斷路器在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)綜述

嚴(yán)會君+黃煜銘+張雄偉

摘要：斷路器作為電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，其運(yùn)行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。不同于定期巡檢和故障維修，狀態(tài)檢修具備的主動(dòng)性和預(yù)見性更適合智能電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。本文對斷路器的在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的內(nèi)容和方法作了綜述。

Abstract： Circuit Breaker （CB） is one of the most important devices in power system. Its running status is crucial to the power system reliability. Rather than traditional maintenance strategies such as regular inspection and troubleshooting， condition monitoring suits the requirement of intelligent grid better because of its initiative and predictability. This article gives a review on the online monitoring and fault diagnosis technology for circuit breaker.

關(guān)鍵詞：斷路器；狀態(tài)檢測；在線監(jiān)測；故障診斷

Key words： circuit breaker；condition monitoring；online monitoring；fault diagnosis

中圖分類號：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0226-04

0 引言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于人們的生產(chǎn)生活至關(guān)重要，斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的保護(hù)和控制設(shè)備，承擔(dān)著關(guān)合、開斷電力線路、線路故障保護(hù)、監(jiān)測運(yùn)行電量數(shù)據(jù)等的重要作用。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器能夠?qū)⒐收喜糠盅杆購碾娋W(wǎng)中隔離出去，斷路器的故障將帶來線路和設(shè)備受損甚至可能影響到居民生活和社會生產(chǎn)，因此，斷路器的狀態(tài)好壞直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性，斷路器的運(yùn)行維護(hù)是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。由于斷路器的壽命一般為20-40年，一些部件會隨著使用時(shí)間的增加而不斷老化，因此及時(shí)對其進(jìn)行維護(hù)和檢修是十分必要的。

當(dāng)前電力設(shè)備的維護(hù)方式主要有定期檢修、故障維修以及狀態(tài)檢修三種。定期檢修就是根據(jù)預(yù)先規(guī)定的時(shí)間周期對設(shè)備進(jìn)行檢修，故障維修是在故障發(fā)生后才對設(shè)備進(jìn)行修理，這兩種方式作為目前最常用的檢修方式，存在著針對性較差、效率低下、維護(hù)成本較大的問題。為了提高設(shè)備運(yùn)行可靠性及運(yùn)維效率，狀態(tài)檢修開始得到了關(guān)注。

狀態(tài)檢修是基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的檢修方式，它能夠根據(jù)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的異常，預(yù)知設(shè)備的故障，并做出針對性的檢修計(jì)劃。對斷路器的重要參數(shù)進(jìn)行長期連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測，不僅能夠及時(shí)判斷出故障的位置和嚴(yán)重程度，而且可以對故障設(shè)備進(jìn)行原因診斷。這不僅對于提高設(shè)備的利用率、降低維修費(fèi)用、增大設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)周期十分有效，而且可以提高電力系統(tǒng)的堅(jiān)強(qiáng)性、可靠性及自動(dòng)化程度。作為主動(dòng)性和預(yù)見性的檢修方式，狀態(tài)檢修更能適應(yīng)現(xiàn)代智能電網(wǎng)對于安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求，真正做到防患于未然。斷路器的在線檢測及故障診斷已經(jīng)成為電力行業(yè)的熱點(diǎn)問題并受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的持續(xù)關(guān)注。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

斷路器一般包括操動(dòng)機(jī)構(gòu)、開斷元件、絕緣支柱、基座、二次回路和中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等等。斷路器的故障即為某部分元件喪失其規(guī)定動(dòng)作的現(xiàn)象。國內(nèi)外的故障統(tǒng)計(jì)顯示，斷路器常見的故障表現(xiàn)見表1。

這些故障不單會造成斷路器功能的缺失，甚至?xí)：﹄娏ο到y(tǒng)的整體安全，因此，進(jìn)行有效的在線監(jiān)測和故障診斷至關(guān)重要。

1.1 狀態(tài)監(jiān)測

對斷路器的狀態(tài)監(jiān)測最早是通過離線的方式進(jìn)行，這種測試方法主要對斷路器的分合機(jī)械參數(shù)進(jìn)行測試。國外在上世紀(jì)90年代就有這樣的斷路器試驗(yàn)設(shè)備，代表廠商如德國WEIS公司和美國Doble公司等等都有相關(guān)產(chǎn)品，國內(nèi)如國電南瑞、華天電力后來也有類似的產(chǎn)品。但是這種機(jī)械特性測試儀只適合進(jìn)行出廠檢測和故障檢修，無法滿足狀態(tài)監(jiān)測的要求，因此，對斷路器檢測進(jìn)行智能化改造成為了新的研究熱點(diǎn)。國外在這一領(lǐng)域的研究起步較早，Goto K. 等人在1989年就提出了針對氣體絕緣斷路器（GIS）的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，并在斷路器動(dòng)作時(shí)間、氣體壓力、局部放電、液壓系統(tǒng)等多方面進(jìn)行了監(jiān)測[1]；McllroyC等人利用錄波設(shè)備和接口組件實(shí)現(xiàn)了對分合閘線圈電壓、電流和觸點(diǎn)位移的監(jiān)測[2]；美國德州農(nóng)工（Texas A&M）大學(xué)采用專家系統(tǒng)對斷路器進(jìn)行狀態(tài)分析，監(jiān)測對象包括分合閘線圈電流、相電流、觸頭接觸信號等等[3]；Dupraz JP等人開發(fā)了對六氟化硫氣體，操動(dòng)機(jī)構(gòu)和斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測系統(tǒng)[4]；Knezev M等人開發(fā)的系統(tǒng)主要對斷路器控制線圈電流及主回路電流進(jìn)行監(jiān)測，并對信號處理和專家系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究[5]。

國內(nèi)對斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的研究工作開始于上世紀(jì)90年代，清華大學(xué)最早對該領(lǐng)域進(jìn)行了研究實(shí)踐：單片機(jī)作為核心芯片被用來控制整個(gè)開關(guān)柜智能化狀態(tài)檢測裝置，并初步探索了斷路器振動(dòng)信號在監(jiān)測和故障診斷方面的應(yīng)用[6-7]；華中科技大學(xué)的張永偉等人開發(fā)了基于CPLD+CPU結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)[8]；重慶大學(xué)的熊小伏等人利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開發(fā)了分布式機(jī)械特性監(jiān)測系統(tǒng)[9]；此外，包括西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)在內(nèi)的多家研究單位在斷路器在線監(jiān)測與故障診斷方面都有持續(xù)的研究[10-12]。

目前市場上已有的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品一般是利用微處理器對斷路器設(shè)備參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，核心控制芯片包括ARM、FPGA、DSP等多種方式，并且逐漸向更高級的芯片和多核系統(tǒng)發(fā)展。

在線監(jiān)測對象的選擇是進(jìn)行有效故障診斷的前提和基礎(chǔ)，隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展和完善，監(jiān)測對象也從最初的簡單機(jī)械參數(shù)向復(fù)雜參數(shù)發(fā)展。目前常見的監(jiān)測對象包括：①分、合閘線圈電流；②儲能電機(jī)電流；③振動(dòng)信號；④位移信號；⑤斷路器觸頭溫度；⑥環(huán)境溫濕度；⑦主回路電壓、電流；⑧局部放電；⑨真空斷路器的真空度；⑩微水（氣體絕緣全封閉組合電器GIS）；？輥？輯？訛氣體密度；？輥？輰？訛斷路器運(yùn)行狀態(tài)、接地狀態(tài)、儲能狀態(tài)等等，這些監(jiān)測對象能夠從不同角度反應(yīng)斷路器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)手段也各不相同，以下為幾種典型信號的具體監(jiān)測方法。

①分合閘電流信號。

作為高壓真空斷路器中的重要元件，電磁鐵利用線圈中所通電流產(chǎn)生的磁通對斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)分閘和合閘動(dòng)作。斷路器的分、合閘電流波形包含了斷路器在此過程中的工作狀態(tài)信息，通過監(jiān)測分合閘電流能夠判斷出多種斷路器控制回路的故障類型如線圈鐵芯卡澀、電源電壓過低、鐵芯空行程過長等操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障。同時(shí)，線圈電流易于采集的特點(diǎn)使其十分適于對斷路器進(jìn)行故障診斷。實(shí)際應(yīng)用中分合閘線圈電流信息可以通過霍爾電流傳感器采集，典型的斷路器合閘電流波形如圖1所示。

從圖1可以看出，鐵心的運(yùn)動(dòng)主要分為五個(gè)階段，分別對應(yīng)圖1電流曲線的5個(gè)區(qū)間：①t0-t1，接通電源，電流持續(xù)增大，鐵心準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)；②t1-t2，鐵心開始運(yùn)動(dòng)，電流逐漸減?。虎踭2-t3，電流明顯增大，鐵心停止運(yùn)動(dòng)；④t3-t4， 延續(xù)階段3，電流趨于穩(wěn)定；⑤t4-t5，輔助開關(guān)斷開，觸頭產(chǎn)生電弧，電弧被拉長且電壓升高，電流迅速下降至0。由此劃分出的電流特征量I1，I2，I3和時(shí)間特征量t1，t2，t3，t4，t5可作為故障分析診斷的特征量。

②儲能電機(jī)電流信號。

儲能彈簧是斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)中最核心的部分，一般采用電流傳感器測量儲能電機(jī)的電流信號來間接監(jiān)測儲能彈簧的工作狀態(tài)。典型的斷路器儲能電機(jī)電流波形如圖2所示，從圖中可以看出，儲能電機(jī)電流的變化共分為4個(gè)階段：①t0-t1，接通電源，電流迅速增大，儲能電機(jī)到t1時(shí)刻開始平穩(wěn)工作；②t1-t2，儲能電機(jī)穩(wěn)定工作，電流大小基本不變；③t2-t4，儲能彈簧隨著電流的增大進(jìn)行儲能；④t4-t5，輔助開關(guān)斷開，電流減小至0。各個(gè)階段的電流典型值Ia，Im，Ip和時(shí)間典型值t1，t2，t3，t4，t5能夠反映斷路器的運(yùn)行特性，如Ia能夠反映電機(jī)轉(zhuǎn)子的狀態(tài)，Im能夠反映彈簧的狀態(tài)等等。因此，通過對這些特征電流及時(shí)間的監(jiān)測，可以判定儲能彈簧是否存在松動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)子有無卡澀等故障現(xiàn)象。

③位移信號。

斷路器的觸頭位移信號是表征斷路器機(jī)械特性最為重要的監(jiān)測信號之一，它反映了斷路器動(dòng)觸頭在分合閘過程中的動(dòng)作信息。對位移信號的分析和處理可以用于計(jì)算斷路器的分合閘速度、時(shí)間和行程等參數(shù)。典型的斷路器觸頭位移-時(shí)間曲線如圖3所示。

斷路器的觸頭位移-時(shí)間曲線包含了很多重要的機(jī)械參數(shù)如合閘時(shí)間、合閘不同期、分閘時(shí)間、分閘不同期、超程、開距等等，這些參數(shù)可以通過對時(shí)間特征量t1，t2，t3，t4，t5，t6和位移特征量S1、S2的監(jiān)測計(jì)算得到。

④振動(dòng)信號。

振動(dòng)信號由斷路器中的運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生，部件的啟動(dòng)、制動(dòng)和撞擊行為都能夠產(chǎn)生一定的振動(dòng)信號，因此它能夠反映斷路器運(yùn)動(dòng)過程中許多重要的狀態(tài)信息。很多機(jī)械故障如觸頭磨損、螺絲松動(dòng)等都能夠通過監(jiān)測振動(dòng)信號來及時(shí)發(fā)現(xiàn)。基于其特征明顯的性質(zhì)，振動(dòng)信號在機(jī)械故障診斷中被廣泛應(yīng)用。但是由于受到噪聲和隨機(jī)振動(dòng)的影響，斷路器的振動(dòng)信號的分析處理比較困難。實(shí)際應(yīng)用中振動(dòng)信號一般由壓電式加速度傳感器進(jìn)行采集。

⑤觸頭溫度信號。

斷路器的觸頭溫度反映了電路故障中是否有過載、短路等異常的電流，當(dāng)設(shè)備的接觸連接部位或隔離觸頭等位置由于種種原因電阻明顯增大時(shí)，熱損耗將會造成絕緣擊穿或件損壞等嚴(yán)重的事故，因此，及時(shí)監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)觸頭溫度的異常變化是保證斷路器安全穩(wěn)定工作的一個(gè)重要方面。常用的溫度監(jiān)測方法有紅外溫度傳感器、紅外測溫儀、熱電偶間接測溫等等，將測量溫度與斷路器觸頭等部分的允許溫升極限相比較分析便可實(shí)現(xiàn)對溫度信號的診斷。

1.2 故障診斷

斷路器的故障診斷就是對斷路器運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測、分析處理和診斷，它能夠分析故障的成因并預(yù)測其劣化趨勢，并提供針對性的檢修計(jì)劃，是斷路器狀態(tài)監(jiān)測的最終目標(biāo)。故障診斷對于提高斷路器運(yùn)行的可靠性具有重要的意義，也是提高斷路器工作效率以及運(yùn)維效率的重要手段，是近年來研究的熱點(diǎn)。常見的故障診斷方法總結(jié)見表2。

20世紀(jì)80年代開始，故障診斷技術(shù)引起了越來越多國家的重視，隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等的持續(xù)發(fā)展，多種智能診斷系統(tǒng)被相繼開發(fā)應(yīng)用，故障診斷技術(shù)日漸成熟。將計(jì)算機(jī)引入故障診斷方法之后，人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)、粗糙集理論、模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等繼續(xù)在實(shí)際工程中開始被采用并取得了很好的發(fā)展。基于之前大量的研究基礎(chǔ)，很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用智能故障診斷技術(shù)。

國內(nèi)在斷路器故障診斷方面技術(shù)的發(fā)展雖然也取得了一些進(jìn)步，但完善的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，其市場化應(yīng)用仍需要進(jìn)一步開發(fā)。

斷路器的故障診斷通常包括以下幾個(gè)步驟：

①信號采集：信號采集即采集斷路器運(yùn)行的特征信號，由于信號的變化是斷路器工作狀態(tài)的直接顯示，因此，信號采集是斷路器評估及故障診斷的基礎(chǔ)。

②信號處理：信號處理是從采集到的信號中提取特征量的過程，其目的是消除信號噪聲以提取到精確的信號。

③狀態(tài)識別：狀態(tài)識別是根據(jù)特征量和其他診斷信息來識別檢測斷路器的工作狀態(tài)的過程，其原理是將提取到的特征信號與標(biāo)稱信號進(jìn)行比對。

④故障診斷：當(dāng)斷路器處于故障狀態(tài)時(shí)，故障診斷能夠給出診斷對象故障的具體位置、原因及維修措施。

設(shè)備故障診斷技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的物理化學(xué)診斷、征兆診斷、閾值診斷等等方式到人工智能診斷技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷方法有著診斷快速、操作簡單的優(yōu)勢，然而其只對部分故障類型行之有效，且可信度往往與操作人員的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，復(fù)雜的故障問題以及大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理則更需要應(yīng)用智能診斷技術(shù)，其對提高診斷準(zhǔn)確率及診斷效率都具有明顯優(yōu)勢。

斷路器實(shí)現(xiàn)智能診斷的算法包括三大類型[12]：基于解析模型的算法、基于信號處理的方法以及基于知識的方法?；诮馕瞿Ｐ偷乃惴ㄊ峭ㄟ^對診斷對象進(jìn)行較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型仿真，將采集信號與標(biāo)稱值進(jìn)行比較從而得出系統(tǒng)故障是否存在及嚴(yán)重程度。其又可以分為狀態(tài)估計(jì)診斷法、一致性檢驗(yàn)診斷法和參數(shù)估計(jì)診斷法，一致性檢驗(yàn)診斷法通過建立斷路器正常情況下的數(shù)學(xué)模型并將其與故障模型進(jìn)行對比來確定故障類型，在實(shí)際中應(yīng)用較多。Demjanenko V等人利用振動(dòng)信號的一致性對比對斷路器進(jìn)行故障診斷[13]；Michael S. 等人利用計(jì)算機(jī)輔助診斷的概念，將模擬故障信息存入數(shù)據(jù)庫，并與采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以檢測故障[14]；基于信號處理的方法通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值提取來進(jìn)行故障診斷，實(shí)際應(yīng)用中，多元統(tǒng)計(jì)方法、時(shí)域頻域分析方法等都得了較多應(yīng)用，文獻(xiàn)[15]利用主元分析的方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，既提高了診斷效率也確保了診斷精度；基于知識的方法作為斷路器故障診斷的主要研究方向，主要涵蓋了邏輯推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等多種人工智能算法，已經(jīng)得到了越來越多的研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。這種方法通過模擬大腦的思維方式來進(jìn)行故障診斷，能夠?qū)Υ罅勘O(jiān)測信息進(jìn)行快速且精確地分析和診斷，是未來智能診斷的主要發(fā)展方向。

2 總結(jié)與展望

對斷路器設(shè)備采用狀態(tài)檢測的方式是必然的發(fā)展趨勢，這種方式不僅解決了傳統(tǒng)定期檢修和事后故障維修針對性差、效率低的弊端，而且滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對于智能化的要求。目前斷路器的在線監(jiān)測技術(shù)在分合閘電流、儲能電機(jī)電流信號、觸頭位移-時(shí)間信號等等參數(shù)方面都有了成熟的應(yīng)用，故障診斷技術(shù)也從傳統(tǒng)的診斷方式逐漸向智能診斷方式過渡，隨著人工智能算法的發(fā)展，故障診斷技術(shù)將適用于更多復(fù)雜參數(shù)的監(jiān)測并進(jìn)一步提高故障診斷的可靠性。

斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在具體應(yīng)用中仍存在一些問題：

①在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)仍需進(jìn)一步完善。為了提高故障診斷過程的精確性，監(jiān)測設(shè)備需要增加監(jiān)測的參數(shù)而非采用單一的監(jiān)測參數(shù)。

②部分監(jiān)測對象還未實(shí)現(xiàn)精確有效測量，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳感器仍需進(jìn)一步提高精確度，這對于故障診斷的精確性提高至關(guān)重要。

③雖然人工智能算法用于故障診斷已經(jīng)有了大量的研究，但是較為可靠地可市場化的智能診斷算法仍在探索中。

雖然斷路器檢測從定期檢修到狀態(tài)檢修的完全過渡仍未完全實(shí)現(xiàn)，但是相信隨著傳感器、人工智能等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)也必將更加成熟和穩(wěn)定，為智能電網(wǎng)的可靠運(yùn)行提供更優(yōu)質(zhì)的保障。

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