田振宇

變電站用高壓斷路器電氣故障診斷

田振宇

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，日常生活和生產(chǎn)中對(duì)電力供應(yīng)方面提出了更高的要求，這就要求電力供應(yīng)更加的穩(wěn)定和高效。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要、最復(fù)雜的電氣設(shè)備之一，它對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起重要作用。因此，加強(qiáng)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的故障診斷，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文介紹了高壓斷路器電氣故障的診斷方法的研究，通過(guò)小波變換原理分析，說(shuō)明了小波變換在高壓斷路器故障診斷中的應(yīng)用。利用最大斜率法計(jì)算開(kāi)斷電流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器電壽命的預(yù)測(cè)。

電力系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行是非常重要的，為了能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就必須對(duì)設(shè)備的質(zhì)量和技術(shù)加強(qiáng)要求，提高標(biāo)準(zhǔn)。而設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候是不可能不出現(xiàn)問(wèn)題的，由于各種因素的影響比如元件老化、環(huán)境惡劣等，造成設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候出現(xiàn)各種問(wèn)題，這些問(wèn)題可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法使用，還可能引發(fā)重大事故造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高檢修質(zhì)量，加強(qiáng)設(shè)備的管理，在發(fā)生故障時(shí)能夠快速的切除故障就顯得尤為重要。

故障診斷方法

高壓斷路器的觸頭在開(kāi)斷電流時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)生電弧，從而對(duì)斷路器觸頭有電磨損，觸頭的電磨損是斷路器電壽命的主要的參數(shù)，傳統(tǒng)意義上說(shuō)電磨損包括滅弧室、滅弧介質(zhì)以及滅弧觸頭的磨損量，我們?cè)趯?shí)際現(xiàn)場(chǎng)所說(shuō)的是指斷路器的電磨損指的是斷路器滅弧觸頭的一個(gè)磨損量。當(dāng)斷路器在開(kāi)斷故障電流時(shí)，這時(shí)的短路電流非常的大，所以電弧產(chǎn)生的熱量非常的高，所以就會(huì)使觸頭及噴口燒損，這樣就會(huì)嚴(yán)重的影響斷路器的開(kāi)斷性能。

過(guò)去的觸頭電壽命的評(píng)估主要是依據(jù)開(kāi)斷電流的大小和次數(shù)來(lái)進(jìn)行衡量的，目前我們對(duì)斷路器觸頭壽命的監(jiān)控主要還是用開(kāi)斷電流加權(quán)累積法進(jìn)行評(píng)估，這種方法簡(jiǎn)單易行操作起來(lái)也很簡(jiǎn)單，所以被廣泛應(yīng)用，但是這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是它監(jiān)測(cè)的誤差比較大。

現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展快速發(fā)展，故障診斷技術(shù)也是今非昔比、發(fā)展迅速，在國(guó)際上，一些在診斷技術(shù)上的權(quán)威有這樣的觀點(diǎn)：故障診斷技術(shù)一共分為兩個(gè)大類，他們是有模型的和無(wú)模型的故障診斷技術(shù)，無(wú)模型的診斷技術(shù)又分為兩個(gè)方法：信號(hào)處理的方法診斷技術(shù)和基于知識(shí)的方法診斷技術(shù)。

高壓斷路器電壽命的分析

高壓斷路器的電壽命受到影響的因素很多，其中的重要因素包括：開(kāi)關(guān)觸頭電磨損，它對(duì)高壓開(kāi)關(guān)觸頭一般是采用以記錄累計(jì)開(kāi)斷電流或開(kāi)斷次數(shù)為根本的。在同樣的外界環(huán)境時(shí)，對(duì)于同一高壓開(kāi)關(guān)第一次開(kāi)斷電流和第二次開(kāi)斷電流相等時(shí)，但是所產(chǎn)生的燒損程度卻可能不一樣。如果燒損量相差的很大，電流的差距也很大時(shí)，就是因?yàn)楦邏洪_(kāi)關(guān)觸頭的燒損機(jī)理不同。電磨損與觸頭分?jǐn)嗨俣冗€有電弧能量等因素有關(guān)，且電磨損與電弧能量是不存在比例系數(shù)的。因此，我們要完成的就是要通過(guò)完成在實(shí)踐中的電壽命概念來(lái)監(jiān)測(cè)高壓開(kāi)關(guān)觸頭電磨損和電壽命。

目前，隨著新技術(shù)的發(fā)展電壽命理論也在不斷完善，加上電腦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)在線監(jiān)測(cè)電磨損已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，高壓開(kāi)關(guān)進(jìn)入狀態(tài)檢修的時(shí)期已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

（1） 基于最大斜率法的開(kāi)斷電流計(jì)算

影響斷路器電壽命和電磨損的主要因素是開(kāi)斷電流，但是，要想準(zhǔn)確的測(cè)量開(kāi)斷電流也存在著很多困難，比如：短路情況下的直流分量和互感器磁飽和現(xiàn)象。所以要克服這些困難，就要找到一種行之有效的方法，我們選擇最大斜率法原理來(lái)計(jì)算開(kāi)斷電流。

式（1）為任意相位處的電流值：

式中，I0為直流分量，為交流分量。

將式（1）求導(dǎo)，可得式（2）：

由（2）知，當(dāng)ωt+θ=2kπ ，電流i的導(dǎo)數(shù)達(dá)到最大，如下（3）：

所以交流電流的有效值為（4）：

ωt+θ=2kπ 是式（4）成立的條件

式（5）和式（6）成立的條件是每周有2n個(gè)采樣點(diǎn)：

則相鄰電流釆樣點(diǎn)的差值為式（7）所示：

分別取k=0和k=n-l代入式（7）中可得式（8）：

上式兩個(gè)電流差值，隨著a的增大而增大 ，所以最大誤差為9.15％。

因此想要誤差小于10％，就要使釆集頻率達(dá)到1KHZ。

通過(guò)對(duì)開(kāi)斷電流的計(jì)算，利用儀器進(jìn)行分析，可以對(duì)變電所各間隔內(nèi)開(kāi)關(guān)的觸頭開(kāi)斷電流的能力進(jìn)行評(píng)估、打分，判斷開(kāi)關(guān)設(shè)備觸頭的完好性。進(jìn)而保證開(kāi)關(guān)設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

（2）高壓斷路器電壽命預(yù)測(cè)原理

剩余電壽命檢測(cè)與預(yù)報(bào)的核心就是對(duì)斷路器觸頭工作的可靠性進(jìn)行一個(gè)檢測(cè)和評(píng)估，并且能夠正確的預(yù)報(bào)斷路器觸頭電壽命，在其電壽命終結(jié)以前。以便能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并通過(guò)更換電氣開(kāi)關(guān)來(lái)保證電力系統(tǒng)的安全可靠地運(yùn)行。

高壓斷路器電磨損的計(jì)算方法各異，本文采用觸頭累計(jì)磨損量法計(jì)算高壓斷路器的電壽命。

預(yù)測(cè)電壽命基本原理就是通過(guò)燃的弧時(shí)間來(lái)計(jì)算每一次開(kāi)斷的電磨損量。

假設(shè)斷路器每開(kāi)斷一次電流，它的電磨損量就是

所以斷路器許可的總的磨損量wg和累計(jì)磨損量W就是

在這個(gè)公式里N表示開(kāi)斷總數(shù)，n表示已經(jīng)開(kāi)斷的次數(shù)。

Qg也就是斷路器許可的電磨損量總和wg同累計(jì)電流加權(quán)算法的許可的電磨損總量存在如下的關(guān)系：

所以K就是累計(jì)電流加權(quán)法的電磨損總和同N次開(kāi)斷試驗(yàn)中電流在燃弧時(shí)間內(nèi)的積分的比值。所以只要通過(guò)計(jì)算燃弧時(shí)間同電流的比值就能得到觸頭的累計(jì)電磨損量。

下面給出少油斷路器和SF6斷路器相對(duì)電磨損量的具體計(jì)算方法。N為高壓斷路器給定的指標(biāo)得到的額定短路開(kāi)斷電流下開(kāi)斷次數(shù)，Im為開(kāi)斷電流，Qm為每次額定短路開(kāi)斷電流開(kāi)斷時(shí)間的相對(duì)磨損。

少油斷路器：

SF6斷路器：

在上述四式中a，b均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。一般可取a=-1.6，b=-1.7。

小波變換在高壓斷路器故障診斷中的應(yīng)用

（1）小波變換理論的提出

高壓斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，每個(gè)變電站都有不同電壓等級(jí)的斷路器，隨著時(shí)間的發(fā)展，斷路器的故障診斷技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，斷路器的日常維護(hù)也需要得到重視，日常維護(hù)是指系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，有一臺(tái)或多臺(tái)開(kāi)關(guān)柜停運(yùn)而進(jìn)行的一種維護(hù)與保養(yǎng)，在安全規(guī)定允許的條件下進(jìn)行的，主要有以下幾方面：斷路器的清潔與保養(yǎng)。柜內(nèi)清潔，可清潔柜內(nèi)積灰。 在聯(lián)鎖、活門(mén)機(jī)構(gòu)適當(dāng)加潤(rùn)滑脂（不干型）。 檢查連接件與傳動(dòng)件的緊固件以及開(kāi)口鎖、卡簧等有無(wú)松動(dòng)脫落現(xiàn)象。所以傅里葉變換在高壓斷路器故障中的應(yīng)用非常的重要，也得到了迅速的發(fā)展。

另外，人們?yōu)榱思涌煊?jì)算時(shí)間和節(jié)省存儲(chǔ)容量，在數(shù)值計(jì)算時(shí)希望把基函數(shù)離散化，在計(jì)算時(shí)無(wú)論如何離散，都不理想達(dá)不到想要的效果，因此給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)了很多的困難。

今天，一直被廣泛使用的分解與重構(gòu)算法是1987年Mallat把多尺度分析思想應(yīng)用到小波分析中的。小波的概念是法國(guó)地球物理學(xué)家J.Morlet在分析地震數(shù)據(jù)時(shí)提出的，1986年，Y.Meyer證明了小波正交系真正存在。分解與重構(gòu)快速算法到現(xiàn)在還在被廣泛使用。

（2）小波變換原理分析

小波變換的這種方法它的主要優(yōu)點(diǎn)就是具有很好的時(shí)頻局部化能力，利用小波對(duì)分合過(guò)程的電流、電壓波形進(jìn)行變換，將信號(hào)分解到不同的頻帶，提取合適的故障特征來(lái)預(yù)測(cè)觸頭的剩余電壽命。

（1）連續(xù)小波變換

假如傅立葉變換滿足式（16）所示：

那么就叫作一個(gè)基本小波也就是小波母函數(shù)。

伸縮平移基本小波，可得到式（17）的函數(shù)

稱為依賴于參數(shù)a、T的小波基函數(shù)，也就是連續(xù)小波基函數(shù)。

函數(shù)f（t）的連續(xù)小波變換，其表達(dá)如式（18）所示：

經(jīng)過(guò)以上的分析我們可以知道為了對(duì)提取信號(hào)函數(shù)的本質(zhì)特征有利就要得到經(jīng)過(guò)小波變換的函數(shù)，小波變換有一些地方是和傅里葉變換不同的，雖然兩個(gè)都是一種積分變換。因?yàn)樾〔ň哂谐叨萢和平移T兩個(gè)參數(shù)。

（2）離散小波變換

為了能夠容易的使電腦對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，在工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際中信號(hào)都是需要經(jīng)過(guò)離散化處理的。

小波基函數(shù)表達(dá)式如式（19）所示：

對(duì)應(yīng)的離散小波變換就是式（20）所示：

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.049