或 RS-485与电流变送器建立连接，从电流变送器获取断路器分合闸时监听到的监测记录数据。一方面，以文件形式将获取到的断路器分合闸操作原始波形记录保存到特定的文件夹下；另一方面，根据监测记录生成结构化的监测记录送到监测数据库中，用于同一断路器监测记录的纵向趋势分析和不同断路器监测记录的横向比对分析，以及大数据分析与特征量的提取，实现基于时间变化断路器故障诊断与预测。断路器数据管理分析系统流程图如图 3 所示。图 3数据管理分析系统流程图光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电器155断路器数据管理分析系统的功能包括监测数据整理、特征量提取和大数据分析。其中，监测数据整理包括电流监测记录波形五点三次平滑、振动监测记录FFT 傅里叶变换、分合闸功率曲线生成和电流监测记录和振动监测记录的自动匹配、手动整理；特征量提取特指根据分合闸电流波形变化特征获取与断路器结构特性及动作过程有关的通电、缓冲、吸合和断电四个阶段的持续时间；大数据分析包括基于电流检测记录的四阶段持续时间和振动信号特征频点的数据清洗、波动分析、横向和纵向特征数据比对等，可以为断路器机械特性分析与故障诊断提供数据运算和数据挖掘支持与服务。2现场测试结果分析2022 年 10 月 16 日，利用文章设计的断路器机械特性分析与故障诊断系统在 10 kV 断路器上进行多次分合闸现场测试，断路器型号为 YN28A-12。分闸振动波形和合闸振动波形如图 4 和图 5 所示。根据监测记录图示，可以明显看出分合闸电流持续时间和振动幅频特性的不同。分闸时间短，合闸时间长，合闸特征振动频率也高于分闸。现场测试结果与技术文献提供的数据有很大的出入，文献中压降大，吸合图 5合闸振动波形时间长，现场测试无压降，吸合时间短，显然测试断路器的性能要优于技术文献中的试验断路器。不同断路器结构不同，因此分合闸各阶段的持续时间和振动幅频特性明显不一致。3结束语文章设计了一种断路器机械特性分析与故障诊断系统，既沿用了传统的分合闸线圈电流的分析方法，也融合了分合闸时振动信号的同步分析方法，数据评价更加完整和全面。还提供了基于分合闸四阶段的特性分析和持续时间提取方法，使得断路器机械特性分析与故障诊断大数据分析手段更加丰富，结果更加准确。参考文献1 刘伟鹏,张国钢,刘亚魁,等.基于主成分分析和支持向量机的高压断路器机械状态识别方法J.高压电器,2020,56(9):267-272,278.2 张茗.高压断路器的在线监测系统的研究J.舰船电子工程,2018,38(8):160-165.3 於鹏,严良文,余越,等.五点三次平滑算法在PPG信号降噪中的应用J.计量与测试技术,2020,47(6):47-50,53.4 刘会兰,许文杰,赵书涛,等.面向高压断路器故障分类的电流-振动信号类聚几何敏感特征优选方法J.电工技术学报,2023,38(1):26-36.5 盖曜麟,葛丽娟,郭懿中,等.基于改进SVM算法的高压断路器故障诊断J.高压电器,2022,58(12):14-20.6 林婧,张佳灏,黎旭,等.ZN98型真空断路器弹簧操动机构机械动力学特性仿真研究J.高压电器,2022,58(11):176-183.图 4分闸振动波形分闸时间/ms加速度/（ms-2）加速度/（ms-2）分闸时间/ms