【正文】 運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。其動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力可達(dá)數(shù)萬(wàn)N以上，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)觸頭系統(tǒng)能從靜止?fàn)顟B(tài)加速到每秒幾米，加速度達(dá)到100倍重力加速度；而在制動(dòng)、緩沖過(guò)程中，撞擊更為強(qiáng)烈。這樣強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)提供了更為敏感的診斷信息，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。 機(jī)械振動(dòng)總是由沖擊受力、運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變引起的。在斷路器結(jié)構(gòu)上，動(dòng)作一般由操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，推動(dòng)動(dòng)觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。在每一次的操作過(guò)程中，都會(huì)伴有一系列運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的啟動(dòng)、制動(dòng)、撞擊出現(xiàn)，這些運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變都在其結(jié)構(gòu)構(gòu)架上引起一個(gè)個(gè)沖擊振動(dòng)。振動(dòng)波經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)部件傳遞、衰減，只要傳感器安裝在斷路器合適的部位就能測(cè)量到的是一系列衰減的沖擊加速度波形。在這些振動(dòng)波形中，通過(guò)分析每個(gè)振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間的變化、峰值的變化，并結(jié)合分、合閘線圈電流波形來(lái)判斷斷路器的機(jī)械狀態(tài)。因?yàn)楣收系某霈F(xiàn)往往還會(huì)引起時(shí)域波形中一些波峰幅值的變化，從而為狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供了可能。 斷路器的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是典型的帶有噪聲的非平穩(wěn)信號(hào)，其信號(hào)波形呈上升和衰減過(guò)程，其峰值點(diǎn)在時(shí)間上具有很好的分辨性；信號(hào)的有效時(shí)間很短，只有幾十毫秒，振動(dòng)過(guò)程中還會(huì)伴有振動(dòng)波的折射和反射。從而可知，機(jī)械振動(dòng)波在斷路器結(jié)構(gòu)中的傳播過(guò)程、波的類型、傳播途徑、衰減、折反射情況等是十分復(fù)雜的，因此在不同的測(cè)量位置以及同一過(guò)程所測(cè)量的響應(yīng)波形差別很大。例如，操動(dòng)機(jī)構(gòu)貼心運(yùn)動(dòng)的信息在滅弧筒上反應(yīng)十分微弱，而斷路器筒內(nèi)動(dòng)觸頭傳動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則只有在滅弧筒上有明顯的反應(yīng)，而在支架上測(cè)不到相應(yīng)得振動(dòng)信號(hào)。因此，加速度傳感器監(jiān)測(cè)位置的選擇是很重要的，應(yīng)該滿足事件反映清晰，受其他干擾小，便于安裝、信號(hào)傳輸可靠、穩(wěn)定性好。根據(jù)前人的大量的試驗(yàn)成果表明，在下面的位置安裝傳感器能滿足要求：（1）滅弧室（垂直方向）；（2） 操動(dòng)機(jī)構(gòu)（垂直方向）；二者之間位置（如彈簧機(jī)構(gòu)的緩沖器附近）。本文采用壓電式加速度傳感器安裝在操動(dòng)機(jī)構(gòu)垂直方向上。 高壓斷路器在正常情況下，可以開(kāi)斷、關(guān)合及承載運(yùn)行線路的正常電流，在這種情況下，斷路器是起控制作用的設(shè)備；此外，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，要求繼電保護(hù)系統(tǒng)盡快動(dòng)作，斷路器應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成切斷故障的任務(wù)。斷路器在開(kāi)斷有電流的電路時(shí)，觸頭分離后，觸頭間會(huì)出現(xiàn)電弧，只有使電弧熄滅，電路的開(kāi)斷任務(wù)才能完成。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流比正常負(fù)荷電流大的多，這時(shí)的電路最難開(kāi)斷。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)開(kāi)斷電流信號(hào)的采集主要用于高壓斷路器電壽命的計(jì)算。研究表明，斷路器觸頭的磨損與斷路器的開(kāi)斷電流有著直接的關(guān)系。目前，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以獲取準(zhǔn)確電量值的算法很多，例如兩點(diǎn)乘積法、卡爾曼濾波算法、付氏算法等，采用哪種算法主要從計(jì)算速度和精度兩方面考慮。 當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生斷路故障時(shí)，短路電流可能達(dá)到很大的數(shù)值，上萬(wàn)安甚至十幾萬(wàn)安的強(qiáng)電流，而且短路情況下大多含有直流分量，另外短路電流大到一定的程度時(shí)，互感器(CT)還會(huì)出現(xiàn)不同程度的磁飽和。如圖33所示。 在嚴(yán)重短路的瞬間，短路電流中會(huì)出現(xiàn)一定幅值的非周期分量，使CT鐵心很快達(dá)到飽和，激磁阻抗大大降低，激磁電流增大，使二次波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。 CT嚴(yán)重飽和下二次電流特點(diǎn)： （1）由于磁通不能突變，因此發(fā)生故障后，磁通總是隨著時(shí)間延遲而增大。從故障開(kāi)始到CT飽和會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間，大約在初期的1l4周期內(nèi)，電流是正常的。 （2）隨著激磁電流中直流分量的衰減，二次電流逐漸增大。 （3）當(dāng)激磁電流飽和時(shí)，二次電流即出現(xiàn)缺損狀況。 （4）盡管二次電流在一個(gè)周期的大部分時(shí)間畸變嚴(yán)重，但在一次電流過(guò)零附近，CT可以正常傳變一次電流，即一次電流過(guò)零點(diǎn)后，CT出現(xiàn)一個(gè)線性傳變區(qū)。圖33 互感器深度飽和時(shí)的開(kāi)斷電流波形在電壽命的預(yù)測(cè)中應(yīng)考慮開(kāi)斷電流和燃弧時(shí)間。但是大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，從斷路器累計(jì)電磨損的角度考慮，雖然燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)單次開(kāi)斷是隨機(jī)的，但是對(duì)多次開(kāi)斷，其平均燃弧時(shí)間則是趨近的即隨機(jī)因素對(duì)燃弧時(shí)間分散性以及是否為首開(kāi)相的影響從累計(jì)的角度來(lái)考慮可以忽略不計(jì)，也就是說(shuō)，斷路器的電磨損可以用開(kāi)斷電流作參照量。設(shè)額定短路開(kāi)斷電流下單次開(kāi)斷的絕對(duì)電磨損為，對(duì)應(yīng)的允許開(kāi)斷次數(shù)為（一般為20次）。從統(tǒng)計(jì)平均和累計(jì)效應(yīng)，可認(rèn)為該斷路器的允許磨損總量為。 定義一臺(tái)全新的斷路器的觸頭允許磨損總量為100%，即其相對(duì)電壽命為100%，則每次額定短路開(kāi)斷電流開(kāi)斷時(shí)的相對(duì)磨損為1 / （定義為）。然后根據(jù)不同斷路器的N曲線，求得任意大小開(kāi)斷電流對(duì)應(yīng)允許開(kāi)斷次數(shù)N，則對(duì)應(yīng)的單次開(kāi)斷的絕對(duì)電磨損為M，相對(duì)電磨損為1 /N（定義為Q）。則可求出任一次開(kāi)斷電流時(shí)的相對(duì)電磨損量： (37)根據(jù)觸頭的絕對(duì)電磨損總量一定，則有： (38)所以有： (39) (310)即可求出該斷路器的相對(duì)電壽命： (311)式中，L為斷路器的相對(duì)電壽命；為斷路器觸頭電壽命的初始值，是一個(gè)小于或等于1的百分?jǐn)?shù)，其值由斷路器的運(yùn)行決定，剛投運(yùn)的或經(jīng)過(guò)大修后的斷路器值為1。 在運(yùn)行中高壓斷路器要承受長(zhǎng)期工作電壓和短時(shí)過(guò)電壓的作用，其絕緣能力必須滿足各種運(yùn)行的要求。高壓斷路器的絕緣主要有三個(gè)部分：一是導(dǎo)電部件對(duì)地之間的絕緣，由支持絕緣子或瓷套、絕緣拉桿和提升桿以及氣體組成；二是同相斷口間的絕緣；三是相間絕緣。 斷路器在斷口動(dòng)、靜觸頭之間的絕緣介質(zhì)有瓷套和氣體，其對(duì)地絕緣包括氣體、絕緣瓷套、絕緣拉桿。斷路器是一種全封閉的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部絕緣不容易受潮。影響其絕緣性能的主要因素有：外絕緣污閃，斷路器斷口間的工頻電壓可以達(dá)到兩倍的相電壓，在外絕緣臟污并出現(xiàn)霧雨天時(shí)容易發(fā)生污閃；絕緣膠開(kāi)裂，由于熱脹冷縮而導(dǎo)致套管填充膠開(kāi)裂、密封結(jié)構(gòu)老化，使絕緣強(qiáng)度大大降低。斷路器中的斷口連接是靠電接觸，接觸電阻的存在增加了導(dǎo)體通電時(shí)的損耗，使接觸處的溫度升高，直接影響絕緣介質(zhì)的品質(zhì)。 斷路器在運(yùn)行時(shí)，承受運(yùn)行比壓的絕緣是絕緣拉桿和氣體。由于斷路器是一種全封閉的機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部絕緣不容易受潮。但其絕緣拉桿位于支柱瓷套中，用它來(lái)連接操作桿和動(dòng)觸頭裝配連桿，并承擔(dān)內(nèi)部帶電部件對(duì)地絕緣。當(dāng)絕緣拉桿絕緣層完好，且絕緣拉桿通過(guò)圓柱銷和動(dòng)觸頭裝配連桿緊密接觸，斷路器帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷電流從上接線端子到靜觸頭、動(dòng)觸頭和下法蘭上的中間觸指，最后經(jīng)過(guò)下接線端子形成回路，絕緣拉桿與動(dòng)觸頭裝配連桿的連接處并不通過(guò)負(fù)荷電流，動(dòng)觸頭及其連桿帶有電力系統(tǒng)對(duì)地電位，二者為同一電位，在連接處不會(huì)形成懸浮電位并產(chǎn)生金屬表面放電，絕緣拉桿也不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)5μA。 當(dāng)絕緣拉桿通過(guò)圓柱銷和動(dòng)觸頭裝配連桿之間接觸不良時(shí)，因絕緣拉桿上端的金屬桿和圓柱銷處于帶電的動(dòng)觸頭及連桿的交變電磁場(chǎng)中， 它們就帶有懸浮電位，動(dòng)觸頭裝配連桿下端會(huì)通過(guò)間隙對(duì)絕緣拉桿上端的金屬銷孔、圓柱銷、墊片和彈性擋圈等處放電， 放電釋放的能量緩慢地使銷孔變形、尺寸變大，使圓柱銷直徑變小、形狀變異。隨著這些零件因放電腐蝕而改變形狀和尺寸，柱銷和銷孔之間的間隙也不斷增大，接頭處的接觸狀況更加惡化，這又加劇了金屬表面放電的程度。長(zhǎng)期如此，會(huì)使絕緣拉桿接頭出現(xiàn)斷裂。 而當(dāng)絕緣拉桿的絕緣層破裂時(shí)，使得絕緣水平下降，甚至發(fā)生擊穿或爆炸事故。 綜上所述，檢驗(yàn)直流泄露電流能夠反映斷路器絕緣拉桿的絕緣情況，有效地檢出絕緣拉桿分層開(kāi)裂的缺陷；同時(shí)，對(duì)絕緣拉桿直流泄露電流的監(jiān)測(cè)，可以預(yù)防出現(xiàn)絕緣拉桿接頭斷裂事故出現(xiàn)，有效地提高了斷路器運(yùn)行的可靠性。 通常將其直流泄露電流的判斷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為不大于5～8μA。當(dāng)大于5μA時(shí)應(yīng)引起注意，安排適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行檢修；而當(dāng)泄露電流大于8μA必時(shí)，應(yīng)立即停止運(yùn)行進(jìn)行檢修，預(yù)防事故發(fā)生，保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 高壓開(kāi)關(guān)是長(zhǎng)期載流的電氣設(shè)備，由于導(dǎo)體存在一定的電阻，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱損耗，而交變電磁場(chǎng)作用于導(dǎo)體周圍的鐵磁物體和絕緣介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生鐵磁損耗和介質(zhì)損耗，這些都是熱源。熱源產(chǎn)生的熱量使開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫度升高，同時(shí)以不同的散熱方式向周圍介質(zhì)散熱。當(dāng)發(fā)熱量等于散熱量時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)體上的熱量不再升高，而保持相對(duì)恒定的溫度，這個(gè)溫度減去周圍環(huán)境溫度就是開(kāi)關(guān)穩(wěn)定的溫升。 為了保證斷路器的可靠工作，無(wú)論是導(dǎo)體本身還是接觸處的溫升都不允許超過(guò)規(guī)定值。斷路器要求在運(yùn)行過(guò)程中能在工頻最大工作電壓下長(zhǎng)期工作不擊穿，在最大負(fù)載電流下長(zhǎng)期工作時(shí)各部分的溫升不超過(guò)規(guī)定值，并能承受短路電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)而不損壞。表34為斷路器觸頭及可觸及部位溫度和溫升極限。 由于斷路器的觸頭被封閉在密封的容器內(nèi)，滅弧室不允許被打開(kāi)，因此將測(cè)溫裝置安裝在滅弧室內(nèi)直接測(cè)量其溫度從而計(jì)算溫升是不能實(shí)現(xiàn)的。由于紅外線的穿透能力較弱，紅外輻射基本不能穿透絕緣材料和斷路器的滅弧室外殼，所以也無(wú)法直接用紅外熱成像裝置監(jiān)測(cè)斷路器導(dǎo)電部分熱缺陷。但是由于與斷路器觸頭部分的發(fā)熱時(shí)間長(zhǎng)而且比較穩(wěn)定。故障點(diǎn)的熱量可以通過(guò)熱對(duì)流與故障點(diǎn)周圍的導(dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，引起這些部位的熱量升高，特別是與之有電器連接的導(dǎo)體也是熱的良導(dǎo)體，而會(huì)有顯著的溫升和形成周圍表面溫度場(chǎng)的變化。因此，判斷斷路器高壓帶電部分的熱故障可以通過(guò)被測(cè)斷路器外部的熱場(chǎng)分布及其金屬件的溫度來(lái)綜合、總體判斷。表35 SF6斷路器觸頭及可觸及部位溫度和溫升極限序號(hào)部件名稱部件材料最大值溫度()周圍空氣不超過(guò)40時(shí)的溫升（K）1觸頭裸銅或裸銅合金10565鍍銀或鍍鎳10565鍍錫90502可觸及部位在正常操作中可觸及的7030在正常操作中不需觸及的8040動(dòng)觸頭的“行程一時(shí)間”曲線能夠反映超行程、剛分后和剛合前l(fā)0ms的動(dòng)觸頭速度平均值等斷路器的重要參數(shù)指標(biāo)。行程一時(shí)間曲線還可以提取觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻，根據(jù)事件時(shí)間來(lái)診斷故障，這種方法可以診斷斷路器機(jī)械部分磨損、疲勞老化、變形、生銹、閥的動(dòng)作緩慢等故障。主觸頭行程、超程及速度計(jì)算中位移量的動(dòng)態(tài)測(cè)量，一般有光柵法、轉(zhuǎn)角法、滑阻式位移傳感器以及光電位移傳感器等，各種方法有各自的特點(diǎn)，比如光柵法測(cè)量位移操作復(fù)雜、響應(yīng)速度及穩(wěn)定性不夠理想，轉(zhuǎn)角法測(cè)量機(jī)械性能不夠理想，相比較而言滑阻式位移傳感器和光電位移傳感器比較適合現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量要求，其中光電位移傳感器由十體積小、抗干擾能力強(qiáng)而更具競(jìng)爭(zhēng)力，本文采用了光電位移傳感器。通過(guò)光電位移傳感器將連續(xù)變化的位移量變成一系列電脈沖信號(hào)，記錄該脈沖的個(gè)數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)觸頭全行程參數(shù)的測(cè)量；同時(shí)，記錄每個(gè)電脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻值，就可以計(jì)算出動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大速度和平均速度。 氣體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)的任務(wù)是實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)氣體的濕度值和以壓力表示的密度值，并將測(cè)量值由當(dāng)前溫度換算到電力規(guī)程中規(guī)定的20下的數(shù)值，以便與限定的閾值進(jìn)行比較，從而做出氣體參數(shù)正常、告警的指示，嚴(yán)重時(shí)輸出動(dòng)作閉鎖信號(hào)。氣體的壓力，可以反映斷路器的氣密性，間接反映它的絕緣強(qiáng)度；的濕度不僅直接影響絕緣強(qiáng)度，而且在濕度較高時(shí)，容易引起氣體的水解，生成腐蝕性有害物質(zhì)，影響火弧室以及周邊環(huán)境；還會(huì)生成難以去除的硫化物附著在觸頭上，嚴(yán)重影響觸頭接觸電阻。氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感模塊包括濕度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器。由于氣體一般處十微水狀態(tài)，其微量水分帶來(lái)的危害：(1)氣體中的微量水分雖然對(duì)氣體本身的絕緣強(qiáng)度影響不大，但斷路器內(nèi)部的固體絕緣件（如絕緣拉桿）表面凝露時(shí)會(huì)大大降低沿面閃絡(luò)電壓；(2)氣體中的微量水分會(huì)參與在電弧作用下氣體的分解反應(yīng)，生成腐蝕性很強(qiáng)的氟化氫等分解物，它們對(duì)斷路器內(nèi)部的零部件有腐蝕作用，會(huì)降低絕緣件的絕緣電阻和破壞金屬件表面的鍍層，使產(chǎn)品受到嚴(yán)重?fù)p害。氣體中的微量水分含量越多，這種損害就越大。一般的濕度傳感器測(cè)量水分的相對(duì)濕度難以滿足測(cè)量要求，必須露點(diǎn)測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量微水環(huán)境下的結(jié)露溫度來(lái)間接測(cè)量水分含量。本文采用了露點(diǎn)傳感器，該傳感器穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高，測(cè)量維護(hù)簡(jiǎn)單。在氣室的閥門處安裝了一個(gè)小的密閉容器與氣室保持連接，將傳感器探頭密封在容器內(nèi)。，所以在測(cè)量氣體壓力時(shí)采用了量程為0～。4基于SF6高壓斷路器的故障診斷方法研究 由于高壓斷路器故障的復(fù)雜性和故障與征兆之間關(guān)系的復(fù)雜性，形成了故障診斷是一種探索性的過(guò)程這一特點(diǎn)。故障診斷的困難在于故障和征兆之間不存在簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，同類型的故障其對(duì)應(yīng)的征兆是多樣的，不同類型的故障可能表現(xiàn)出征兆的相似性。因此，對(duì)故障的診斷是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的閉環(huán)過(guò)程，如圖41所示。由于設(shè)備故障的復(fù)雜性和設(shè)備故障與征兆之間關(guān)系的復(fù)雜性，形成了設(shè)備故障診斷是一種探索性的反復(fù)試驗(yàn)的特點(diǎn)。就電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)這一學(xué)科來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)和難點(diǎn)都在于研究故障診斷的方法。在故障診斷技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，除了基于傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)和在線檢測(cè)等診斷方法的不斷改進(jìn)、發(fā)展和完善，同時(shí)，還不斷地借鑒、吸收和應(yīng)用數(shù)學(xué)、人工智能、信息技術(shù)等領(lǐng)域的新理論和新方法，如模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、小波分析、證據(jù)理論等。現(xiàn)有常用的故障診斷方法如表41所示。高壓斷路器故障診斷是建立在對(duì)其結(jié)構(gòu)特性以及運(yùn)行特性全面、準(zhǔn)確的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證、長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)基礎(chǔ)之上的。高壓斷路器智能故障診斷專家系統(tǒng)是今后斷路器故障診斷的發(fā)展方向，應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行提高專家系統(tǒng)，使之有更高的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。首先通過(guò)系統(tǒng)地積累斷路器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和故障情況不斷完善和充實(shí)知識(shí)庫(kù)；其次通過(guò)綜合引入先進(jìn)的故障診斷方法提高系統(tǒng)的診斷水平。 信號(hào)采集信號(hào)處理狀態(tài)識(shí)別否是設(shè)備獲取檢測(cè)信號(hào)設(shè)備特征信號(hào)故障診斷專家?guī)燧敵鲵?yàn)證結(jié)果本文是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與DS證據(jù)理論集成的數(shù)據(jù)融合技術(shù)的高壓斷路器進(jìn)行故障診斷方法。該方法利用多傳感器高壓斷路器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的信息經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始的診斷，再