斷路器操動機構(gòu)音頻在線監(jiān)測方法的可行性研究

余思遠(yuǎn)，胡蘊斌，周漢平，江 山

（1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663；2. 西門子高壓開關(guān)有限公司，浙江 杭州 310018）

利用操動機構(gòu)開展機械壽命試驗時產(chǎn)生的機械振動開展研究，通過在操動機構(gòu)內(nèi)加裝聲壓傳感器、振動加速計的方式收集每次機構(gòu)分合產(chǎn)生的噪音和瞬態(tài)振動（沖擊）信號，通過對所記錄到的瞬態(tài)振動、噪音時域信號、利用FFT 轉(zhuǎn)換成的頻域信號與信號錄取時操動機構(gòu)對應(yīng)的實時狀態(tài)（正常、故障、失效）進(jìn)行比對，并利用FFT自譜分析和倍頻程譜分析,分辨出機構(gòu)在正常分合，故障、失效等不同狀態(tài)下的信號區(qū)別，提出在線監(jiān)測的方法可以作為機構(gòu)在正常、故障狀態(tài)以及從正常到故障狀態(tài)的分析手段，并對其后續(xù)應(yīng)用前景提出建議。

1 音頻在線監(jiān)測試驗方法

1.1 音頻在線監(jiān)測信號傳輸流程

音頻在線監(jiān)測的原理是通過在斷路器操動機構(gòu)加裝傳感器，然后通過專用軟件對提取的信號進(jìn)行處理分析。

1.2 試驗主要器材

本次試驗所需的主要器材主要有3AP2-FI 型高壓斷路器（搭載FA5 操動機構(gòu)）、聲壓傳感器（含極頭和前置放大器）、壓電式IEPE 振動加速計（X、Y、Z三向）、數(shù)據(jù)傳輸線、INV3062T0 型數(shù)據(jù)采集儀、專用電腦及DASP 分析軟件、專用工裝等。

1.3 傳感裝置的安裝

將振動加速計安裝在自制的轉(zhuǎn)接板上，然后將轉(zhuǎn)接板固定在斷路器機構(gòu)箱內(nèi)的FA5 操動機構(gòu)外側(cè)的齒輪盤下方、電動機的左上方（如圖1 左所示），將聲壓傳感器固定在斷路器機構(gòu)箱內(nèi)的箱體底部（如圖1 右所示）。然后通過數(shù)據(jù)線、網(wǎng)線將傳感器信與數(shù)據(jù)采集儀以及專用電腦進(jìn)行連接。

圖1 在線監(jiān)測裝置安裝實圖

1.4 音頻在線監(jiān)測采樣試驗參數(shù)的設(shè)置

硬件連接完成后，打開分析軟件對采樣頻率、通道參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，DSAP音頻采集和實時分析視窗界面如圖2 所示。其中，“SF”代表“采樣頻率”，“AF”代表“分析頻率”，“dt”代表“時間分辨率”，“df”代表“頻率分辨率”。

圖2 信號式波采樣界面

1.5 斷路器操動機構(gòu)機械壽命試驗參數(shù)設(shè)定

參照交流濾波器斷路器實際運行情況，本次試驗將試驗機構(gòu)的每日機械試驗壽命次數(shù)設(shè)為470次，一次機械壽命試驗時間設(shè)為55 s。

1.6 在線監(jiān)測試驗現(xiàn)場的背景環(huán)境

本文所開展的試驗是在敞開式、露天環(huán)境下進(jìn)行。開始在線監(jiān)測試驗時，在測試區(qū)附近還有一相220 kV DT-FI斷路器正在開展機械壽命試驗，與本文試驗斷路器相隔約5 m 左右，接近實際的工作環(huán)境（變電站和換流站），以下將介紹測試現(xiàn)場背景環(huán)境實測數(shù)據(jù)。

1.6.1 背景環(huán)境X方向在240 s 時間內(nèi)的振動加速度和頻率的數(shù)據(jù)以及圖像如圖3所示。

圖3 X方向振動波形

從X方向振動波形可以看出：背景環(huán)境的振動加速度0.75g（max）；背景環(huán)境的振動頻率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.2 背景環(huán)境Y方向在240 s 時間內(nèi)的振動加速度和頻率的數(shù)據(jù)以及圖像如圖4所示。

圖4 Y方向振動波形

從Y方向振動波形可以看出：背景環(huán)境的振動加速度0.8g（max）；背景環(huán)境的振動頻率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.3 背景環(huán)境Z 方向在240 s 時間內(nèi)的振動加速度和頻率的數(shù)據(jù)以及圖像如圖5所示。

圖5 Z方向振動波形

從Z方向振動波形可以看出：背景環(huán)境的振動加速度0.65g（max）；背景環(huán)境的振動頻率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.4 背景環(huán)境在240 s 時間內(nèi)的噪音聲強和頻率的數(shù)據(jù)以及圖像如圖6所示。

圖6 背景環(huán)境噪聲采樣

從音頻波形可以看出：背景環(huán)境的噪音聲強0.028 Pa（max）；背景環(huán)境的噪音頻率主要集中在0～1 kHz。

通過以上對環(huán)境采樣波形的讀取結(jié)果可見，從X、Y、Z三個方向綜合判斷背景環(huán)境的振動加速度（max）以及240 s時間內(nèi)背景環(huán)境的噪音聲強（max）數(shù)值均較小，對在現(xiàn)有測試環(huán)境下進(jìn)行操動機構(gòu)測試無實質(zhì)性影響。

2 音頻波形分析常用方法

2.1 時域分析法

時域分析是信號最基本的分析方法之一，對多通道的信號從時間域上進(jìn)行波形分析，從波形圖上可以清楚看出信號在不同時間上的幅值，時域分析可直觀顯示信號原始的時域波形，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。

2.2 FFT自譜分析法

因時域分析維度較為單一， 部分情況下無法反映信號內(nèi)在規(guī)律，需將信號從時域變換到頻域信號進(jìn)行分析。自譜分析就是對一個信號進(jìn)行頻譜分析，本文采用幅值譜反映頻域中各諧波分量的單峰幅值，將整個信號分成若干段數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行FFT 分析，得到各自的頻譜之后，再進(jìn)行平均，最后的結(jié)果能夠比較全面地反映全程數(shù)據(jù)的頻譜特性。

使用FFT 分析可能會因頻率分辨率造成的泄露導(dǎo)致頻譜主峰的幅值偏小，使用平滑處理可以使頻譜主峰的幅值更加準(zhǔn)確，但也會導(dǎo)致頻譜主峰以外的頻率處的幅值精度降低。針對時域信號截斷造成的泄漏，使用加窗是一個有效辦法，可以有效提高主頻處的幅值精度，本文選用“矩形窗”。

2.3 倍頻程譜分析法

倍頻程譜分析方法，又稱CPB 分析。本文倍頻程譜分析采用1/3 倍頻程譜，將整個信號頻譜按1/3 倍的比例關(guān)系劃分頻帶，計算各頻帶內(nèi)的譜值。

3 音頻在線監(jiān)測試驗結(jié)果分析

針對本文所研究的FA5 操動機構(gòu)，分別選取機構(gòu)在3 種不同狀態(tài)下的波形，同時還選用不同的波形分析法進(jìn)行結(jié)果分析。

在FA5 操動機構(gòu)進(jìn)行機械壽命試驗約為第5000次和5500 次時，各取一組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比如圖7 所示。從上面音頻分析波形可以看出，異常發(fā)生在合閘儲能過程中，比正常波形明顯多出一個波峰，噪音的最大值增加了約1 dB。而波形異常時，F(xiàn)A5 操動機構(gòu)仍然能正常分合閘。這種現(xiàn)象很可能是由于機構(gòu)內(nèi)某一零件存在少量磨損、螺栓松動等原因造成，具體有待后續(xù)解體機構(gòu)分析。

圖7 不同操作次數(shù)下采樣波形圖

針對操動機構(gòu)發(fā)生拒分時的在線監(jiān)測波形進(jìn)行分析，情況如圖8 所示。從上面波形可以看出，當(dāng)拒動故障發(fā)生后，X、Y、Z三個方向上的振動加速度明顯變小。同時可見，噪音的聲強也下降明顯，正常時噪音峰值范圍為62～85 dB，而發(fā)生拒動異常時峰值已降至35 dB。

圖8 斷路器拒動時采樣波形圖

現(xiàn)場模擬由于滅弧室絕緣拉桿端部的螺栓斷裂，導(dǎo)致斷路器發(fā)生空載合閘時在線監(jiān)測波形，具體情況如圖9所示。

通過采取斷路器空載合閘時在線監(jiān)測波形數(shù)據(jù)，可見設(shè)備異常時噪音和振動在一個周期的波形與設(shè)備正常時一個周期內(nèi)的波形有明顯區(qū)別，并且從噪音最大數(shù)值看，正常時為64.5 dB，異常時在67 dB左右。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了斷路器操動機構(gòu)音頻在線監(jiān)測方法，此試驗方式無需特殊隔音試驗環(huán)境，通過將聲壓傳感器、壓電式IEPE振動加速計固定安裝在操動機構(gòu)內(nèi)即可采到所需數(shù)據(jù)。傳感器安裝部位的不同可能會造成所測數(shù)據(jù)最大值略有差異，但不影響音頻波形、數(shù)據(jù)等采集和分析?；诒疚乃故镜脑囼灲?jīng)驗，斷路器操動機構(gòu)運行時可以嘗試通過本文介紹的方法進(jìn)行在線監(jiān)測。

操動機構(gòu)異常時，有時噪音的最大值可能沒有明顯變化，但音頻波形已發(fā)生明顯的變化。因此，需要把噪音聲強、振動加速度及其波形結(jié)合起來研究，才能得出準(zhǔn)確結(jié)論。另外，本文介紹的時域分析、FFT自譜分析和倍頻程譜分析等3種分析方法各自適用不同的斷路器狀態(tài)和場合，在實際應(yīng)用中須結(jié)合起來使用。

本文試驗方法是把數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理等功能模板通過有線連在一起。后續(xù)還可進(jìn)一步開發(fā)提升硬件便攜性和先進(jìn)性，使用藍(lán)牙或Wi-Fi等無線手段把三者連接在一起，并與手機、平板電腦等智能移動設(shè)備無縫連接。

斷路器操動機構(gòu)隨著試驗次數(shù)和使用年限的增加，產(chǎn)生零件磨損、緊固件松動、傳動件潤滑油減少、承載件開裂等缺陷的概率增大，因此須采集大量試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)出一套音頻波形與故障件之間關(guān)聯(lián)性的規(guī)律。當(dāng)數(shù)據(jù)積累到一定程度，可考慮在“音頻在線監(jiān)測”的基礎(chǔ)上，建立一套“音頻在線監(jiān)測與預(yù)警”系統(tǒng)，能夠?qū)崟r反應(yīng)出斷路器運行狀態(tài)，一定程度上預(yù)知故障發(fā)生概率，對設(shè)備和電網(wǎng)安全具有較大意義。

資訊

寒潮來襲 南方電網(wǎng)公司迅速開展抗冰保電工作

2 月20 日以來的寒潮來勢洶洶，具有影響范圍廣、覆冰速度快等顯著特點。南方電網(wǎng)公司持續(xù)啟動應(yīng)急機制，科學(xué)防冰抗冰，開展科技融冰、智能巡視等工作，在24 h 內(nèi)基本恢復(fù)受災(zāi)用戶供電，最大程度上減少了災(zāi)害影響。

2月21日10:00，南方電網(wǎng)公司啟動低溫雨雪冰凍災(zāi)害Ⅲ級應(yīng)急響應(yīng)，迅速組織開展抗冰保電工作，全力保障南方電網(wǎng)西電東送大通道安全。據(jù)了解，自1 月21 日啟動應(yīng)急機制以來，南方電網(wǎng)公司持續(xù)保持應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)，提前預(yù)警、有效組織、快速應(yīng)對。本輪寒潮期間，南方電網(wǎng)公司開展500 kV及以上線路融冰共計40條次，高效有序地完成了南方電網(wǎng)主網(wǎng)架的融冰工作，及時化解了電網(wǎng)潛在風(fēng)險，穩(wěn)住了南方電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和電力可靠供應(yīng)的基本盤。

截至2 月24 日17:00，南方電網(wǎng)覆冰的10 kV線路已降為105條。目前，南方電網(wǎng)公司仍保持Ⅲ級響應(yīng)，超高壓公司保持Ⅱ級響應(yīng)，廣東、廣西、云南、貴州電網(wǎng)公司保持Ⅲ級響應(yīng)。

來源：《南方電網(wǎng)報》