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高壓開關故障檢測的原理及方法

 電力系統對供電的可靠性和經濟性提出了越來越高的要求，高壓輸變電設備的安全運行已成為影響電力系統安全、穩定、經濟運行的重要因素。高壓開關在電網中起著控制和保護的作用，當發生故障或事故時會引起電網事故或擴大事故。大電網會議(CIGRE)對高壓開關及其操作機構的可靠性進行過兩次世界范圍的調查，結果表明，大多數開關故障(主要故障的70%和次要故障的86%)屬于機械性質，主要涉及操作機構、監視裝置和輔助裝置。目前國內高壓開關的問題也主要體現在機械故障上，如：絕緣拉桿脫落、斷裂、擊穿，水平拉桿斷銷等。因此，高壓開關機械故障的檢測具有十分重要的意義。
1.高壓開關機械故障檢測基本方法及原理
1.1分、合閘線圈電流的檢測
 高壓開關機一般都是以電磁鐵作為操作的一級控制元件，并且大多數開關皆以直流作為控制電源。在每次分、合過程中，直流電磁線圈的電流隨時間變化，此變化波形中蘊藏著極為重要的信息。線圈電流波形可以反映的狀態有鐵心行程、鐵心卡滯、線圈狀態(如是否有短路匝)、與鐵心頂桿連接的鐵閂和閥門的狀態、合、分線圈的輔助接點狀況與轉換時間。通過對分合操作線圈動作電流的檢測，運行人員可以大致了解開關二次控制回路的工作情況及鐵心的運動有無卡滯等，為檢修提供一個輔助判據。分合閘線圈的電流是開關狀態檢測的一個重要內容。通過霍爾傳感器可以很方便的采集分合閘線圈的電流。通過實測的波形與典型波形進行比較即可判斷開關的鐵心有無卡滯等問題。
1.2高壓開關機動觸頭行程的檢測
 高壓開關機的行程–時間特性是表征高壓開關機械特性的重要參數，也是計算高壓開關分、合閘速度的依據。高壓開關分合閘速度，尤其是開關合閘前、分閘后的動觸頭速度，對開關的開斷性能有至關重要的影響。因此，高壓開關機的行程–時間特性檢測，是高壓開關檢測的重要內容。由于開關動觸頭作直線運動，可以安裝一個與動觸頭一起運動的附加件，當動觸頭做分、合操作時，該附加件隨連桿做直線運動，通過光電傳感器，將連續變化的位移量變成一系列電脈沖信號。記錄該脈沖的個數，就可以實現動觸頭全行程參數的測量；同時，記錄每一個電脈沖產生的時刻值，將位移同時間相除，就可計算出動觸頭運動過程中的大速度和平均速度。目前測量高壓開關的行程–時間特性，多采用光電式位移傳感器與相應的測量電路配合進行，常用的有增量式旋轉光電編碼器或直線光電編碼器。目前市場上根據這種方法研制的產品眾多，可將測試結果直接打印，部分測試儀具備RS232/485接口，可將測試結果上傳。
1.3振動信號的檢測
 高壓開關機是一種瞬動式機械，在其分合過程中，有一系列運動構件的起動、制動、撞擊的出現，這些運動形態的改變都在其構架上引起多個沖擊振動，每個振動對應著開關分、合過程中特定的動作事件。這些沖擊振動的波形呈上升和衰減過程，其峰值點在時間上具有很好的辨認性。但是，從振動發生到振動傳感器測量到的峰值時間之間，總會由于振動波的傳播帶來一定的誤差，因此峰值時間較振動發生時間有一定的時間延遲。不過，檢測系統只是根據振動信號來求取各個振動事件之間的時間差，并不一定需要知道其發生的準確時刻。所以只要每個事件均進行了相似的簡化，時間差的計算誤差不受影響，可以利用振動信號的峰值時間作為各個振動事件的發生時刻，并將它們相減后得到動觸頭運動過程中各個振動事件之間的時間差。此外，對于某一臺特定的開關而言，在健康狀態下它的分、合操作的振動信號具有較強的相似性。對于實時測量得到的振動信號，可在離線實驗數據(振動信號波形和機械特性曲線)的基礎上，并結合考慮該次動作的機械特性曲線來粗略確定各個振動事件發生的先后次序和時間區段，然后將各個區段的峰值時間作為該振動事件的發生時刻。各時間相差后得到各事件之間的相對時間，以接到分、合電脈沖時間為基準計算各事件的發生時間，就能找到動靜觸頭間的合、分時刻。將動觸頭的行程信號同該合、分時刻結合，并根據相應的定義，就可以計算出剛分(合)速度、行程、超行程；將三相的分合時刻相差就可獲得該次動作的不同期參數。 傳動機構系統的檢測和診斷對保證高壓開關安全運行有重要的意義。而基于振動信號的開關機械狀態診斷方法作為一種間接的、不拆卸的診斷方法、目前已經成為國內外的研究熱點。
 對于高壓開關機，在分合閘操作過程中，內部主要機構不見得運動、撞擊和摩擦都會引起表面的振動，振動是內部多種現象激勵的響應，這些激勵包括機械操作、電動力或靜電力作用、局部放電以及SF6氣體中的微粒運動等。振動信號中包含豐富的機械狀態信息，甚至機械系統結構上某些細微變化也可以從振動信號上發現出來。因此，以外部振動信號為特征信號，可以對高壓開關的這些狀態進行檢測。具體做法是在開關適當部位，如具有較大的振動強度，較高信噪比的部分，安裝振動傳感器，當開關進行分合閘操作時。采集振動信號經處理后作為診斷的根據。
 檢測振動信號的突出優點是振動信號的采集不涉及電氣測量，振動信號受電磁干擾小，傳感器安裝于外部，對開關無任何影響。同時，振動傳感器尺寸小，工作可靠，價格低廉，靈敏度高，抗干擾好，特別適用于動作頻繁的高壓開關的在線檢測及不拆卸檢修。振動檢測的難點在于信號的一致性較差及如何提取特征量。目前主要的分析方法有以下幾種：

①振動信號出現的時間及幅值；

②時域、頻域復合分析；

③“狀態圖”，均值、方差、過零次數，翻轉次數等；

④動態時間規整法；

⑤偏差測試法；

⑥指數衰減振蕩子波分解法；

⑦人工神經網絡法。

目前開關振動的測量研究是熱點，但還沒有較成熟的產品問世。
2.高壓開關機械故障檢測存在的主要問題
 目前高壓開關機械故障的檢測方法基本上成熟，機械特性測試儀產品眾多，大部分具有分、合閘線圈電流及行程測試的功能。其有效性已被開關生產廠商和供電部門所認可。存在的主要問題在于缺乏有效的數據管理及分析診斷平臺。大部分的測試儀都可將測試結果打印出來，但無法存儲；對于故障的判斷，大多采用閾值的方法，對某個斷路器的多次測試結果無法通過數學統計分析等手段進行有效的“縱比”，更無法對各地同一型號斷路器的測試結果進行“橫比”，不利于故障的診斷。因而，設計和開發高壓開關機械故障分析和診斷平臺十分必要的。