南方電網(wǎng)臨滄供電局 陸佳其 張云 羅明 張國林

在斷路器分、合閘操作時，為對其產(chǎn)生的振動信號進行測量，選擇搭建振動信號檢測系統(tǒng)實驗平臺實現(xiàn)測量。其檢測系統(tǒng)要求不僅能測量在分、合閘操作時產(chǎn)生的振動信號，并且另一方面還能對其操作進行控制，從而達到檢測目的[1]。振動信號檢測系統(tǒng)通常由主機、控制電路、斷路器和傳感器以及振動監(jiān)測儀等五個主要部分組成。

1 振動信號檢測裝置

1.1 斷路器的選擇

開斷元件是執(zhí)行元件，主要起到閉合、切斷電流的作用。其執(zhí)行閉合、切斷動作的能量來源則為操動機構(gòu)，并具有不可替代的重要作用，根據(jù)能量來源的不同可將其分為彈簧式和電磁式兩大類。對比這兩種操動系統(tǒng)，電磁操動機構(gòu)不僅對電源要求較高，并一直存在合閘速度慢的問題。相對來說彈簧操動機構(gòu)并不存在這兩個問題，因此在眾多科學研究中被廣泛應用，其操作方式分為手動和電動兩種。對于彈簧操動系統(tǒng)來說，彈簧作為執(zhí)行分、合閘操作的能量來源，是其最為主要的部件之一[2]。

少油斷路器優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單且價格便宜，但檢修頻繁，且在檢修時需進行解體操作，不僅操作過程繁瑣且檢修成本耗費巨大。除此之外，因滅弧介質(zhì)和觸頭間的絕緣介質(zhì)都是油，因此發(fā)生火災的風險系數(shù)較高，安全性較差[3]。

SF6斷路器具有較強的滅弧性能，優(yōu)點是能連續(xù)多次進行分合閘操作且噪聲小。SF6氣體不可燃，不具有發(fā)生火災的風險。SF6氣體作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，為保證其密封性不發(fā)生泄露，對制造工藝及材料的要求更為嚴格，受此因素的限制，在實際的生產(chǎn)應用中并不廣泛[4]。

相對于上述兩類斷路器真空斷路器各方面優(yōu)勢明顯，基本上結(jié)合了少油斷路器結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜與SF6斷路器連續(xù)多次進行分合閘操作且噪聲小的共同優(yōu)勢。除此之外也并不存在這兩種斷路器的缺點，其檢修便捷極大的節(jié)省了檢修成本和精力，此外滅弧和絕緣介質(zhì)均為高真空，因此相對來說更為穩(wěn)定且不懼火災風險。由于真空斷路器在各方面的眾多優(yōu)勢，因此生產(chǎn)實際中得到了廣泛應用。本文采用ZW51-12型真空斷路器進行振動信號檢測系統(tǒng)的搭建（表1）。

表1 ZW51-12型真空斷路器參數(shù)表

1.2 傳感器的選擇

振動信號檢測系統(tǒng)核心在于對信號的采集。信號的采集需要借助于傳感器，因此影響檢測系統(tǒng)的測量精度的一個重要因素就是傳感器的性能高低。一般來說，在檢測系統(tǒng)的搭建中，為保障其具有較高的測量精度，當信號類型發(fā)生變化時，相應的也需要改選傳感器的類型。就速度傳感器而言，因其具有輸出阻抗低且靈敏度較高的優(yōu)勢被廣泛應用于生產(chǎn)實際中。但由于其傳感器頻帶寬度較窄，通常頻率不超過1kHz，而斷路器的振動信號頻帶寬度較大，最高頻率甚至可達數(shù)千Hz，因此速度傳感器在使用條件上具有很大的限制，當頻帶寬度不符合條件則無法有效完成信號的提取[5]。

對比于速度傳感器，壓電式傳感器不僅具有較寬的頻帶寬度且自重較小，所以在信號的測量上被越來越廣泛使用。壓電式傳感器工作的原理是利用壓電效應，當斷路器振動時，壓電晶體在一定方向上會受到力的作用，且與振動的劇烈程度之間成正比關(guān)系。壓電晶體在力的作用下會發(fā)生形變，從而內(nèi)部會發(fā)生極化現(xiàn)象，同時表面還會出現(xiàn)兩種極性不同的電荷；當振動停止時力的作用消失，壓電晶體表面的電荷相應消失，從而恢復到開始時不帶電狀態(tài)。信號的大小可通過對引出線上的電荷進行測量及處理后得到。本文搭建的振動信號檢測系統(tǒng)選用YD-1型壓電式加速度傳感器（表2）。

1.3 安裝方式的選擇

當斷路器振動時，其加速度頻率能夠高達數(shù)千赫茲，當電力系統(tǒng)電壓等級較低和較高時，振動加速度的瞬時幅值分別能夠達到數(shù)百和數(shù)千。由于振動加速度的幅值和頻帶寬度與傳感器的安裝方式和位置有關(guān)，其安裝方式和位置的不同會在一定程度上對幅值和頻帶寬度產(chǎn)生影響，通常在生產(chǎn)實際中將略低于出廠設(shè)置中的理想值。

在對比分析幾種主要的傳感器的安裝方式時通常要考慮以下問題：此位置下的振動幅度是否在其承受范圍內(nèi)；傳感器是否會因分、合閘次數(shù)的增加發(fā)生位置的偏移情況；安裝和拆卸是否會影響傳感器和斷路器狀況。

一般來說，傳感器主要的固定方式可分為手持探針式、永磁體吸附式、粘合式和螺栓固定式以及粘合與螺栓固定結(jié)合式等五大類。手持探針式具有操作便捷的顯著優(yōu)點，通常應用于對大工作量的多個位置的測量，然而其測量結(jié)果不夠精確，且無法采集頻率高于10000Hz的振動信號；永磁體吸附式優(yōu)勢在于穩(wěn)固性好不會產(chǎn)生滑動，還能將傳感器與斷路器進行絕緣。缺點為待測信號的頻率會有一定程度上的損失；粘合式的顯著優(yōu)勢在于頻率響應好，但并不適用于長期頻繁使用且清潔困難；螺栓固定式的靈敏度與頻率響應均較高，但需要在斷路器表面打孔，不僅破壞其結(jié)構(gòu)且會或多或少的影響其振動，削減使用年限。目前粘合與螺栓固定結(jié)合式的使用最為普遍。

1.4 振動監(jiān)測儀的選擇

振動監(jiān)測儀，通常用于對機械振動的振動加速度等參數(shù)進行測量，能夠在變壓器、斷路器和GIS設(shè)備等環(huán)境中穩(wěn)定運行，其優(yōu)點在于不僅操作簡單方便攜帶，且具有很高的靈敏度，對振動信號因設(shè)備缺陷、零部件松動等故障造成的變化，能夠靈敏反映。本文在搭建振動信號檢測系統(tǒng)時采用的振動監(jiān)測儀型號為ES-HEVM。

2 系統(tǒng)總體方案

在對斷路器進行分、合閘操作時，首先需要進行儲能操作，通過電機對合閘彈簧完成儲能后，彈簧操動機構(gòu)維持在儲能狀態(tài)；其次，在執(zhí)行合閘操作后，合閘彈簧儲存的能量被全部釋放出來，其中一小部分被用于保證操作的順利進行，剩余大部分能量被用于分閘彈簧儲能操作，以此保證在合閘操作執(zhí)行完后能順利執(zhí)行下一步分閘操作。之后，當合閘彈簧釋放能量完成后，再一次進行合閘彈簧儲能操作；最后，當彈簧操作機構(gòu)執(zhí)行分閘操作時，分閘彈簧將儲存的能量全部釋放，當執(zhí)行完后便恢復到初始儲能狀態(tài)。

已知測量結(jié)果會受傳感器安裝位置的影響，通過對比其測量結(jié)果并進行數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，安裝位置與測量效果之間的關(guān)系為越靠近動力源效果越好。因此，相比于其他安裝位置，選擇為彈簧操動機構(gòu)的支架時，數(shù)據(jù)的保真度更高效果更好。本文亦是將其選擇為最佳安裝位置（圖1）。

圖4 振動信號檢測系統(tǒng)實物圖

在測量斷路器振動信號之前，首先需要人為進行故障設(shè)置，將其分別設(shè)置為鐵芯卡澀、緩沖器無效超程及絕緣拉桿松動等三種故障；之后分別在上述三種故障和正常狀態(tài)下對斷路器進行合閘操作，分別采集100組動作時的振動信號，在振動監(jiān)測儀將其放大后，傳輸至主機；最后對其去噪、特征提取及故障診斷。