嚴會君+黃煜銘+張雄偉

摘要：斷路器作為電力系統(tǒng)最重要的設備之一，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性至關重要。不同于定期巡檢和故障維修，狀態(tài)檢修具備的主動性和預見性更適合智能電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟性的要求。本文對斷路器的在線監(jiān)測與故障診斷技術的內(nèi)容和方法作了綜述。

Abstract： Circuit Breaker （CB） is one of the most important devices in power system. Its running status is crucial to the power system reliability. Rather than traditional maintenance strategies such as regular inspection and troubleshooting， condition monitoring suits the requirement of intelligent grid better because of its initiative and predictability. This article gives a review on the online monitoring and fault diagnosis technology for circuit breaker.

關鍵詞：斷路器；狀態(tài)檢測；在線監(jiān)測；故障診斷

Key words： circuit breaker；condition monitoring；online monitoring；fault diagnosis

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0226-04

0 引言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于人們的生產(chǎn)生活至關重要，斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的保護和控制設備，承擔著關合、開斷電力線路、線路故障保護、監(jiān)測運行電量數(shù)據(jù)等的重要作用。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，斷路器能夠將故障部分迅速從電網(wǎng)中隔離出去，斷路器的故障將帶來線路和設備受損甚至可能影響到居民生活和社會生產(chǎn)，因此，斷路器的狀態(tài)好壞直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性，斷路器的運行維護是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提和基礎。由于斷路器的壽命一般為20-40年，一些部件會隨著使用時間的增加而不斷老化，因此及時對其進行維護和檢修是十分必要的。

當前電力設備的維護方式主要有定期檢修、故障維修以及狀態(tài)檢修三種。定期檢修就是根據(jù)預先規(guī)定的時間周期對設備進行檢修，故障維修是在故障發(fā)生后才對設備進行修理，這兩種方式作為目前最常用的檢修方式，存在著針對性較差、效率低下、維護成本較大的問題。為了提高設備運行可靠性及運維效率，狀態(tài)檢修開始得到了關注。

狀態(tài)檢修是基于設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的檢修方式，它能夠根據(jù)先進的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術提供的設備狀態(tài)信息，判斷設備的異常，預知設備的故障，并做出針對性的檢修計劃。對斷路器的重要參數(shù)進行長期連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測，不僅能夠及時判斷出故障的位置和嚴重程度，而且可以對故障設備進行原因診斷。這不僅對于提高設備的利用率、降低維修費用、增大設備的維護保養(yǎng)周期十分有效，而且可以提高電力系統(tǒng)的堅強性、可靠性及自動化程度。作為主動性和預見性的檢修方式，狀態(tài)檢修更能適應現(xiàn)代智能電網(wǎng)對于安全性和經(jīng)濟性的要求，真正做到防患于未然。斷路器的在線檢測及故障診斷已經(jīng)成為電力行業(yè)的熱點問題并受到國內(nèi)外研究機構的持續(xù)關注。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

斷路器一般包括操動機構、開斷元件、絕緣支柱、基座、二次回路和中間傳動機構等等。斷路器的故障即為某部分元件喪失其規(guī)定動作的現(xiàn)象。國內(nèi)外的故障統(tǒng)計顯示，斷路器常見的故障表現(xiàn)見表1。

這些故障不單會造成斷路器功能的缺失，甚至會危害電力系統(tǒng)的整體安全，因此，進行有效的在線監(jiān)測和故障診斷至關重要。

1.1 狀態(tài)監(jiān)測

對斷路器的狀態(tài)監(jiān)測最早是通過離線的方式進行，這種測試方法主要對斷路器的分合機械參數(shù)進行測試。國外在上世紀90年代就有這樣的斷路器試驗設備，代表廠商如德國WEIS公司和美國Doble公司等等都有相關產(chǎn)品，國內(nèi)如國電南瑞、華天電力后來也有類似的產(chǎn)品。但是這種機械特性測試儀只適合進行出廠檢測和故障檢修，無法滿足狀態(tài)監(jiān)測的要求，因此，對斷路器檢測進行智能化改造成為了新的研究熱點。國外在這一領域的研究起步較早，Goto K. 等人在1989年就提出了針對氣體絕緣斷路器（GIS）的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，并在斷路器動作時間、氣體壓力、局部放電、液壓系統(tǒng)等多方面進行了監(jiān)測[1]；McllroyC等人利用錄波設備和接口組件實現(xiàn)了對分合閘線圈電壓、電流和觸點位移的監(jiān)測[2]；美國德州農(nóng)工（Texas A&M）大學采用專家系統(tǒng)對斷路器進行狀態(tài)分析，監(jiān)測對象包括分合閘線圈電流、相電流、觸頭接觸信號等等[3]；Dupraz JP等人開發(fā)了對六氟化硫氣體，操動機構和斷路器機械特性的在線監(jiān)測系統(tǒng)[4]；Knezev M等人開發(fā)的系統(tǒng)主要對斷路器控制線圈電流及主回路電流進行監(jiān)測，并對信號處理和專家系統(tǒng)方面進行了研究[5]。

國內(nèi)對斷路器在線監(jiān)測技術的研究工作開始于上世紀90年代，清華大學最早對該領域進行了研究實踐：單片機作為核心芯片被用來控制整個開關柜智能化狀態(tài)檢測裝置，并初步探索了斷路器振動信號在監(jiān)測和故障診斷方面的應用[6-7]；華中科技大學的張永偉等人開發(fā)了基于CPLD+CPU結構的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集結構[8]；重慶大學的熊小伏等人利用網(wǎng)絡服務器開發(fā)了分布式機械特性監(jiān)測系統(tǒng)[9]；此外，包括西安交通大學、北京航空航天大學、大連理工大學在內(nèi)的多家研究單位在斷路器在線監(jiān)測與故障診斷方面都有持續(xù)的研究[10-12]。

目前市場上已有的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品一般是利用微處理器對斷路器設備參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，核心控制芯片包括ARM、FPGA、DSP等多種方式，并且逐漸向更高級的芯片和多核系統(tǒng)發(fā)展。

在線監(jiān)測對象的選擇是進行有效故障診斷的前提和基礎，隨著數(shù)據(jù)采集技術的發(fā)展和完善，監(jiān)測對象也從最初的簡單機械參數(shù)向復雜參數(shù)發(fā)展。目前常見的監(jiān)測對象包括：①分、合閘線圈電流；②儲能電機電流；③振動信號；④位移信號；⑤斷路器觸頭溫度；⑥環(huán)境溫濕度；⑦主回路電壓、電流；⑧局部放電；⑨真空斷路器的真空度；⑩微水（氣體絕緣全封閉組合電器GIS）；？輥？輯？訛氣體密度；？輥？輰？訛斷路器運行狀態(tài)、接地狀態(tài)、儲能狀態(tài)等等，這些監(jiān)測對象能夠從不同角度反應斷路器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)手段也各不相同，以下為幾種典型信號的具體監(jiān)測方法。

①分合閘電流信號。

作為高壓真空斷路器中的重要元件，電磁鐵利用線圈中所通電流產(chǎn)生的磁通對斷路器的操動機構進行控制來實現(xiàn)分閘和合閘動作。斷路器的分、合閘電流波形包含了斷路器在此過程中的工作狀態(tài)信息，通過監(jiān)測分合閘電流能夠判斷出多種斷路器控制回路的故障類型如線圈鐵芯卡澀、電源電壓過低、鐵芯空行程過長等操動機構故障。同時，線圈電流易于采集的特點使其十分適于對斷路器進行故障診斷。實際應用中分合閘線圈電流信息可以通過霍爾電流傳感器采集，典型的斷路器合閘電流波形如圖1所示。

從圖1可以看出，鐵心的運動主要分為五個階段，分別對應圖1電流曲線的5個區(qū)間：①t0-t1，接通電源，電流持續(xù)增大，鐵心準備運動；②t1-t2，鐵心開始運動，電流逐漸減小；③t2-t3，電流明顯增大，鐵心停止運動；④t3-t4， 延續(xù)階段3，電流趨于穩(wěn)定；⑤t4-t5，輔助開關斷開，觸頭產(chǎn)生電弧，電弧被拉長且電壓升高，電流迅速下降至0。由此劃分出的電流特征量I1，I2，I3和時間特征量t1，t2，t3，t4，t5可作為故障分析診斷的特征量。

②儲能電機電流信號。

儲能彈簧是斷路器彈簧操動機構中最核心的部分，一般采用電流傳感器測量儲能電機的電流信號來間接監(jiān)測儲能彈簧的工作狀態(tài)。典型的斷路器儲能電機電流波形如圖2所示，從圖中可以看出，儲能電機電流的變化共分為4個階段：①t0-t1，接通電源，電流迅速增大，儲能電機到t1時刻開始平穩(wěn)工作；②t1-t2，儲能電機穩(wěn)定工作，電流大小基本不變；③t2-t4，儲能彈簧隨著電流的增大進行儲能；④t4-t5，輔助開關斷開，電流減小至0。各個階段的電流典型值Ia，Im，Ip和時間典型值t1，t2，t3，t4，t5能夠反映斷路器的運行特性，如Ia能夠反映電機轉子的狀態(tài)，Im能夠反映彈簧的狀態(tài)等等。因此，通過對這些特征電流及時間的監(jiān)測，可以判定儲能彈簧是否存在松動、電機轉子有無卡澀等故障現(xiàn)象。

③位移信號。

斷路器的觸頭位移信號是表征斷路器機械特性最為重要的監(jiān)測信號之一，它反映了斷路器動觸頭在分合閘過程中的動作信息。對位移信號的分析和處理可以用于計算斷路器的分合閘速度、時間和行程等參數(shù)。典型的斷路器觸頭位移-時間曲線如圖3所示。

斷路器的觸頭位移-時間曲線包含了很多重要的機械參數(shù)如合閘時間、合閘不同期、分閘時間、分閘不同期、超程、開距等等，這些參數(shù)可以通過對時間特征量t1，t2，t3，t4，t5，t6和位移特征量S1、S2的監(jiān)測計算得到。

④振動信號。

振動信號由斷路器中的運動部件產(chǎn)生，部件的啟動、制動和撞擊行為都能夠產(chǎn)生一定的振動信號，因此它能夠反映斷路器運動過程中許多重要的狀態(tài)信息。很多機械故障如觸頭磨損、螺絲松動等都能夠通過監(jiān)測振動信號來及時發(fā)現(xiàn)?；谄涮卣髅黠@的性質，振動信號在機械故障診斷中被廣泛應用。但是由于受到噪聲和隨機振動的影響，斷路器的振動信號的分析處理比較困難。實際應用中振動信號一般由壓電式加速度傳感器進行采集。

⑤觸頭溫度信號。

斷路器的觸頭溫度反映了電路故障中是否有過載、短路等異常的電流，當設備的接觸連接部位或隔離觸頭等位置由于種種原因電阻明顯增大時，熱損耗將會造成絕緣擊穿或件損壞等嚴重的事故，因此，及時監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)觸頭溫度的異常變化是保證斷路器安全穩(wěn)定工作的一個重要方面。常用的溫度監(jiān)測方法有紅外溫度傳感器、紅外測溫儀、熱電偶間接測溫等等，將測量溫度與斷路器觸頭等部分的允許溫升極限相比較分析便可實現(xiàn)對溫度信號的診斷。

1.2 故障診斷

斷路器的故障診斷就是對斷路器運行參數(shù)的監(jiān)測、分析處理和診斷，它能夠分析故障的成因并預測其劣化趨勢，并提供針對性的檢修計劃，是斷路器狀態(tài)監(jiān)測的最終目標。故障診斷對于提高斷路器運行的可靠性具有重要的意義，也是提高斷路器工作效率以及運維效率的重要手段，是近年來研究的熱點。常見的故障診斷方法總結見表2。

20世紀80年代開始，故障診斷技術引起了越來越多國家的重視，隨著傳感器技術、信息技術等的持續(xù)發(fā)展，多種智能診斷系統(tǒng)被相繼開發(fā)應用，故障診斷技術日漸成熟。將計算機引入故障診斷方法之后，人工智能技術和專家系統(tǒng)、粗糙集理論、模糊數(shù)學、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等等繼續(xù)在實際工程中開始被采用并取得了很好的發(fā)展?；谥按罅康难芯炕A，很多發(fā)達國家已經(jīng)開始廣泛應用智能故障診斷技術。

國內(nèi)在斷路器故障診斷方面技術的發(fā)展雖然也取得了一些進步，但完善的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)大多數(shù)還處于實驗室研究階段，其市場化應用仍需要進一步開發(fā)。

斷路器的故障診斷通常包括以下幾個步驟：

①信號采集：信號采集即采集斷路器運行的特征信號，由于信號的變化是斷路器工作狀態(tài)的直接顯示，因此，信號采集是斷路器評估及故障診斷的基礎。

②信號處理：信號處理是從采集到的信號中提取特征量的過程，其目的是消除信號噪聲以提取到精確的信號。

③狀態(tài)識別：狀態(tài)識別是根據(jù)特征量和其他診斷信息來識別檢測斷路器的工作狀態(tài)的過程，其原理是將提取到的特征信號與標稱信號進行比對。

④故障診斷：當斷路器處于故障狀態(tài)時，故障診斷能夠給出診斷對象故障的具體位置、原因及維修措施。

設備故障診斷技術經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的物理化學診斷、征兆診斷、閾值診斷等等方式到人工智能診斷技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷方法有著診斷快速、操作簡單的優(yōu)勢，然而其只對部分故障類型行之有效，且可信度往往與操作人員的經(jīng)驗相關，復雜的故障問題以及大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理則更需要應用智能診斷技術，其對提高診斷準確率及診斷效率都具有明顯優(yōu)勢。

斷路器實現(xiàn)智能診斷的算法包括三大類型[12]：基于解析模型的算法、基于信號處理的方法以及基于知識的方法?；诮馕瞿Ｐ偷乃惴ㄊ峭ㄟ^對診斷對象進行較為準確的數(shù)學模型仿真，將采集信號與標稱值進行比較從而得出系統(tǒng)故障是否存在及嚴重程度。其又可以分為狀態(tài)估計診斷法、一致性檢驗診斷法和參數(shù)估計診斷法，一致性檢驗診斷法通過建立斷路器正常情況下的數(shù)學模型并將其與故障模型進行對比來確定故障類型，在實際中應用較多。Demjanenko V等人利用振動信號的一致性對比對斷路器進行故障診斷[13]；Michael S. 等人利用計算機輔助診斷的概念，將模擬故障信息存入數(shù)據(jù)庫，并與采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行比較以檢測故障[14]；基于信號處理的方法通過對數(shù)據(jù)進行特征值提取來進行故障診斷，實際應用中，多元統(tǒng)計方法、時域頻域分析方法等都得了較多應用，文獻[15]利用主元分析的方法對原始數(shù)據(jù)進行降維處理，既提高了診斷效率也確保了診斷精度；基于知識的方法作為斷路器故障診斷的主要研究方向，主要涵蓋了邏輯推理、機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊理論等多種人工智能算法，已經(jīng)得到了越來越多的研究機構的關注。這種方法通過模擬大腦的思維方式來進行故障診斷，能夠對大量監(jiān)測信息進行快速且精確地分析和診斷，是未來智能診斷的主要發(fā)展方向。

2 總結與展望

對斷路器設備采用狀態(tài)檢測的方式是必然的發(fā)展趨勢，這種方式不僅解決了傳統(tǒng)定期檢修和事后故障維修針對性差、效率低的弊端，而且滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對于智能化的要求。目前斷路器的在線監(jiān)測技術在分合閘電流、儲能電機電流信號、觸頭位移-時間信號等等參數(shù)方面都有了成熟的應用，故障診斷技術也從傳統(tǒng)的診斷方式逐漸向智能診斷方式過渡，隨著人工智能算法的發(fā)展，故障診斷技術將適用于更多復雜參數(shù)的監(jiān)測并進一步提高故障診斷的可靠性。

斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷技術在具體應用中仍存在一些問題：

①在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)仍需進一步完善。為了提高故障診斷過程的精確性，監(jiān)測設備需要增加監(jiān)測的參數(shù)而非采用單一的監(jiān)測參數(shù)。

②部分監(jiān)測對象還未實現(xiàn)精確有效測量，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳感器仍需進一步提高精確度，這對于故障診斷的精確性提高至關重要。

③雖然人工智能算法用于故障診斷已經(jīng)有了大量的研究，但是較為可靠地可市場化的智能診斷算法仍在探索中。

雖然斷路器檢測從定期檢修到狀態(tài)檢修的完全過渡仍未完全實現(xiàn)，但是相信隨著傳感器、人工智能等技術的進一步發(fā)展，斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷技術也必將更加成熟和穩(wěn)定，為智能電網(wǎng)的可靠運行提供更優(yōu)質的保障。

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