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高壓斷路器（High-Voltage Circuit Breaker, HVCB）是電力系統(tǒng)中重要的保護(hù)和控制設(shè)備，其性能直接或間接影響著電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。近年來，基于狀態(tài)檢/監(jiān)測的高壓斷路器檢修技術(shù)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，即通過對高壓斷路器某些信號的檢測/監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)知，并采取相應(yīng)的措施預(yù)防故障的發(fā)生。

許多研究表明，機(jī)械異常是導(dǎo)致高壓斷路器故障的主要原因。另外，根據(jù)某省電力公司在2006～2015年對該省的電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備故障的調(diào)查，高壓斷路器的故障中有32.6%是由于機(jī)構(gòu)異常引起的；中國電力科學(xué)研究院調(diào)查結(jié)果表明，2015年國家電網(wǎng)公司由高壓斷路器（72.5～1100kV）故障引起的故障跳閘為22次，其中，14次為機(jī)械故障引起的，占比63.6%。因此，有效預(yù)防機(jī)械故障對于保證高壓斷路器的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

采用高壓斷路器分、合閘動(dòng)作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號對其機(jī)械狀態(tài)做出判斷已被證明是一種可行的方法。該方法類似中醫(yī)診脈（根據(jù)手指感受到的振動(dòng)響應(yīng)的顯現(xiàn)部位（深、淺）、速率（快、慢）、強(qiáng)度（有力、無力）、節(jié)律（整齊與否、有無歇止）和形態(tài)等方面的表現(xiàn)，以了解疾病內(nèi)在變化的診斷方法），其內(nèi)在機(jī)理是高壓斷路器在分、合閘動(dòng)作時(shí)機(jī)械零部件相互作用（摩擦、碰撞等）產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊波，而這些沖擊波蘊(yùn)含著豐富、重要的高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)信息。

到目前為止，已有許多研究者對采用振動(dòng)信號判斷高壓斷路器的機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一些成果。然而，目前的研究局限于實(shí)驗(yàn)室，很少應(yīng)用于實(shí)際工程，這是由于存在以下主要難點(diǎn)制約了該技術(shù)的工程應(yīng)用：

①傳感器類型及安裝位置影響有效信號的采集；②高壓斷路器型號眾多且現(xiàn)場情況復(fù)雜多變；③現(xiàn)場提取的振動(dòng)信號和實(shí)驗(yàn)室模擬的信號存在差異，影響算法的實(shí)際使用效果；④比對樣本嚴(yán)重不足；⑤通用性的高辨識(shí)度故障信息難于提取。

武漢大學(xué)等單位的研究人員，在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了高壓斷路器振動(dòng)信號分區(qū)分割、定量遞歸分析等方法，并進(jìn)行了工程實(shí)踐應(yīng)用初探，主要內(nèi)容如下：①提出將振動(dòng)信號按高壓斷路器動(dòng)作特性進(jìn)行分區(qū)分割的思想，以實(shí)現(xiàn)異常信號的準(zhǔn)確定位；②將子區(qū)信號映射至高維相空間，并進(jìn)行遞歸圖重構(gòu)及定量遞歸分析，以提取區(qū)分性和重復(fù)性較好的缺陷特征；③結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測案例，驗(yàn)證所提方法的有效性和優(yōu)勢。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 斷路器機(jī)械缺陷識(shí)別流程

圖3 高壓斷路器振動(dòng)信號現(xiàn)場測試照片

圖4 傳感器安裝位置

研究人員主要通過對斷路器振動(dòng)信號進(jìn)行處理與分析以實(shí)現(xiàn)機(jī)械缺陷辨識(shí)。實(shí)際上，目前監(jiān)測斷路器機(jī)械狀態(tài)的信號還包括線圈電流信號、觸頭行程信號等，這些信號同樣蘊(yùn)含著斷路器機(jī)械狀態(tài)信息。線圈電流信號包含著二次回路狀態(tài)（包括輔助開關(guān)等）、線圈本身狀態(tài)、操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械鎖扣裝置狀態(tài)等信息，與線圈動(dòng)作相關(guān)聯(lián)的斷路器元器件若發(fā)生異常，線圈電流會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。

例如，圖5所示的是某變電站一臺(tái)在運(yùn)的高壓斷路器正常操作和操作電壓異常（電壓降至90%，即斷路器動(dòng)作電壓為DC 198V）時(shí)的分、合閘線圈電流信號?？梢钥吹剑?dāng)斷路器操作電壓異常時(shí)，其線圈電流波形發(fā)生了明顯的變化。因此，可以通過提取線圈電流波形的特征參數(shù)對斷路器相應(yīng)元器件的狀態(tài)進(jìn)行診斷。

圖5 某一在運(yùn)高壓斷路器線圈電流信號

然而，當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖扣裝置被線圈觸發(fā)解列后，線圈就不再參與后續(xù)的機(jī)構(gòu)本體運(yùn)動(dòng)過程，即操動(dòng)機(jī)構(gòu)本體的機(jī)械狀態(tài)，無法反映到線圈電流信號中。而機(jī)械振動(dòng)信號卻蘊(yùn)含著豐富的操動(dòng)機(jī)構(gòu)本體狀態(tài)信息。因此，后續(xù)工作可將振動(dòng)信號與線圈電流信號相結(jié)合，以更全面地評估斷路器的狀態(tài)。

另外，近年來永磁機(jī)構(gòu)發(fā)展較快，對永磁機(jī)構(gòu)的故障辨識(shí)也受到人們越來越多的關(guān)注。永磁機(jī)構(gòu)與彈簧機(jī)構(gòu)雖然功能一樣但結(jié)構(gòu)大不相同，彈簧機(jī)構(gòu)的分、合閘過程可分為四個(gè)階段：脫扣階段、機(jī)構(gòu)解列階段、傳動(dòng)階段和制動(dòng)階段。而永磁機(jī)構(gòu)由于省去了合閘彈簧、脫扣裝置（當(dāng)鐵心力大于反力時(shí)脫扣）、保持裝置（靠永磁體磁力保持）等，其結(jié)構(gòu)更簡單，對應(yīng)的振動(dòng)信號相較于彈簧機(jī)構(gòu)的簡潔。

如圖6所示為一ZW45 12型永磁機(jī)構(gòu)的合閘振動(dòng)波形，根據(jù)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特性（見圖6的觸頭行程曲線），可將該類型永磁機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號分割為：A驅(qū)動(dòng)階段、B壓縮觸頭彈簧階段、C觸頭碰撞及制動(dòng)階段。在對永磁機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號分區(qū)分割后，亦可采用所提方法進(jìn)行RQA特征提取，以實(shí)現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械故障辨識(shí)。

圖6 永磁機(jī)構(gòu)合閘振動(dòng)波形（上）及其觸頭行程曲線（下）

研究人員最后在論文中總結(jié)指出：

1）提出根據(jù)高壓斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分、合閘動(dòng)作特性對振動(dòng)信號進(jìn)行分區(qū)分割的思想。根據(jù)該思想，可總體上將振動(dòng)信號分割成4個(gè)功能區(qū)域（即斷路器脫扣階段、機(jī)構(gòu)解列階段、傳動(dòng)階段和制動(dòng)階段對應(yīng)的振動(dòng)信號），但詳細(xì)應(yīng)根據(jù)具體類型的斷路器振動(dòng)信號特點(diǎn)進(jìn)行劃分。這種振動(dòng)信號分區(qū)分割的思想有助于確定斷路器機(jī)械缺陷的部位。

2）遞歸圖能夠較清晰地描述振動(dòng)信號中的沖擊波特點(diǎn)，其紋理結(jié)構(gòu)特征蘊(yùn)含著斷路器豐富的動(dòng)力學(xué)特性；而定量遞歸分析能夠?qū)崿F(xiàn)遞歸圖的模式識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷路器機(jī)械缺陷的辨識(shí)。

3）通過實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)（采用12kV真空斷路器）探索并驗(yàn)證了所提方法的有效性。隨著RQA特征維數(shù)的增多，斷路器不同缺陷之間的區(qū)分性越來越顯著，在此基礎(chǔ)上，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別斷路器機(jī)械缺陷的準(zhǔn)確率可達(dá)92.9%。

4）通過對變電站在運(yùn)高壓斷路器開展現(xiàn)場實(shí)測工作，驗(yàn)證了所提方法的實(shí)用性和優(yōu)勢。所提方法能夠有效定位高壓斷路器的異常部位，診斷結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

以上研究成果發(fā)表在2020年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于定量遞歸分析的高壓斷路器機(jī)械缺陷辨識(shí)及應(yīng)用”，作者為楊秋玉、阮江軍、張燦、莊志堅(jiān)、翟鵬飛。