【正文】 信號采集信號處理狀態(tài)識別否是設(shè)備獲取檢測信號設(shè)備特征信號故障診斷專家?guī)燧敵鲵炞C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。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。現(xiàn)有常用的故障診斷方法如表41所示。就電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)這一學(xué)科來說，重點(diǎn)和難點(diǎn)都在于研究故障診斷的方法。因此，對故障的診斷是一個反復(fù)試驗的閉環(huán)過程，如圖41所示。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程這一特點(diǎn)。在氣室的閥門處安裝了一個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)。一般的濕度傳感器測量水分的相對濕度難以滿足測量要求，必須露點(diǎn)測量法，通過測量微水環(huán)境下的結(jié)露溫度來間接測量水分含量。由于氣體一般處十微水狀態(tài)，其微量水分帶來的危害：(1)氣體中的微量水分雖然對氣體本身的絕緣強(qiáng)度影響不大，但斷路器內(nèi)部的固體絕緣件（如絕緣拉桿）表面凝露時會大大降低沿面閃絡(luò)電壓；(2)氣體中的微量水分會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，它們對斷路器內(nèi)部的零部件有腐蝕作用，會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，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。通過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，記錄該脈沖的個數(shù)，就可以實現(xiàn)動觸頭全行程參數(shù)的測量；同時，記錄每個電脈沖產(chǎn)生的時刻值，就可以計算出動觸頭運(yùn)動過程中的最大速度和平均速度。行程一時間曲線還可以提取觸頭運(yùn)動過程中各個事件發(fā)生的時刻，根據(jù)事件時間來診斷故障，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、閥的動作緩慢等故障。因此，判斷斷路器高壓帶電部分的熱故障可以通過被測斷路器外部的熱場分布及其金屬件的溫度來綜合、總體判斷。但是由于與斷路器觸頭部分的發(fā)熱時間長而且比較穩(wěn)定。 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，因此將測溫裝置安裝在滅弧室內(nèi)直接測量其溫度從而計算溫升是不能實現(xiàn)的。斷路器要求在運(yùn)行過程中能在工頻最大工作電壓下長期工作不擊穿，在最大負(fù)載電流下長期工作時各部分的溫升不超過規(guī)定值，并能承受短路電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)而不損壞。當(dāng)發(fā)熱量等于散熱量時，開關(guān)導(dǎo)體上的熱量不再升高，而保持相對恒定的溫度，這個溫度減去周圍環(huán)境溫度就是開關(guān)穩(wěn)定的溫升。 高壓開關(guān)是長期載流的電氣設(shè)備，由于導(dǎo)體存在一定的電阻，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時就會產(chǎn)生熱損耗，而交變電磁場作用于導(dǎo)體周圍的鐵磁物體和絕緣介質(zhì)會產(chǎn)生鐵磁損耗和介質(zhì)損耗，這些都是熱源。 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。 而當(dāng)絕緣拉桿的絕緣層破裂時，使得絕緣水平下降，甚至發(fā)生擊穿或爆炸事故。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。當(dāng)絕緣拉桿絕緣層完好，且絕緣拉桿通過圓柱銷和動觸頭裝配連桿緊密接觸，斷路器帶負(fù)荷運(yùn)行時，負(fù)荷電流從上接線端子到靜觸頭、動觸頭和下法蘭上的中間觸指，最后經(jīng)過下接線端子形成回路，絕緣拉桿與動觸頭裝配連桿的連接處并不通過負(fù)荷電流，動觸頭及其連桿帶有電力系統(tǒng)對地電位，二者為同一電位，在連接處不會形成懸浮電位并產(chǎn)生金屬表面放電，絕緣拉桿也不會出現(xiàn)超過5μA。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。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)。斷路器是一種全封閉的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部絕緣不容易受潮。高壓斷路器的絕緣主要有三個部分：一是導(dǎo)電部件對地之間的絕緣，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。則可求出任一次開斷電流時的相對電磨損量： (37)根據(jù)觸頭的絕對電磨損總量一定，則有： (38)所以有： (39) (310)即可求出該斷路器的相對電壽命： (311)式中，L為斷路器的相對電壽命；為斷路器觸頭電壽命的初始值，是一個小于或等于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)過大修后的斷路器值為1。 定義一臺全新的斷路器的觸頭允許磨損總量為100%，即其相對電壽命為100%，則每次額定短路開斷電流開斷時的相對磨損為1 / （定義為）。設(shè)額定短路開斷電流下單次開斷的絕對電磨損為，對應(yīng)的允許開斷次數(shù)為（一般為20次）。圖33 互感器深度飽和時的開斷電流波形在電壽命的預(yù)測中應(yīng)考慮開斷電流和燃弧時間。 （3）當(dāng)激磁電流飽和時，二次電流即出現(xiàn)缺損狀況。從故障開始到CT飽和會經(jīng)歷一段時間，大約在初期的1l4周期內(nèi)，電流是正常的。 在嚴(yán)重短路的瞬間，短路電流中會出現(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。 當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生斷路故障時，短路電流可能達(dá)到很大的數(shù)值，上萬安甚至十幾萬安的強(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，互感器(CT)還會出現(xiàn)不同程度的磁飽和。研究表明，斷路器觸頭的磨損與斷路器的開斷電流有著直接的關(guān)系。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，短路電流比正常負(fù)荷電流大的多，這時的電路最難開斷。 高壓斷路器在正常情況下，可以開斷、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)盡快動作，斷路器應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)完成切斷故障的任務(wù)。根據(jù)前人的大量的試驗成果表明，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）。例如，操動機(jī)構(gòu)貼心運(yùn)動的信息在滅弧筒上反應(yīng)十分微弱，而斷路器筒內(nèi)動觸頭傳動連桿的運(yùn)動狀態(tài)則只有在滅弧筒上有明顯的反應(yīng)，而在支架上測不到相應(yīng)得振動信號。 斷路器的機(jī)械振動信號是典型的帶有噪聲的非平穩(wěn)信號，其信號波形呈上升和衰減過程，其峰值點(diǎn)在時間上具有很好的分辨性；信號的有效時間很短，只有幾十毫秒，振動過程中還會伴有振動波的折射和反射。在這些振動波形中，通過分析每個振動信號出現(xiàn)時間的變化、峰值的變化，并結(jié)合分、合閘線圈電流波形來判斷斷路器的機(jī)械狀態(tài)。在每一次的操作過程中，都會伴有一系列運(yùn)動構(gòu)件的啟動、制動、撞擊出現(xiàn)，這些運(yùn)動形態(tài)的改變都在其結(jié)構(gòu)構(gòu)架上引起一個個沖擊振動。 機(jī)械振動總是由沖擊受力、運(yùn)動形態(tài)的改變引起的。其動作的驅(qū)動力可達(dá)數(shù)萬N以上，在幾毫秒的時間內(nèi)，動觸頭系統(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、緩沖過程中，撞擊更為強(qiáng)烈。 對于高壓斷路器的靠性，根據(jù)世界范圍內(nèi)的調(diào)查以及中國電力科學(xué)研究院對我國高壓斷路器事故的統(tǒng)計分析均表明，70%多的斷路器故障是由于機(jī)械特性不良造成的，因而高壓斷路器的機(jī)械振動信號成為機(jī)械故障診斷的重要信息?；魻杺鞲衅骶雀摺⒕€性度好，具有很好的動態(tài)特性和電氣特性。線圈電流的測量，本文中選用磁平衡式霍爾電壓電流傳感器，它利用霍爾效應(yīng)，采用磁補(bǔ)償原理，被測回路與測試回路絕緣。通過分析線圈電流的特征參數(shù)的變化判斷供電電壓的質(zhì)量、鐵芯的空行程、機(jī)構(gòu)的摩察阻力、鐵芯是否有無卡滯及操作傳動機(jī)構(gòu)的動作狀況等等，可以判斷高壓斷路器是否發(fā)生誤動、拒動以及其原因。 綜合以上分析，電流有兩個峰值點(diǎn)和一個谷值點(diǎn)。一般是動觸頭開始運(yùn)動時刻。此階段輔助開關(guān)分?jǐn)?，在輔助開關(guān)觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電弧電壓快速升高，迫使電流迅速減小，直到熄滅。 （5）階段V。 （4）階段IV。在這一階段鐵心運(yùn)動停止。為控制電流的谷點(diǎn)，代表鐵心已經(jīng)觸動操作機(jī)械的負(fù)載而顯著減速或停止運(yùn)動。 （2）階段II， 。這一階段的特點(diǎn)是電流呈指數(shù)上升，鐵心靜止。為斷路器合、分閘命令下達(dá)時刻，是斷路器合、分動作計時起點(diǎn)。線圈在時刻開始通電，到時刻鐵心開始運(yùn)動。根據(jù)鐵心運(yùn)動過程該波形可分為以下五個階段。故電流以鐵心停止時的電流為初值，按指數(shù)規(guī)律上升，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值I=U/R。這一過程直到鐵心吸合，鐵心停止運(yùn)動，ν=0。在時間，電流增大到動作電流鐵心的吸力超過反作用力(如鐵心重力，加在鐵心上的彈簧力等)，鐵心開始運(yùn)動ν0。由t=0,i=0。式(32)變?yōu)椋? (33)式中, 為時，線圈的電感。同時，鐵心吸力也逐漸增大。圖31合（分）閘線圈結(jié)構(gòu)示意圖及等值電路假設(shè)鐵心不飽和，電感L不隨i變化。 線圈的直流供電電路如圖31所示。從能量角度看，合、分閘線圈的作用是把來自電源的電能轉(zhuǎn)化為磁能，并通過鐵心的動作，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械功輸出。濕度，不僅直接影響絕緣強(qiáng)度，而且在濕度較高時，容易引起SF6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、合閘線圈電流監(jiān)測 電磁鐵是高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)中的重要元件之一，它一般作為高壓斷路器電的一級控制元件。綜上所述，通過對斷路器故障的統(tǒng)計，分析故障發(fā)生原因的基礎(chǔ)上，歸納出SF6斷路器的在線監(jiān)測內(nèi)容及特征量，如表34所示。此外，在這三次調(diào)查中處于工作電壓的元部件的故障率分別48%，21%，%，所占的比重也是很大的，并且斷路器的開斷電流的大小和開斷次數(shù)對于判斷斷路器的電壽命是必不可少的條件。在此基礎(chǔ)上，兩次世界大調(diào)查和中國電力科學(xué)研究院在19992003年的調(diào)查中的事故原因的統(tǒng)計可以表明：目前高壓斷路器的主要故障為操動機(jī)構(gòu)的故障，第一次世界大調(diào)查中機(jī)械故障占所有故障的52%，第二次世界大調(diào)查中機(jī)械故障占所有故障的72%，中國電力科學(xué)研究院的調(diào)查中占71%。表33為中國電力科學(xué)研究院的故障分析。表31兩次調(diào)查大事故率特征特征每百開關(guān)年的大事故率（%）第一次大調(diào)查第二次大調(diào)查拒合拒分誤合誤分無電流不能切斷電流不能載流對地?fù)舸┫嚅g擊穿開路相內(nèi)擊穿開路相外擊穿分閘或合閘位置閉鎖其他表32兩次調(diào)查大事故率分布情況對比相關(guān)元件故障率第一次第二次工作電壓的元件部分48%21%電氣控制及輔助回路19%29%機(jī)械部分33%43%其它7%總失效率100%100%中國電力科學(xué)研究院高壓開關(guān)所也對我國斷路器的運(yùn)行情況作了統(tǒng)計，在1999～2003年全國電力系統(tǒng)110（66）kV及以上高壓斷路器運(yùn)行中的事故和障礙以及事故原因的統(tǒng)計中，拒動及開斷關(guān)合事故等占25%，%，%，%，%。表31為兩次世界大調(diào)查的大事故率的特點(diǎn)。年的數(shù)據(jù)；第二次世界性調(diào)查是1988年至1991年，主要是對63KV以上單壓式斷路器進(jìn)行調(diào)查，全世界22個國家132家電力公司參加，共得到了18000臺斷路器的資料及70708開關(guān)3 高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容高壓斷路器的故障統(tǒng)計和分析是確定狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容的基礎(chǔ)。（13）密度表、密度繼電器、壓力表、壓力繼電器、壓力釋放閥、安全閥的校驗。（11）測量斷路器內(nèi)部氣體的微量水分含量1）與滅弧室相通的氣室，應(yīng)小于150；2）不與滅弧室相通的氣室，應(yīng)小于（10）斷路器操動機(jī)構(gòu)的試驗對于斷路器操動機(jī)構(gòu)有獨(dú)立的直流電源供電的合閘線圈、分閘線圈，其可靠動作電壓為65%～120%額定電壓值，30%及以下額定電壓時不得脫扣分閘。（8）測量斷路器并聯(lián)電阻的投入時間及電阻值主要檢查并聯(lián)電阻能否正確無誤地投入和退出，從而達(dá)到限分、合閘過電壓和改善滅弧性能的目的。（7）測量斷路器的同期性測量同期性包括：斷路器主、輔觸頭三相及同期各斷口分、合閘的同期性和配合時間。（6）測量斷路器的分、合閘速度在斷路器的額定操作電壓、額定氣壓或額定液壓下進(jìn)行，測量值應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。電容值的偏差應(yīng)在額定電容值的范圍內(nèi)。2）耐壓試驗，只對110kV及以上罐式斷路器和500kV頂開距瓷柱式斷路器的斷口進(jìn)行。當(dāng)斷路器在裝運(yùn)前不是整體總裝時，則對所有可運(yùn)輸?shù)目傃b和主要絕緣組件，如套管、絕緣子、絕緣拉桿等，都應(yīng)該分開試驗。（2）測量導(dǎo)電回路的直流電阻斷路器在運(yùn)行中接觸電阻大幅度增大，將會使斷路器在通過負(fù)荷電流或短路電流時，熱穩(wěn)定遭到破壞；還會引起發(fā)熱嚴(yán)重使觸頭彈簧退火，觸頭周圍零部件燒損等嚴(yán)重故障。（1）測量絕緣拉桿的絕緣電阻值測量絕緣拉桿的絕緣電阻值是斷路器絕緣試驗的一項基本試驗。（13）密封性試驗。（10）斷路器操動機(jī)構(gòu)的試驗。（8）測量斷路器并聯(lián)電阻的投入時間及電阻值。（6）測量斷路器的分、合閘速度。（4）斷路器并聯(lián)電容的試驗。（2）測量每相導(dǎo)電回路的直流電阻。只有性能良好，可靠性高的斷路器投入到電力系統(tǒng)中運(yùn)行，才能使電力系統(tǒng)安全運(yùn)行得到保障。 斷路器的試驗每一種型號