刑 鋒，鐘 聲，梁勝樂，楊 杰，豆龍江，萬書亭，李少鵬

(1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南 ?？?570000；2.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸變電檢修分公司，海南 ?？?570000；3.華北電力大學(xué) 河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引 言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中起控制和保護(hù)作用的重要設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。由于設(shè)計(jì)、制造等方面的原因，高壓斷路器在運(yùn)行中難免會(huì)發(fā)生故障。其中，在所有類型的故障中，機(jī)械故障的占比最大。因此，對(duì)高壓斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性的研究應(yīng)該得到充分重視。

對(duì)于高壓斷路器的故障診斷研究，很多學(xué)者著重于對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，試圖通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行研究分析來發(fā)現(xiàn)高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)[1-13]。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于融合粒子群的模糊核聚類和支持向量機(jī)的故障診斷方法。文獻(xiàn)[15]使用基于免疫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線自學(xué)習(xí)的分類器對(duì)斷路器的機(jī)械故障進(jìn)行識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠在空間上跟蹤斷路器機(jī)械狀態(tài)的變化。文獻(xiàn)[16]采用因子分析優(yōu)化特征參數(shù)，對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行降維處理，然后通過基于粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)對(duì)高壓斷路器的不同運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類，最后得到了較好的分類效果。文獻(xiàn)[17]將小波包與特征熵結(jié)合，提出了一種新的高壓斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)故障診斷方法。文獻(xiàn)[18]提出應(yīng)用EMD能量熵對(duì)高壓斷路器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠識(shí)別高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)。

然而，高壓斷路器的振動(dòng)信號(hào)僅僅是斷路器發(fā)生故障時(shí)的一種外部表現(xiàn)，無法反映高壓斷路器的故障原因和故障過程。一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)高壓斷路器進(jìn)行機(jī)理分析[19，20]。文獻(xiàn)[21]采用多體動(dòng)力學(xué)對(duì)真空斷路器進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)閂鎖運(yùn)動(dòng)會(huì)影響斷路器的分閘時(shí)間。文獻(xiàn)[22]提出了一種高壓斷路器仿真方法，以獲得斷路器操作機(jī)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)。文獻(xiàn)[23]采用ADAMS建立了考慮到間隙接頭和部件的柔性的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的平面剛性柔性耦合模型。文獻(xiàn)[24]采用ADAMS建立了三級(jí)閂鎖操作機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)進(jìn)行分析，對(duì)斷路器的性能進(jìn)行了優(yōu)化改善。

高壓斷路器的故障診斷已逐漸成為近年來的研究熱點(diǎn)，研究的關(guān)鍵在于如何提取有效的特征參數(shù)。大部分學(xué)者試圖從斷路器的振動(dòng)信號(hào)中提取特征參數(shù)，但由于斷路器本身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、不同位置的振動(dòng)信號(hào)差異較大。因此，從斷路器的振動(dòng)信號(hào)中提取出有效的特征參數(shù)較為困難，且物理意義模糊。行程是指動(dòng)觸頭在合閘和分閘過程中平行移動(dòng)的距離，行程曲線能夠切實(shí)反映斷路器的特性變化。因此，本文試圖從斷路器的行程曲線中提出特征參數(shù)。

1 高壓斷路器動(dòng)力學(xué)建模

1.1 高壓斷路器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文以一臺(tái)35 kV戶外SF6高壓斷路器為研究對(duì)象。高壓斷路器由導(dǎo)流部分、絕緣部分、滅弧部分和操動(dòng)部分等組成。導(dǎo)流部分能夠傳導(dǎo)或切斷線路中的電流，操動(dòng)部分為高壓斷路器的分合閘提供動(dòng)力，將能量傳遞到動(dòng)觸頭，并保持在各自的位置處。

如圖1所示，本文研究的彈簧操作機(jī)構(gòu)為CT14彈簧操作機(jī)構(gòu)。彈簧操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程包括合閘過程與分閘過程。

圖1 彈簧操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spring operating mechanism

在合閘過程中，彈簧操作機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)，合閘彈簧儲(chǔ)存能量，合閘信號(hào)傳遞到合閘電磁鐵，驅(qū)動(dòng)電磁鐵傳動(dòng)鏈的鐵芯撞擊定位部件，定位部件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并釋放儲(chǔ)存的能量。凸輪和儲(chǔ)能軸在合閘彈簧力的作用下作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。凸輪接觸并擠壓輥?zhàn)?，使連接板向下移動(dòng)推動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿向上移動(dòng)，最終完成了整個(gè)合閘操作。與此同時(shí)，分閘彈簧為分閘過程完成儲(chǔ)能，電機(jī)給合閘彈簧重新通電。在分閘過程中，分閘彈簧已儲(chǔ)滿能，當(dāng)分閘信號(hào)傳遞到分閘電磁鐵，驅(qū)動(dòng)電磁鐵的鐵芯使脫扣軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。扇形板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由連接板組成的四桿機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)。傳動(dòng)桿在分閘彈簧力的作用下向下移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸在傳動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通過其他傳動(dòng)部件，傳動(dòng)桿使斷路器動(dòng)觸頭與靜觸頭迅速分離，完成分閘操作。

1.2 多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真

雖然在ADAMS中可以直接構(gòu)建幾何模型，但ADAMS在三維建模方面的功能不如其他專業(yè)軟件。所以，本文使用Pro/E軟件來構(gòu)建斷路器的幾何模型。首先，建立凸輪、連桿、輸出軸和斷路器操作機(jī)構(gòu)其他零件的幾何模型；然后，將上述零件進(jìn)行裝配組成裝配體，得到斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)的三維模型。

為了將Pro/E文件導(dǎo)入ADAMS，需要將Pro/E文件導(dǎo)出為.x t格式的文件，再將該文件導(dǎo)入ADAMS。在使用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真前，需要對(duì)ADAMS進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。首先，定義工作環(huán)境、單位、坐標(biāo)、重力等參數(shù)；然后，定義模型零件的材料屬性，并根據(jù)彈簧操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況添加約束；最終，定義彈簧力、驅(qū)動(dòng)力和阻尼力等參數(shù)。得到的彈簧操作機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。在仿真過程中，設(shè)置斷路器的合閘時(shí)間為120 ms，步長為500。通過動(dòng)力學(xué)仿真，最終得到高壓斷路器的行程曲線。

圖2 多體動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Multibody dynamic model

2 高壓斷路器特性參數(shù)及試驗(yàn)研究

2.1 高壓斷路器特性參數(shù)

高壓斷路器特性參數(shù)是斷路器重要的性能參數(shù)指標(biāo)，合閘過程中特性參數(shù)包括合閘時(shí)間、合閘不同期、最大行程時(shí)間等參數(shù)。圖3是斷路器合閘過程觸頭位移和線圈電流的時(shí)間曲線。

圖3 斷路器合閘過程Fig.3 The closing process of circuit breaker

結(jié)合圖3，重要的斷路器的時(shí)間特性參數(shù)的定義如下：

合閘開始時(shí)間t1：從合閘回路開始有電流到動(dòng)觸頭位移開始變化的時(shí)間間隔。

合閘時(shí)間t2：從合閘回路開始有電流到所有觸頭都接觸為止的時(shí)間間隔。

峰值時(shí)間t3：從合閘回路開始有電流到動(dòng)觸頭到達(dá)最大位移的時(shí)間間隔。

合閘反彈觸底時(shí)間t4：從合閘回路開始有電流到動(dòng)觸頭到達(dá)最大位移后反彈觸底的時(shí)間間隔。

高壓斷路器時(shí)間特性參數(shù)與其機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程息息相關(guān)，直接體現(xiàn)了斷路器機(jī)械性能的優(yōu)劣。

2.2 高壓斷路器實(shí)驗(yàn)

本文采用石家莊漢迪電子有限公司生產(chǎn)的GKC433F高壓斷路器動(dòng)特性分析儀采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將斷路器分合閘線圈連接到動(dòng)特性分析儀對(duì)應(yīng)的接口。對(duì)于不同類型的斷路器，通常使用直線位移傳感器或角位移傳感器來測(cè)量行程。由于角位移傳感器適用于本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，所以本文采用角位移傳感器測(cè)量高壓斷路器的行程曲線。將角位移傳感器安裝在軸上測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成電阻的變化，依據(jù)電阻和行程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可換算得到斷路器的行程曲線，如圖5所示。

圖4 高壓斷路器實(shí)驗(yàn)Fig.4 High voltage circuit breaker experiment

圖5 角度傳感器Fig.5 Angle sensor

在斷路器空載狀態(tài)下，對(duì)高壓斷路器的三種故障狀態(tài)進(jìn)行了模擬。如圖6所示，模擬故障分別為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障、合閘彈簧力減小和緩沖彈簧失效，各故障的模擬方法如下。調(diào)整傳動(dòng)桿的長度以模擬傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障；松動(dòng)合閘彈簧的緊固螺絲以模擬合閘彈簧力減??；摘除緩沖彈簧以模擬緩沖彈簧失效。將高壓斷路器測(cè)試儀與斷路器連接，控制斷路器的開斷，采集高壓斷路器在正常狀態(tài)及三種模擬故障狀態(tài)下的行程曲線。

圖6 故障模擬Fig.6 Failure simulation

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比分析

3.1 合閘彈簧力減小

對(duì)合閘彈簧力減小故障進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。合閘彈簧力的減小是由合閘彈簧的疲勞和失效引起的。隨著斷路器操作次數(shù)的增加，合閘彈簧的疲勞和失效是不可避免的。在仿真中，通過調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)置參數(shù)逐漸降低合閘彈簧力，從而模擬正常狀態(tài)、輕微故障和嚴(yán)重故障下的行程變化，仿真結(jié)果如圖7(a)所示。在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整合閘彈簧緊固螺絲以改變合閘彈簧預(yù)緊力，并測(cè)量動(dòng)觸頭在三種狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示。

圖7 合閘彈簧力減小仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Simulation and experimental result of reduction of closing spring force

從圖7(a)可以看出，隨著合閘彈簧力的減小，合閘時(shí)間和峰值時(shí)間逐漸增大，最大行程逐漸減小。

從圖7(b)可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合，同樣的，合閘時(shí)間和峰值時(shí)間逐漸增大，最大行程逐漸減小。行程曲線的變化與仿真分析一致，實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了仿真分析的正確性。

3.2 緩沖彈簧失效

對(duì)緩沖彈簧失效故障進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。緩沖彈簧安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的末端，能夠吸收合閘過程中產(chǎn)生的能量并減少動(dòng)觸頭的跳動(dòng)。在仿真中，通過改變接觸阻尼以模擬緩沖彈簧故障。仿真分析結(jié)果如圖8(a)所示。在實(shí)驗(yàn)中，通過摘除緩沖彈簧以模擬緩沖彈簧故障，故障的嚴(yán)重程度由緩沖彈簧的摘除數(shù)量控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(b)所示。

圖8 緩沖彈簧失效仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Buffer spring failure simulation and experimental result

從圖8(a)可以看出，隨著緩沖彈簧失效的嚴(yán)重程度增加，斷路器的合閘時(shí)間沒有改變，但動(dòng)觸頭的跳動(dòng)狀況逐漸劇烈，這是因?yàn)樵诤祥l過程后期緩沖彈簧沒有提供足夠的緩沖力，導(dǎo)致峰值時(shí)間和最大行程逐漸增大。

從圖8(b)可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析相同。卸去的緩沖彈簧數(shù)量越多，動(dòng)觸頭的跳動(dòng)狀況越劇烈。從實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的曲線分析發(fā)現(xiàn)，隨故障程度的加深，高壓斷路器合閘時(shí)間不變，但其峰值時(shí)間和最大行程逐漸增大，與仿真分析結(jié)果相一致。

3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障

對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將彈簧操作機(jī)構(gòu)所儲(chǔ)存的能量傳遞到滅弧室。在仿真和實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于正常狀態(tài)、輕微故障、嚴(yán)重故障三種狀態(tài)下動(dòng)觸頭的行程進(jìn)行了仿真和測(cè)量。通過調(diào)整傳動(dòng)桿的長度以模擬器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障，故障的嚴(yán)重程度由調(diào)整長度控制。仿真分析結(jié)果如圖9(a)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9(b)所示。

圖9 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Actuator failure simulation and experimental result

從圖9(a)可以看出，高壓斷路器的合閘時(shí)間和動(dòng)觸頭的跳動(dòng)都有不同程度的變化。隨著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障程度的加深，高壓斷路器的合閘時(shí)間和峰值時(shí)間逐漸減小，動(dòng)觸頭的跳動(dòng)狀況越來越劇烈，最大行程逐漸增大。

從圖9(b)可以看出，高壓斷路器合閘時(shí)間和動(dòng)觸頭跳動(dòng)狀況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢(shì)相同。隨傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障程度的加深，高壓斷路器的合閘時(shí)間和峰值時(shí)間逐漸減小，最大行程逐漸增大，與仿真分析結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了仿真分析的有效性。

4 基于行程曲線的高壓斷路器故障診斷

從上述三種故障可以看出，高壓斷路器的行程曲線在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)之間存在明顯差異，在不同故障之間也存在差異。根據(jù)高壓斷路器行程曲線的變化來識(shí)別高壓斷路器的故障類型，基于此，提出了一種特征參數(shù)提取方法實(shí)現(xiàn)高壓斷路器故障診斷。

如圖10所示，根據(jù)行程曲線的變化過程，高壓斷路器合閘過程可分為兩個(gè)階段。階段1從動(dòng)觸頭開始運(yùn)動(dòng)到動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到最大行程結(jié)束，該階段彈簧操作機(jī)構(gòu)主要承受的作用力有合閘彈簧力、分閘彈簧力、緩沖力和摩擦力。階段2從動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到最大行程到動(dòng)觸頭反彈觸底時(shí)結(jié)束，該階段彈簧操作機(jī)構(gòu)主要受分閘彈簧力、緩沖力和摩擦力的影響。

圖10 斷路器的合閘過程Fig.10 The closing process of the circuit breaker

可利用各個(gè)階段行程差和時(shí)間差絕對(duì)值作為特征參數(shù)，由于合閘過程分為兩個(gè)階段，可提取出4個(gè)特征參數(shù)，其中：Δs1代表動(dòng)觸頭從靜止到動(dòng)觸頭到達(dá)最大位移的位移差；Δs2代表動(dòng)觸頭從到達(dá)最大位移處與反彈觸底位移差；Δt1代表斷路器合閘過程中從凸輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻到動(dòng)觸頭到達(dá)最大位移時(shí)刻的時(shí)間差；Δt2代表斷路器合閘過程中從動(dòng)觸頭到達(dá)最大位移時(shí)刻與反彈觸底時(shí)刻的時(shí)間差；各特征參數(shù)具體公式如下。

Δs1=|s1-0|=|s1|

(1)

Δt1=|t3-t2|

(2)

Δs2=|s2-s1|

(3)

Δt2=|t4-t3|

(4)

所提特征參數(shù)物理意義清晰，可準(zhǔn)確反映高壓斷路器性能變化。根據(jù)不同狀態(tài)下的行程曲線，提取上述特征參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 行程曲線特征參數(shù)分析結(jié)果Tab.1 Analysis result of characteristic parameters of travel curve

從表1可以看出，通過行程曲線中所提取特征參數(shù)，能夠監(jiān)控高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)并識(shí)別高壓斷路器的故障類型。在合閘彈簧故障下，由于儲(chǔ)存能量的減小，導(dǎo)致隨著故障程度的加深，Δt1逐漸增大，Δs1逐漸減?。辉诰彌_彈簧故障下，由于吸收能量的減少，導(dǎo)致隨著故障程度的加深，Δt1逐漸增大，Δs1逐漸增大；在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障下，由于傳動(dòng)鏈尺寸的變化，導(dǎo)致隨著故障程度的加深，Δt1逐漸減小，Δs2逐漸增大。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下的特征參數(shù)有顯著不同，據(jù)此可以準(zhǔn)確識(shí)別高壓斷路器的故障類型。

5 結(jié) 論

本文采用ADAMS仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，探索了高壓斷路器典型故障下仿真參數(shù)設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)?zāi)M方式，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下高壓斷路器的合閘時(shí)間和動(dòng)觸頭的跳動(dòng)狀況有顯著變化。通過本文研究，得出以下結(jié)論：

(1)探索了高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)典型故障仿真方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠快速有效地獲得典型故障下高壓斷路器的動(dòng)態(tài)特性；

(2)通過模擬仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，研究得出了高壓斷路器典型故障下行程曲線的變化規(guī)律；

(3)提出了以行程差和時(shí)間差的絕對(duì)值作為特征參數(shù)，能夠?qū)π谐糖€的變化進(jìn)行較好地定量描述，該特征參數(shù)可以為高壓斷路器的故障診斷和識(shí)別提供參考；

(4)對(duì)高壓斷路器的故障模擬提供了一種實(shí)用的解決方案，所提出的模擬方法可以擴(kuò)展到其他類型的高壓斷路器中。