高壓斷路器機(jī)械故障及振動(dòng)信號(hào)采集研究

南方電網(wǎng)玉溪供電局 鄭繼輝

高壓開關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行電路開合動(dòng)作的時(shí)候必然會(huì)產(chǎn)生一定機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而機(jī)械運(yùn)動(dòng)往往會(huì)有一些震動(dòng)信號(hào)，并且在不同的狀態(tài)下所產(chǎn)生的機(jī)械震動(dòng)信號(hào)也不盡相同[1]。這些不同點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)在震動(dòng)的振幅、衰減等信息上，也就是說，這些震動(dòng)信息與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程存在一定關(guān)聯(lián)性，而機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程受到故障的影響。如果能搭建一個(gè)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)特征轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，理論上就可以對(duì)高壓斷路器機(jī)械故障進(jìn)行分析。本文介紹了一種可以采集斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)特征的系統(tǒng)，包括傳感器選擇、故障分析、系統(tǒng)的搭建等[2]。

2 高壓斷路器常見機(jī)械故障類型

電氣設(shè)備發(fā)生故障是指設(shè)備在投入運(yùn)行過程中，由于某些因素導(dǎo)致設(shè)備失去其功能或者不能達(dá)到其預(yù)期的作用。如果電網(wǎng)在正常運(yùn)行過程中，一旦高壓開關(guān)出現(xiàn)問題將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。不排除會(huì)讓大生產(chǎn)區(qū)的電力供應(yīng)產(chǎn)生問題以及出現(xiàn)其他相關(guān)損失。較為常見的高壓開關(guān)機(jī)械故障包含拒動(dòng)和誤動(dòng)兩種。

斷路器最出現(xiàn)次數(shù)較多、最常見的故障類型是拒動(dòng)故障[3]。所謂拒動(dòng)故障指的是斷路器拒絕執(zhí)行相應(yīng)的操動(dòng)指令，無法順利執(zhí)行預(yù)定動(dòng)作。拒分故障和拒合故障是常見的兩種拒動(dòng)故障類型，而其中以拒分的故障類型相對(duì)拒合的故障類型更為多見。一旦拒分故障出現(xiàn)，此時(shí)一般是電路系統(tǒng)出現(xiàn)了其他問題或者需要檢修而進(jìn)行分閘。但是如果分閘失敗就會(huì)導(dǎo)致上一級(jí)越級(jí)跳閘，使故障影響面積進(jìn)一步擴(kuò)大，因此它造成的影響更為嚴(yán)重。

電氣故障或者機(jī)械故障都有可能引起斷路器故障。機(jī)械故障的主要原因是操動(dòng)系統(tǒng)的工作故障和傳動(dòng)裝置故障，這些因素約占故障總數(shù)的70%。如果不對(duì)高壓開關(guān)進(jìn)行正確的維護(hù)，機(jī)體損耗會(huì)導(dǎo)致二次回路接觸不良，操作機(jī)械零件變形，斷路器斷開動(dòng)作的執(zhí)行就會(huì)產(chǎn)生誤差。這通常是由于二次回路中出現(xiàn)問題或者是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、例如彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)等出現(xiàn)問題，其中發(fā)生在斷路器的計(jì)劃檢修后操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障是最常見問題。

3 機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

3.1 信號(hào)采集系統(tǒng)原理[4]

圖1 振動(dòng)信號(hào)采集接線示意圖

CA-YD-182是一種比較高精度的加速度傳感器，在本次研究中使用它作為檢測輸入，同時(shí)配套使用NI9234為核心元件的信號(hào)采集系統(tǒng)來采集斷路器在執(zhí)行過程中的震動(dòng)機(jī)械信號(hào)，通過該系統(tǒng)將高壓開關(guān)的震動(dòng)信息轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)的通用二進(jìn)制數(shù)據(jù)。為了獲取到精準(zhǔn)的同步震動(dòng)信號(hào)，通過NI9401產(chǎn)生雙向脈沖的方式實(shí)現(xiàn)。一路脈沖控制分合閘，另一路脈沖作為震動(dòng)信號(hào)采集的基準(zhǔn)信號(hào)。

如圖1所示是一種采集機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的典型框架。首先是被測目標(biāo)體接收到上一級(jí)系統(tǒng)的指令發(fā)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在同一時(shí)間信號(hào)采集終端也開始做信號(hào)采集的工作。CA-YD-182獲取到震動(dòng)數(shù)據(jù)后通過NI9234轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)繼續(xù)進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理工作。

3.2 振動(dòng)信號(hào)采集傳感器的選擇與安裝

斷路器的震動(dòng)本質(zhì)上就是一種往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)的突出表現(xiàn)就是速度的大小和方向的變化，反應(yīng)到物理量中就是加速度值的改變。通常的生產(chǎn)環(huán)境里面，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息可以被用來輔助進(jìn)行故障診斷。而這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息是可以通過傳感器測量出來的，只要選擇合適的傳感器就可以。加速度傳感器則是比較適合的一種檢測這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息的傳感器。常見的加速度傳感器如圖2所示，一共由三部分組成：安裝用的磁座、質(zhì)量塊和壓電晶體三個(gè)部分。壓電晶體的工作方式分為壓縮型（圖2a）和剪切型（圖2b）?？v向的振動(dòng)檢測是該傳感器的主要檢測目標(biāo)，因此在縱向的靈敏度也最高。其在橫向也有一定的靈敏度，但一般相對(duì)縱向靈敏度要小的多，基本可以忽略不計(jì)。

圖2 加速度傳感器工作原理

一旦振動(dòng)發(fā)生，必然會(huì)引起傳感器的振動(dòng)動(dòng)作的發(fā)生，在這種情況下，傳感器內(nèi)部的感應(yīng)塊會(huì)在內(nèi)部進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)拉扯促使其壓電片的電壓發(fā)生一定的改變。內(nèi)部放大元件則把電荷變化進(jìn)行比例放大、進(jìn)行輸出，被采集系統(tǒng)采集。壓電式加速度傳感器無論是在剛性還是穩(wěn)定上具有其他加速度傳感器所不具備的線性度、靈敏度和精確性。

壓電式加速度計(jì)是一種廣泛使用的高速電力放大加速度傳感器，由于其體積小而廣泛使用，具有高靈敏度和高抗干擾性。在測量過程中，傳感器的底座與被測物進(jìn)行剛性連接。振動(dòng)一旦發(fā)生，傳感器會(huì)立即捕捉振動(dòng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)又由于傳感器本身相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說比較小，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響也不大。

在振動(dòng)檢測過程中，為了找到有效的振動(dòng)數(shù)據(jù)，必須對(duì)兩個(gè)因素予以重點(diǎn)考慮。其中一個(gè)是傳感器的固有頻率，另外一個(gè)就是檢測位的接觸面的貼合情況。在斷路器的影響下，發(fā)生頻率響應(yīng)。記錄目標(biāo)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，必須將加速度傳感器與所測目標(biāo)連接起來，并與振動(dòng)源一起運(yùn)動(dòng)。目前加速器的安裝方式按照對(duì)震動(dòng)頻率的影響由低到高排序有以下幾種：手持探針式、磁鐵吸附式、粘接劑固定式和螺栓固定式。螺栓和粘合劑的方式雖然牢固，但是可能會(huì)破壞試樣的性能。因此，綜合考慮以上因素，采用磁鐵吸附式是相對(duì)較好的方式。

4 結(jié)語

以常見的高壓開關(guān)的拒動(dòng)故障和誤動(dòng)故障這兩類機(jī)械故障為主，進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。常見的機(jī)械故障的具體表現(xiàn)有：結(jié)構(gòu)件損壞、變形、移位以及卡合部位的松動(dòng)、卡澀等，還有脫扣失效和軸銷斷裂等，而這些基本都可以通過本章所闡述的通過震動(dòng)信號(hào)的方式進(jìn)行故障診斷。