基于傅里葉分析的斷路器故障診斷策略

許 婧

（河北工程技術(shù)學(xué)院）

0 引言

在直流輸電系統(tǒng)中，通過高壓換流站進(jìn)行能量變換時，會產(chǎn)生大量的電流諧波，并且會對整個系統(tǒng)的有功功率和無功功率產(chǎn)生影響，造成輸電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的加重[1-2]。因此在直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時，在交流側(cè)通過濾波器的投切進(jìn)行無功補(bǔ)償意義重大，從而提高電能質(zhì)量[3]。濾波器的頻繁投切給斷路器的性能造成了巨大的影響[4-5]。本文通過高壓換流站內(nèi)的故障錄波儀，提取出斷路器的暫態(tài)電流波形，再根據(jù)傅里葉原理進(jìn)行暫態(tài)電流頻譜分析，構(gòu)建故障判據(jù)，進(jìn)行斷路器的故障預(yù)警，避免由于斷路器的問題導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)無法正常工作[6]。

1 斷路器電流暫態(tài)特征分析

斷路器執(zhí)行分合閘動作時的暫態(tài)電流直接與斷路器物理屬性相關(guān)聯(lián)，即斷路器物理屬性的變化通過分合閘電流反映出來。對濾波器執(zhí)行分合閘動作時的暫態(tài)電流進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)進(jìn)行時域、頻域特性分析，并以此作為進(jìn)行斷路器故障診斷與預(yù)測的基礎(chǔ)性依據(jù)。

1.1 時域特征分析

在對斷路器分合閘暫態(tài)電流時的域特征進(jìn)行分析時，要根據(jù)電流的暫態(tài)變化情況，從分合閘動作時間、暫態(tài)電流峰值變化趨勢、三相電流差異程度三方面展開時域特征研究。

斷路器的分合閘時間直接與斷路器的操作特性相關(guān)聯(lián)，合閘時間是指從斷路器合閘線圈接通到主觸頭有效接觸的時間；斷路器的分閘時間分為兩部分，即從斷路器合閘線圈分開到主觸頭完全脫開接觸的時間和電弧熄滅時間，通過分合閘時間能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器機(jī)械故障預(yù)診斷。分合閘時間為三相分合閘時間的最大值，即：

式中，Tu、Tv、Tw分別為斷路器中三相的分合閘時間。

斷路器內(nèi)部故障也會通過暫態(tài)電流峰值的形式表現(xiàn)出來，暫態(tài)電流值的峰值取斷路器三相暫態(tài)電流的峰值。

斷路器三相電流的非一致性通過三相差異度來描述：

式中，Iu、Iv、Iw分別為斷路中三相電流的幅值，iu、iv、iw分別為斷路中三相電流的暫態(tài)值。三相差異度數(shù)值越小，說明三相電流一致性越好，三相差異度數(shù)值越小，說明斷路器內(nèi)部存在異常。

1.2 頻域特征分析

頻域分析是一種分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，研究其內(nèi)在特征的關(guān)鍵方法，頻域信息組成內(nèi)容及內(nèi)容分布能夠描述設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)行程，斷路器正常工作時，三相交流電流波形呈現(xiàn)對稱狀態(tài)。如果斷路器內(nèi)部發(fā)生細(xì)微變化時，通過時域分析無法得到有價值信息。這里從諧波最大值和總諧波畸變率的角度展開頻域分析。

取實(shí)際諧波最大值與額定電流的比值，再取三相最大值作為諧波最大值：

式中，IH.max為諧波最大值；IH.k為對應(yīng)次數(shù)諧波有效值；IN為額定電流。

對于斷路器的三相，分別計(jì)算其總的諧波畸變率：

上式能夠體現(xiàn)出斷路器動作執(zhí)行的不對稱性以及合閘投切的動態(tài)過程。

基于對于時域和頻域特征的分析研究，將二者有機(jī)綜合能夠深化對于斷路器分合閘電流特征描述，通過分合閘時間、暫態(tài)電流峰值等時域特征描述分合閘過程的特性，通過諧波極限值和總諧波畸變率等頻域特征參數(shù)描述分合閘暫態(tài)電流的差異，由此作為故障診斷的依據(jù)。

2 斷路器故障診斷策略

在斷路器執(zhí)行分合閘動作時，采用錄波儀完成波形實(shí)時采集與監(jiān)測，并完成分析，及時發(fā)現(xiàn)斷路器非正常狀態(tài)，即刻進(jìn)行故障預(yù)警，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段。

傅里葉變換是一種應(yīng)用最為普遍的時域頻域分析方法，在數(shù)字信號處理領(lǐng)域采用的是離散傅里葉變換，完成數(shù)字信號的頻域離散化處理，得到時域數(shù)字信號在頻域上的特征，即不同頻率的幅值分布。

2.1 分段隨機(jī)傅里葉原理

分段隨機(jī)傅里葉就是在采樣間隔內(nèi)進(jìn)行“隨機(jī)分析”，即將信號分段處理后，并不是在每一段的起點(diǎn)進(jìn)行傅里葉分析，而是在間隔中的隨機(jī)位置進(jìn)行傅里葉分析，這樣能夠保證整個數(shù)據(jù)段傅里葉分析的完整性，避免在進(jìn)行頻譜分析時分段間隔與連續(xù)波形周期的同步性。

分段隨機(jī)傅里葉的實(shí)現(xiàn)步驟：

1）將需要進(jìn)行分析的信號進(jìn)行N段等分，計(jì)算每一個分段內(nèi)的點(diǎn)數(shù)（如果在分段時無法進(jìn)行整除，則通過在分段前補(bǔ)零解決）；

2）在每一個數(shù)據(jù)分段中隨機(jī)選取一個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為傅里葉分析的起點(diǎn)（要明確每一個分段內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)量，避免傅里葉分析末端的點(diǎn)數(shù)過長，從而超過分段長度）；

3）對每一個數(shù)據(jù)段進(jìn)行傅里葉分析后將得到的頻譜結(jié)果疊加處理，得到被分析信號的完整頻譜；

4）頻率分析與中心頻率預(yù)測：實(shí)現(xiàn)分析信號的頻域變換，先進(jìn)行功率頻譜的平滑處理，以方便頻率分析。假設(shè)S(k) 為平滑處理后的頻譜，再從中提取出幅值的極限值S(k0)，再找出超過半峰值的譜線，則得到3dB 的帶寬。假設(shè)k為S(k) 中全部大于S(k0)/2 的譜線序號的集合，則計(jì)算出被分析信號的帶寬預(yù)測值為：

中心頻率的預(yù)測值為：

式中，Δf為頻率分辨率，能夠描述頻率分析的細(xì)化程度；函數(shù)arg{S(k)＞0.5S(k0)}為S(k)中全部大于S(k0)/2 的譜線序號的集合。

2.2 合閘電流高頻分量判據(jù)

在斷路器執(zhí)行合閘動作時，基于分段隨機(jī)傅里葉分析方法，得到合閘電阻的作用時間，通過頻譜分析結(jié)果作為診斷依據(jù)，從而完成合閘電阻的作用時間的量化處理，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)診斷：

1）當(dāng)合閘電阻的作用時間處于0～8ms 之間時，則認(rèn)為斷路器處于非正常工作狀態(tài)；

2）當(dāng)合閘電阻的作用時間處于8～12ms 之間時，則認(rèn)為斷路器處于正常工作狀態(tài)；

3）當(dāng)合閘電阻的作用時間大于12ms 時，則認(rèn)為斷路器處于非正常工作狀態(tài)。

當(dāng)斷路器進(jìn)執(zhí)行合閘動作時，通過提前配置好的錄波儀記錄斷路器合閘瞬間暫態(tài)電流波形，如圖1所示。

圖1 合閘暫態(tài)電流波形

為了進(jìn)行便捷的分析，完成電壓信號和電流信號的標(biāo)幺化處理，在如圖1 所示曲線中，0 描述斷路器呈現(xiàn)分閘狀態(tài)，1 描述斷路器呈現(xiàn)合閘狀態(tài)。三相中合閘電流相差比較顯著，A 相合閘暫態(tài)電流最小，C 相合閘暫態(tài)電流最大。

對電流進(jìn)行傅里葉頻譜分析，則得到每一相電流的頻譜情況，如圖2 所示。

圖2 相電流頻譜分析結(jié)果

根據(jù)圖2 的頻譜分析結(jié)果可知，A 相中電流的高次諧波含量最低，B 相中電流的高次諧波含量居中，C 相中電流的高次諧波含量最低，說明斷路器的C 相處于不正常狀態(tài)，與圖1 時域分析的結(jié)果是相對應(yīng)的，如果規(guī)定時間內(nèi)高次諧波含量的占比超過閾值，則認(rèn)為斷路器處于不正常狀態(tài)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出故障診斷策略的有效性，以某市高壓換流站的斷路器為例進(jìn)行功能驗(yàn)證，展開分析。

在斷路器故障實(shí)時診斷系統(tǒng)中，合閘電流有效判據(jù)采用本文所提出的基于分段隨機(jī)傅里葉的頻域分析方法，設(shè)定電流采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)為1000，采樣持續(xù)時間為20ms。在正常情況下斷路器合閘電阻的動作時間為8～12ms。當(dāng)合閘進(jìn)行過程中，合閘電阻自主切除時，合閘暫態(tài)電流會出現(xiàn)顯著的變化。因此，通過觀察故障時刻附近的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)，確定斷路器合閘時暫態(tài)電流最大值所對應(yīng)的采樣點(diǎn)。合閘暫態(tài)電流抑制時間為最大采樣點(diǎn)時刻與合閘時間之間的差值。對故障時的波形展開深入分析，故障診斷結(jié)果為：

1）A 相合閘暫態(tài)電流的抑制時間為11.7ms；

2）B 相合閘暫態(tài)電流的抑制時間為8.7ms；

3）C 相合閘暫態(tài)電流的抑制時間為0ms；

4）C 相合閘暫態(tài)電流與A 相和B 相合閘暫態(tài)電流，合閘暫態(tài)電流波動劇烈，且電流諧波含量較高，合閘電阻沒有發(fā)揮對合閘暫態(tài)電流的抑制作用，C 相斷路器處于異常狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于傅里葉分析的斷路器故障診斷策略，在傳統(tǒng)傅里葉分析方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)時域分析方法和傳統(tǒng)傅里葉分析方法所存在的弊端，得到的電流傅里葉頻譜數(shù)據(jù)能夠正確反映出斷路器的工作狀態(tài)，進(jìn)行故障的準(zhǔn)確、高效定位，大大提高了直流輸電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，具有一定的工程應(yīng)用價值，可以進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。