趙洋

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院, 廣東 東莞 523808)

綜述

高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

趙洋

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院, 廣東 東莞 523808)

介紹了高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本內(nèi)容，闡述了現(xiàn)有各種在線監(jiān)測(cè)的具體方法，詳細(xì)分析了各種振動(dòng)信號(hào)分析方法及其適用范圍，展望了高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

高壓真空斷路器； 機(jī)械特性； 在線監(jiān)測(cè)； 信號(hào)分析

0 引言

高壓斷路器是指應(yīng)用于電力系統(tǒng)中3 kV及以上的斷路器，是電力線路中重要的控制和保護(hù)電器。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可開(kāi)斷、關(guān)合及承載運(yùn)行線路的正常電流；當(dāng)設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速切除過(guò)載或短路電流，保證無(wú)故障部分正常運(yùn)行[1]。高壓斷路器運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[2-3]。

高壓斷路器按照滅弧原理進(jìn)行分類，有油斷路器、壓縮空氣斷路器、SF6斷路器、真空斷路器、磁吹斷路器等。目前應(yīng)用最多的為真空斷路器和SF6斷路器[1]。

高壓真空斷路器的硬件主要包括真空滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架等。其中操動(dòng)機(jī)構(gòu)是保證高壓真空斷路器長(zhǎng)期動(dòng)作可靠性的重要部件。據(jù)CIGRE(國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議)先后多次對(duì)高壓斷路器故障類型的調(diào)查顯示，80%故障屬機(jī)械故障[3-4]。因而，對(duì)高壓真空斷路器機(jī)械特性進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)判，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)高壓真空斷路器的狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支撐，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)是指實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)斷路器在實(shí)際帶電運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械性能參數(shù)的變化信息，并對(duì)信息進(jìn)行記錄的一種技術(shù)手段。為實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的狀態(tài)檢修，還需要采取合理的方法對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)斷路器當(dāng)前工作狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷[5]?；诖吮尘埃疚膶?duì)高壓真空斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了綜述，特別對(duì)基于振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)分析方法進(jìn)行了詳細(xì)討論，最后對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)容

高壓真空斷路器是依靠其機(jī)械部件的正確動(dòng)作來(lái)完成控制和保護(hù)功能的，因而保障每個(gè)機(jī)械組成部件的可靠性是保證斷路器整體工作可靠性的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)這一目的，一方面可以從系統(tǒng)構(gòu)成的角度選擇可靠性高、機(jī)械壽命長(zhǎng)的組件；另一方面可以采用先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)可靠性的準(zhǔn)確判斷，并基于判斷結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的狀態(tài)檢修[6]。從實(shí)際應(yīng)用的角度而言，后者具有更重要的工程價(jià)值。

高壓真空斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。在線監(jiān)測(cè)的功能主要包括原始信號(hào)采集和信號(hào)特征提取。在此基礎(chǔ)上可以采用故障分類和估計(jì)算法進(jìn)行故障診斷。因此，在線監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)，故障診斷是在線監(jiān)測(cè)的目的。

在原始信號(hào)采集方面，目前國(guó)內(nèi)外研究人員主要注意力集中于以下幾種類型的信號(hào)采集[7]：

(1) 采集監(jiān)測(cè)高壓真空斷路器分、合閘線圈電流的波形。

(2) 采集監(jiān)測(cè)高壓真空斷路器分、合閘操作時(shí)動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間特性曲線。

(3) 采集監(jiān)測(cè)高壓真空斷路器分、合閘操作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。

在信號(hào)特征提取方面，由于所采集的斷路器原始信號(hào)本質(zhì)上都是時(shí)域內(nèi)的時(shí)間序列，因此，針對(duì)時(shí)間信號(hào)的處理方法大多可以應(yīng)用到斷路器信號(hào)特征提取方面。比如，對(duì)原始時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，可以提取出具有明確物理意義的時(shí)間信息、頻率信息及時(shí)間與頻率的綜合信息等特征參量。實(shí)際應(yīng)用中還通常將不同的數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合做出綜合分析結(jié)果[8]。

2 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的具體方法

2.1 分、合閘線圈電流監(jiān)測(cè)

高壓真空斷路器一般都以電磁鐵作為操作的第1級(jí)控制元件，操動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的絕大部分是直流電磁鐵。當(dāng)線圈中通過(guò)電流時(shí)，動(dòng)鐵芯受磁力吸引，使斷路器分閘或合閘。分、合閘線圈的電流波形可以描述斷路器的分、合閘時(shí)間、鐵芯行程和鐵芯卡滯等狀態(tài)信息，并作為診斷機(jī)械故障的依據(jù)之一[9]。電流信號(hào)監(jiān)測(cè)通常選用霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅骶雀?，線性度好，動(dòng)態(tài)性能和電氣性能也較好，而且體積小，易于現(xiàn)場(chǎng)安裝，不會(huì)對(duì)斷路器主系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。

2.2 動(dòng)觸頭行程-時(shí)間特性曲線監(jiān)測(cè)

高壓真空斷路器分、合閘動(dòng)作時(shí)動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間特性是計(jì)算分、合閘速度的依據(jù)，也是表征其機(jī)械特性和分?jǐn)嚯娐纺芰Φ闹匾獏?shù)。

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)動(dòng)觸頭行程-時(shí)間特性的測(cè)量，最重要的是動(dòng)觸頭在各個(gè)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)位置的檢測(cè)。其測(cè)量的基本要求是在不改動(dòng)斷路器主體結(jié)構(gòu)及帶電運(yùn)行的條件下，既不能影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)原有的機(jī)械特性和絕緣特性，又要真實(shí)地反映動(dòng)觸頭行程隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。此外，傳感器還要便于安裝，能適用于多種操動(dòng)機(jī)構(gòu)，即適應(yīng)性要強(qiáng)。這就對(duì)檢測(cè)裝置的體積和質(zhì)量均提出了要求，并且傳感器還要求具備較高的靈敏度和線性度。

目前，監(jiān)測(cè)高壓真空斷路器行程-時(shí)間特性所采用的傳感器主要有以下幾種：

(1) 光電傳感器。常用的光電傳感器主要有增量式和絕對(duì)式光電編碼器、直線光柵尺等，并通過(guò)與測(cè)量電路相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其原理主要是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量。其中，旋轉(zhuǎn)光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成，適合監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)角度；光柵尺與光電編碼器檢測(cè)原理相似，主要應(yīng)用于直線位移測(cè)量。

光電傳感器具有體積小、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是與之相配的測(cè)量電路較為復(fù)雜，該方案整體的成本也較高。

(2) 差動(dòng)變壓器式位移傳感器。差動(dòng)變壓器式位移傳感器是一種應(yīng)用廣泛的感應(yīng)式位移傳感器，其原邊有一個(gè)繞組，副邊由2個(gè)按差動(dòng)方式聯(lián)接的繞組構(gòu)成一個(gè)開(kāi)口變壓器。變壓器開(kāi)口處有一個(gè)可以在軸向自由移動(dòng)的活動(dòng)鐵芯，該鐵芯產(chǎn)生位移時(shí)改變了空間的磁場(chǎng)分布，從而改變了變壓器原邊和副邊之間的互感量，當(dāng)供給原邊繞組一定頻率的交變電壓時(shí)，副邊繞組就產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，隨著鐵芯運(yùn)動(dòng)位置的不同，副邊繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同，即將鐵芯的位移量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出。其電壓值與鐵芯位移量在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

實(shí)際使用時(shí)，把差動(dòng)變壓器的殼體與斷路器的靜止部件固定在一起，把和動(dòng)鐵芯連接的測(cè)量桿與集斷路器的動(dòng)觸頭為一體的絕緣拉桿相連接。當(dāng)斷路器進(jìn)行分、合閘操作時(shí)，通過(guò)絕緣拉桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)傳感器的鐵芯相對(duì)于線圈進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣就可以測(cè)得動(dòng)觸頭的相對(duì)位移量。

差動(dòng)變壓器式位移傳感器具有線性度好、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其體積相對(duì)較大，對(duì)于內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)比較緊湊的斷路器而言，此種類型的傳感器的安裝會(huì)有一定困難。

(3) 電阻式位移傳感器。電阻式位移傳感器的基本測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量流過(guò)電阻的電流或電阻兩端電壓的變化來(lái)判斷斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。電阻傳感器又有直線位移傳感器和角位移傳感器2種。其中，直線型位移傳感器屬直接測(cè)量，但其體積相對(duì)較大，有時(shí)會(huì)受到安裝空間和安裝位置的限制。角位移傳感器體積較小，安裝使用都較為方便。但是其測(cè)量屬于間接方式，需要測(cè)量主軸的角位移曲線，然后利用動(dòng)觸頭的行程與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)間接獲得動(dòng)觸頭的直線位移曲線[10]。

有文獻(xiàn)針對(duì)同時(shí)使用直線位移傳感器和角位移傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主軸角位移和動(dòng)觸頭直線位移具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此利用角位移傳感器也能獲得較高的測(cè)量精度[10]。電阻式位移傳感器具有精度高、壽命長(zhǎng)和線性度好等優(yōu)點(diǎn)。特別對(duì)于角位移型傳感器，其體積較小，可有效克服安裝空間的限制。此外，與此種傳感器相配合的測(cè)量電路也較為簡(jiǎn)單，方案綜合實(shí)現(xiàn)成本也較低。因此該測(cè)量方式具有更好的實(shí)用性。

2.3 振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)

高壓真空斷路器的振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)信息非常豐富的載體，它蘊(yùn)含大量的設(shè)備狀態(tài)信息。對(duì)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域的響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，可揭示振動(dòng)過(guò)程中的每個(gè)振動(dòng)事件與斷路器主要機(jī)械構(gòu)成部件間運(yùn)動(dòng)沖擊的對(duì)應(yīng)關(guān)系。斷路器在正常分、合閘操作過(guò)程中，其各個(gè)振動(dòng)事件出現(xiàn)的順序是不變的。因此，可以通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征提取，識(shí)別振動(dòng)事件，從而為故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。

振動(dòng)信號(hào)一般通過(guò)加速度傳感器進(jìn)行采集。常用的加速度傳感器主要有壓電式加速度傳感器和磁阻式加速度傳感器。

壓電式加速度傳感器的基本工作原理是利用壓電晶體的正壓電效應(yīng)，即某些晶體(如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等)在一定方向的外力作用下或承受變形時(shí)，它的晶體面或極化面上將有電荷產(chǎn)生。這種加速度傳感器在實(shí)際應(yīng)用中受環(huán)境溫度和安裝場(chǎng)合的影響較大，故在斷路器振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的應(yīng)用中受到限制。

與壓電式加速度傳感器相比，磁阻式加速度傳感器的分辨率和靈敏度更高，頻率響應(yīng)更寬，并且對(duì)環(huán)境的要求更低。磁阻式加速度傳感器的基本工作原理是當(dāng)振動(dòng)體在傳感器敏感的測(cè)量方向上振動(dòng)時(shí)，傳感器的敏感元件產(chǎn)生相應(yīng)的強(qiáng)制振動(dòng)。振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)使磁敏元件產(chǎn)生電阻變化，導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化。經(jīng)采樣電路進(jìn)行測(cè)量放大處理后，輸出與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)相似的(頻率和幅度大小)電壓變化信號(hào)。

3 振動(dòng)信號(hào)的分析方法

由于斷路器在分、合閘操作過(guò)程中，其內(nèi)部激勵(lì)源的多樣性，振動(dòng)信號(hào)的表現(xiàn)形式也相當(dāng)復(fù)雜。因此，采用合理有效的技術(shù)手段對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行深入分析是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

有文獻(xiàn)指出，斷路器的振動(dòng)信號(hào)主要具有以下特點(diǎn)[11]：

(1) 斷路器的分、合閘操作屬非周期性的一次動(dòng)作，相應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，即振動(dòng)加速度幅值很大，比較容易檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)。

(2) 振動(dòng)信號(hào)是一種非平穩(wěn)瞬變信號(hào)，采用何種方法并獲得可行的分析結(jié)果具有較大難度。

(3) 斷路器的振動(dòng)是由其構(gòu)件之間的碰撞沖擊或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)突變引起的，在斷路器一次正常的分、合閘操作過(guò)程中，有一系列保持固定時(shí)序的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的啟動(dòng)、制動(dòng)和撞擊來(lái)形成一個(gè)個(gè)沖擊。因此，正常狀態(tài)下斷路器的振動(dòng)響應(yīng)曲線是相似的。

基于斷路器振動(dòng)信號(hào)的上述特點(diǎn)，目前對(duì)斷路器振動(dòng)信號(hào)的分析主要是從時(shí)域和頻域2個(gè)方面來(lái)提取特征量。

3.1 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析

振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析是指在時(shí)間域內(nèi)提取振動(dòng)信號(hào)的特征量。時(shí)域分析主要是對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形特征進(jìn)行提取，主要包括基本數(shù)字特征和概率分布特征兩方面。具體特征值主要有峰值、峰峰值、均值、均方值和方差等。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于時(shí)域信號(hào)特征量的分散度較大，且重復(fù)性也較差，故時(shí)域指標(biāo)僅作為一種輔助的分析指標(biāo)。

3.2 振動(dòng)信號(hào)的頻域分析

振動(dòng)信號(hào)的頻域分析主要是基于傅里葉變換將原始信號(hào)分解為有限或無(wú)限個(gè)頻譜分量來(lái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行分析。但是傅里葉變化屬于一種全局的變換方法，它雖然能將信號(hào)的時(shí)域和頻域的特征聯(lián)系起來(lái)，但只能分別從時(shí)域和頻域進(jìn)行觀察，而不能將兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，這使得傅里葉分析方法主要適用于平穩(wěn)信號(hào)的分析，而對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)則不能充分描述。由于斷路器的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)屬典型帶有噪聲的非平穩(wěn)信號(hào)，所以，傅里葉分析的缺陷也限制了它在斷路器振動(dòng)信號(hào)分析中的應(yīng)用。

3.3 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分析

由以上分析可知，單純使用時(shí)域或頻域分析方法都不能很好地提取振動(dòng)信號(hào)的特征，故目前普遍采用時(shí)頻分析的方法來(lái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。

3.3.1 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換是一種用于分析非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻分析方法,也被稱為加窗傅里葉分析，其基本原理是把信號(hào)劃分成許多小的時(shí)間間隔，并假定在短的時(shí)間窗內(nèi)的非平穩(wěn)信號(hào)是平穩(wěn)(偽平穩(wěn))的，然后再對(duì)窗內(nèi)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。通過(guò)分析每一個(gè)時(shí)間窗內(nèi)存在的頻率，并將所有時(shí)間窗的分析結(jié)果進(jìn)行匯總，即可獲知頻率在總體時(shí)間上的變化情況。因此，該分析方法同時(shí)提供了振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域和頻域的局部信息。

雖然短時(shí)傅里葉變換相對(duì)于傅里葉變換而言具有一定的局部分析能力，但是短時(shí)傅里葉變換使用的是一個(gè)固定的短時(shí)窗函數(shù)，而實(shí)際中振動(dòng)信號(hào)的高頻信號(hào)一般持續(xù)時(shí)間很短，低頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，采用短時(shí)傅里葉變換分析高壓真空斷路器振動(dòng)信號(hào)的結(jié)果準(zhǔn)確性較差。

3.3.2 小波分析

小波分析以不同的分辨率來(lái)觀察信號(hào)，將信號(hào)分解到不同的頻帶中，既可以看到信號(hào)的全貌，又可以分析信號(hào)的細(xì)節(jié)。它具有多分辨分析能力，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，而在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率[8]，這使得它能有效地區(qū)分振動(dòng)信號(hào)中的突變部分和噪聲。

以上優(yōu)點(diǎn)使得小波分析(包括由小波分析延伸出來(lái)的小波包分析[12])成為現(xiàn)今在斷路器振動(dòng)信號(hào)分析領(lǐng)域中最常被采用的分析方法。但是小波分析的難點(diǎn)在于如何選擇母小波。采用不同的母小波分析出來(lái)的結(jié)果會(huì)有差異。如果母小波選擇不當(dāng)，分析效果也會(huì)受到影響。實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合比較不同母小波對(duì)斷路器振動(dòng)信號(hào)的分析結(jié)果來(lái)選定母小波的形式。

除以上幾種振動(dòng)信號(hào)的分析方法外，還有學(xué)者提出功率譜分析方法[13]、信號(hào)能量包絡(luò)分析[12]、希爾伯特-黃變換等[14-15]方法，但目前多為理論研究，實(shí)際應(yīng)用仍需進(jìn)一步的深入研究和實(shí)踐檢驗(yàn)。

4 高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

除前述傳感器選型和信號(hào)分析技術(shù)之外，高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)還需要其他硬件和軟件技術(shù)的支持。

4.1 基于嵌入式的下位機(jī)系統(tǒng)

如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取斷路器在分、合閘操作過(guò)程中的電流、行程和振動(dòng)信號(hào)是保證特征提取和故障分析結(jié)果準(zhǔn)確性的前提和關(guān)鍵。目前，多采用基于嵌入式系統(tǒng)的解決方案實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的采集，主要包括DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)和ARM等[7, 16-17]。其中，DSP除可完成數(shù)據(jù)采集功能外，還具備強(qiáng)大的信號(hào)分析處理能力，因此，可以將特征提取和故障診斷算法移植到下位機(jī)實(shí)現(xiàn)，這是目前比較受歡迎的一種解決方案。

4.2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、電子儀器技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器形式，它通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來(lái)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、分析處理能力、性價(jià)比及更新速度等方面都具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)?；谔摂M儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)也是一種比較流行的解決方案。

虛擬儀器由硬件和軟件2個(gè)部分組成。硬件部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能，軟件部分是虛擬儀器的核心，用戶根據(jù)自己的需求來(lái)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件，主要完成數(shù)據(jù)分析和在線顯示等功能。目前，最常見(jiàn)的解決方案是利用嵌入式解決方案開(kāi)發(fā)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通過(guò)虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)信號(hào)分析系統(tǒng)。其中，最常用的上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件是LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，且人機(jī)交互能力強(qiáng)，界面友好。此外，也可基于VB、VC等其他高級(jí)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在電氣控制領(lǐng)域中的不斷滲透及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也需要具有網(wǎng)絡(luò)通信功能。其中，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[16]和無(wú)線通信技術(shù)的斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線是將現(xiàn)場(chǎng)控制單元和現(xiàn)場(chǎng)底層的數(shù)據(jù)采集單元互聯(lián)的實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)較多，其中CAN總線因其具有成本低、總線利用率極高、數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性高和可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)應(yīng)用較多。一種應(yīng)用于高壓真空斷路器在線監(jiān)測(cè)的典型解決方案是下位機(jī)由嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，完成數(shù)據(jù)采集功能，然后通過(guò)CAN總線和上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過(guò)人機(jī)界面將分析結(jié)果顯示出來(lái)。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其傳輸可靠性和傳輸速率高的特點(diǎn)也受到研究人員的重視，并已將其應(yīng)用到斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[16]。此外，無(wú)線通信技術(shù)也為斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其他設(shè)備的通信提供了一種解決方案。

4.4 電磁兼容技術(shù)

高壓真空斷路器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，其附近的配電線會(huì)耦合進(jìn)電力系統(tǒng)的電磁干擾。因此，高壓真空斷路器在線監(jiān)測(cè)下位機(jī)系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境較為惡劣，為了其工作的可靠性和穩(wěn)定性，必須采用一些抗干擾措施，以具備較好的電磁兼容能力。目前，最常用的抗干擾措施主要有以下幾種。

(1) 電源濾波。利用電感、電容等儲(chǔ)能器件組成濾波器來(lái)對(duì)電源進(jìn)行濾波，以抑制來(lái)自電源線的干擾。

(2) 接地。接地既是一種保護(hù)設(shè)備和人身安全的重要措施，即安全接地；也是一種抑制電磁干擾、提高設(shè)備工作可靠性的技術(shù)手段，即信號(hào)接地和屏蔽接地。其中，信號(hào)接地主要通過(guò)采用低阻抗的導(dǎo)線與基準(zhǔn)導(dǎo)體相連，從而為各種電路提供具有共同參考電位的信號(hào)返回電路，使流經(jīng)該地線的各電路信號(hào)電流互不影響；屏蔽接地主要是為電纜、變壓器等屏蔽層提供接地，從而抑制電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾。

(3) 屏蔽。屏蔽是利用屏蔽體(具有特定性能的各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料)，以切斷通過(guò)空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，阻止或衰減電磁干擾能量的傳輸。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般要結(jié)合使用以上幾種抗干擾技術(shù)，才能達(dá)到較好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

高壓真空斷路器作為一種控制和保護(hù)電器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。其機(jī)械特性是影響工作可靠性的關(guān)鍵因素，因此，采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)斷路器的機(jī)械特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)潛在故障進(jìn)行預(yù)判，對(duì)于實(shí)現(xiàn)斷路器的狀態(tài)檢修和提高其安全可靠性具有重要的意義。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀的分析可知，雖然在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)分析領(lǐng)域已經(jīng)存在一些積極有益的成果可借鑒，但仍有一些尚需深入研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

(1) 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通用性和集成性的提高。當(dāng)前高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)均需與高壓真空斷路器具體的類型相匹配，而實(shí)際應(yīng)用中，高壓真空斷路器的電壓等級(jí)和工作原理差異較大，因而在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，如何使系統(tǒng)具有更好的通用性以適應(yīng)不同類型斷路器的需要是一個(gè)需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。此外，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需具備一定的可擴(kuò)展能力和更高的集成性，以提升整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(2) 故障診斷方法的深入研究。高壓真空斷路器是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電氣設(shè)備，其分、合閘過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)包含著斷路器內(nèi)部豐富的狀態(tài)信息，任何一個(gè)機(jī)械構(gòu)件的狀態(tài)變化都會(huì)改變振動(dòng)信號(hào)的信息內(nèi)容。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員針對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特征提取研究多處于實(shí)驗(yàn)和仿真階段，尚需大量的數(shù)據(jù)和實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。因此，基于振動(dòng)信號(hào)的高壓真空斷路器故障診斷仍是未來(lái)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。此外，借助智能優(yōu)化算法[18]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19- 20]、支持向量機(jī)[21]、數(shù)據(jù)融合[22]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓真空斷路器故障診斷的智能化也將是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

(3) 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品化進(jìn)程的加快。目前，高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)和上位機(jī)組合構(gòu)成的綜合管理系統(tǒng)的解決方案、上位機(jī)和下位機(jī)的功能分割和實(shí)現(xiàn)技術(shù)已基本成熟，但是相關(guān)研究的產(chǎn)品化進(jìn)程相對(duì)滯后。因此，在進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能的同時(shí)，制定相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和加快技術(shù)成果轉(zhuǎn)化對(duì)推廣和促進(jìn)高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Research status and expectation of on-line monitoring technologies of mechanical characteristics of high-voltage vacuum circuit breaker

ZHAO Yang

(College of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

Basic contents of on-line monitoring technologies of mechanical characteristics of high-voltage vacuum circuit breaker were introduced, and various kinds of methods of on-line monitoring were reviewed. Various analysis methods and application ranges of vibration signal were analyzed in details. The development tendency of on-line monitoring technologies of mechanical characteristics of high-voltage vacuum circuit breaker was expected.

high-voltage vacuum circuit breaker; mechanical characteristics; on-line monitoring; signal analysis

2016-06-27；

2016-09-12；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

趙洋(1981-)，男，山西太原人，副教授，博士，研究方向?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)建模與仿真、新能源發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用等,E-mail：simonzhaoyang@163.com。

1671-251X(2016)12-0019-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.005

TD611

A

時(shí)間：2016-12-01 09:57

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.0957.004.html

趙洋.高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：19-24.