柴斌，史磊，劉志遠(yuǎn)，徐輝

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏銀川 750001）

在直流輸電系統(tǒng)中，由于直流輸電技術(shù)的限制，換流器在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波[1]，并消耗大量無(wú)功，為了不給電網(wǎng)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，各換流站在運(yùn)行時(shí)，會(huì)根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的輸送功率，在交流側(cè)自動(dòng)投入相應(yīng)的交流濾波器組，提供換流器所需的無(wú)功并消除諧波，以提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量[2]。由于直流輸電的靈活性，每天需要調(diào)整多次輸送功率，因此交流濾波器也跟著頻繁投切，使得其斷路器的投切頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于站內(nèi)其他的線路斷路器。這無(wú)疑給交流濾波器組的安全運(yùn)行帶來(lái)了壓力，極大地考驗(yàn)著交流濾波器斷路器的性能[3-5]。

斷路器在線狀態(tài)分析系統(tǒng)的運(yùn)用能及時(shí)了解斷路器的工作狀態(tài)，可減少不必要的停電試驗(yàn)和檢修。目前，國(guó)內(nèi)外有很多針對(duì)斷路器在線狀態(tài)分析的研究，主要分為以下幾類[6]：

1）機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析：通過(guò)增加相關(guān)振動(dòng)傳感器及在線分析系統(tǒng)，對(duì)斷路器本體分合閘時(shí)的機(jī)械振動(dòng)情況進(jìn)行判斷，輸出告警。

2）分合閘線圈電流分析：用于判斷分合閘線圈的異常情況，在分合閘線圈中加入流變、取樣分析電路，得出分合閘線圈的正常與否情況。

3）斷路器行程、速度監(jiān)測(cè)：在斷路器內(nèi)部增加行程傳感器，對(duì)斷路器是否分合閘到位，以及分合閘時(shí)間進(jìn)行綜合判斷，此方法安裝困難，易對(duì)斷路器本體的運(yùn)行產(chǎn)生影響。

4）分合閘同期時(shí)間測(cè)量：針對(duì)斷路器三相的分合閘時(shí)間進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)比較，當(dāng)斷路器某一相或兩相產(chǎn)生故障后，三相的分合閘時(shí)間則會(huì)出現(xiàn)較大差異，從而得出故障情況。

5）合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過(guò)監(jiān)測(cè)彈簧的機(jī)械狀態(tài)，判斷其是否存在勞損、斷裂等情況，該方法僅適用于彈簧機(jī)構(gòu)，并不適用于液壓類機(jī)構(gòu)。

上述在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)比較具有針對(duì)性，主要存在的問(wèn)題是在實(shí)際斷路器本體加裝非原廠出廠的硬件裝置，不具有通用性，實(shí)際產(chǎn)品缺少統(tǒng)一的考核與認(rèn)證，所加裝的裝置不能保證很好的絕緣要求或會(huì)對(duì)斷路器本體的正常運(yùn)行帶來(lái)一定程度的影響[7]。

依據(jù)特高壓換流站內(nèi)已有的故障錄波儀，提取交流濾波器斷路器分合閘電流，文中提出基于分段隨機(jī)FFT 分析分合閘電流頻譜信息，建立故障判據(jù)，在異常擴(kuò)大或造成不良影響之前發(fā)出告警信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)，避免交流濾波器組斷路器故障導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)工作異常。

1 分合閘電流特征分析

交流濾波器斷路器的分合閘電流是反映交流濾波器的物理屬性變化的主要物理量。當(dāng)交流濾波器物理屬性產(chǎn)生異常變化時(shí)，可在對(duì)應(yīng)斷路器的分合閘電流中得以體現(xiàn)。以交流濾波器投切時(shí)記錄的斷路器分合閘電流為主要分析對(duì)象，通過(guò)對(duì)交流濾波器投切電流開(kāi)展時(shí)域、頻域特征分析，為后續(xù)斷路器故障診斷判據(jù)的確定和診斷策略的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.1 時(shí)域特征分析

結(jié)合斷路器分合閘時(shí)，動(dòng)靜觸頭分合過(guò)程中電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，利用分合閘時(shí)間、電流極值、三相差異度等三項(xiàng)指標(biāo)，開(kāi)展時(shí)域特征分析。

1.1.1 分合閘時(shí)間

斷路器的分合閘時(shí)間是表征斷路器操作性能的參數(shù)。合閘時(shí)間是指從斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘線圈接通到主觸頭有效接觸所需的時(shí)間；斷路器的分閘時(shí)間包括固有分閘時(shí)間和熄弧時(shí)間兩部分。分合閘時(shí)間可以表征斷路器本體的分合閘屬性，作為斷路器本體機(jī)械損壞的預(yù)判依據(jù)[8]。

分合閘時(shí)間Tbre均取三相分合閘時(shí)間的最大值，其具體計(jì)算方法如下式所示：

式中：Ta，Tb，Tc分別為交流濾波器A相、B相和C相的分合閘時(shí)間。

1.1.2 電流極值

交流濾波器內(nèi)部或斷路器的異常也會(huì)在電流有效值的極大值Imax和極小值Imin上有所體現(xiàn)。選取的極大值Imax和極小值Imin取分合閘斷路器對(duì)應(yīng)的三相最大值和最小值。

1.1.3 三相差異度

時(shí)域里的三相差異度γ表征的是三相電流的非一致性，如下式所示：

三相差異度的數(shù)值越小，表示三相越平衡；三相差異度的數(shù)值越大，則說(shuō)明交流濾波器的本體可能存在結(jié)構(gòu)異常[9]。

1.2 頻域特征分析

頻域分析是電力系統(tǒng)中分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、反映內(nèi)在特征的常用手段，其頻域信息構(gòu)成和含量能夠有效反映設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。

交流濾波器及其配套斷路器在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，三相交流波形基本對(duì)稱。若濾波器本體或斷路器內(nèi)部存在微小異常時(shí)，其三相電流時(shí)域值不易反映上述異常。通過(guò)對(duì)某特高壓換流站交流濾波器斷路器的85 次分合閘電流波形就頻域分析發(fā)現(xiàn)，其異常狀態(tài)下的諧波含量與正常狀態(tài)下有顯著區(qū)別。因此，有必要對(duì)分合閘電流開(kāi)展頻域分析。

1.2.1 諧波最大值

為便于橫向比較諧波幅值，消除交流濾波器個(gè)體參數(shù)差異的影響，取實(shí)際諧波最大值與對(duì)應(yīng)的濾波器額定電流的比值，并取A，B，C三相的最大值，如下式所示[10]：

式中：Irate為三相電流的額定有效值。

式（4）反映了斷路器三相動(dòng)作過(guò)程的不對(duì)稱性及合閘電阻的投切動(dòng)態(tài)。

通過(guò)時(shí)域、頻域特征分析，發(fā)現(xiàn)兩類特征的綜合運(yùn)用是提高斷路器分合閘電流特征表達(dá)能力的有效手段，以分合閘時(shí)間、電流極值等時(shí)域特征參數(shù)表征分合閘過(guò)程的持續(xù)時(shí)間，以諧波最大值和總諧波畸變率等頻域特征參數(shù)表征分合閘涌流的內(nèi)在差異，作為判斷和定位故障點(diǎn)位的判據(jù)。

2 斷路器故障診斷策略

換流站交流濾波器斷路器分合閘過(guò)程中，通過(guò)對(duì)錄波波形的在線監(jiān)測(cè)與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器工作異常，迅速給出預(yù)警或報(bào)警信號(hào)，是換流站運(yùn)行過(guò)程中預(yù)先消除故障、提高運(yùn)行穩(wěn)定性的重要手段。

傅里葉變換是時(shí)域-頻域變換分析中最基本的方法之一。FFT（fast Fourier transform）被稱為快速傅立葉變換。

在數(shù)字處理領(lǐng)域應(yīng)用的離散傅里葉變換（discrete Fourier transform，DFT）是許多數(shù)字信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)。從物理意義上來(lái)看，DFT 將時(shí)域的數(shù)字信號(hào)變換成頻域的離散信號(hào)，根據(jù)變換之后的結(jié)果可知時(shí)域數(shù)字信號(hào)在不同頻率上的幅值，確定時(shí)域信號(hào)主要分布在哪些頻段上；從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，DFT 是將數(shù)字信號(hào)變換到幾個(gè)正交的坐標(biāo)系中。頻域特征的提取與分析具有延遲時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)算量大等特點(diǎn)，不利于在線監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。以故障診斷錄波裝置常采用的10 kHz采樣頻率為例，單個(gè)工頻周波的采樣點(diǎn)數(shù)量為200 個(gè)，10 s 時(shí)間間隔內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為100 000 個(gè)，若對(duì)上述采樣序列直接進(jìn)行時(shí)域串行分析或整段FFT 計(jì)算，所需的運(yùn)算存儲(chǔ)空間和計(jì)算量巨大，不適合軟件接收機(jī)特別是現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)。因此，分段FFT 是減輕處理負(fù)擔(dān)、減少運(yùn)算量的有效方式，但分析對(duì)象為連續(xù)周期性波形時(shí)，使用等間隔分段FFT 方法進(jìn)行頻譜分析，有可能出現(xiàn)頻譜分析的分段間隔與連續(xù)波形的周期“同步”現(xiàn)象，導(dǎo)致頻譜缺失。

本文采用分段隨機(jī)FFT 方法，對(duì)斷路器分合閘涌流進(jìn)行頻譜分析，以便更完整地分析電流頻譜。

2.1 分段隨機(jī)FFT基本原理

分段隨機(jī)FFT 在采樣間隔內(nèi)進(jìn)行“隨機(jī)分析”，即對(duì)干擾信號(hào)分段后，不是在每段數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)做FFT，而是在間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一點(diǎn)作為起始點(diǎn)做FFT，以便更“完整”地分析干擾信號(hào)的頻譜，避免陷入頻譜分析的分段間隔與連續(xù)波形周期“同步”。

分段隨機(jī)FFT的原理示意圖如圖1所示[12]。

圖1 分段隨機(jī)FFT示意圖Fig.1 Schematic diagram of segmented random FFT

分段隨機(jī)FFT的具體實(shí)現(xiàn)步驟：

1）將待分析干擾信號(hào)均勻分為N段，計(jì)算段內(nèi)點(diǎn)數(shù)（分段時(shí)若不能整除，可在分段前補(bǔ)零解決）；

2）在每段數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一個(gè)起點(diǎn)，做分段256 點(diǎn)FFT（明確分段采樣點(diǎn)數(shù)量，避免FFT 末端點(diǎn)數(shù)超過(guò)分段長(zhǎng)度）；

3）對(duì)N段FFT 頻譜結(jié)果進(jìn)行疊加，得到干擾信號(hào)的“完整”頻譜；

4）頻率分析與中心頻率計(jì)算：將起止時(shí)間內(nèi)的干擾信號(hào)變換至頻域。先對(duì)功率譜進(jìn)行平滑去除毛刺，有利于頻率分析。令S（k）為平滑后的功率譜，找出S（k）的最大幅值S（k0），再找出超過(guò)最大值一半的所有譜線，即可得到3 dB 帶寬[13]。令k表示S（k）中所有大于0.5S（k0）的譜線的序號(hào)集合，則干擾信號(hào)帶寬的估計(jì)值為

2.2 合閘涌流高頻分量判據(jù)

在斷路器合閘時(shí)采用上述分段隨機(jī)FFT 方法，分析提取合閘電阻的作用時(shí)間，以頻譜分析結(jié)果為判斷依據(jù)，以合閘電阻作用時(shí)間為量化指標(biāo)，判斷斷路器狀態(tài)是否異常[14]：

1）當(dāng)合閘作用時(shí)間在0～8 ms時(shí)，判定為斷路器異常；

2）當(dāng)合閘作用時(shí)間在8～12 ms 時(shí)，判定為斷路器正常；

3）當(dāng)合閘作用時(shí)間大于12 ms 時(shí)，判定為斷路器異常。

在斷路器合閘時(shí)，提取錄波裝置采集的三相合閘涌流波形，如圖2 所示。

圖2 三相合閘涌流錄波波形Fig.2 Recording waves of three phase closing inrush current

為便于比較分析，對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行標(biāo)幺化處理，分合閘信號(hào)曲線中，0 電平代表分閘狀態(tài)，1 電平代表合閘狀態(tài)。由圖2 可知，三相的合閘涌流區(qū)別較大，A相的合閘涌流最小，C相的合閘涌流最大。

分段分析分段電流的FFT 頻譜（如圖3 所示），依據(jù)前述頻譜分析式（3）、式（4），計(jì)算高頻分量占比和具體值，同時(shí)計(jì)算高頻分量變化趨勢(shì)。

圖3 FFT頻譜分析Fig.3 FFT spectrum analysis

圖3 頻譜分布表明：A相的高頻諧波最低，而C相的高頻諧波含量最大，說(shuō)明C相斷路器存在異常，與圖2 的時(shí)域波形結(jié)果相符。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)（8 ms）高頻分量占比超過(guò)閾值（經(jīng)大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，選為15%），則判斷斷路器出現(xiàn)異常。

3 診斷策略驗(yàn)證與試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證上述基于分段隨機(jī)FFT 的斷路器診斷策略的有效性，以靈州換流站750 kV 交流濾波器場(chǎng)7632 斷路器C相故障為例，開(kāi)展分析。

3.1 設(shè)備概況及故障簡(jiǎn)述

靈州換流站750 kV 交流濾波器場(chǎng)7632 斷路器型號(hào)為L(zhǎng)W56-800，新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司制造，2018 年6 月14 日投運(yùn)，額定電壓800 kV，額定電流5 000 A，額定短路開(kāi)斷電流63 kA。配用合閘電阻為英國(guó)摩根公司生產(chǎn)AB410-14R28±5%型，電阻值1 500 Ω，其斷口均壓電容為瑞士MAXWELL 公司生產(chǎn)的CDOR2648B10型，電容量為2 000±40 pF。

2018 年12 月31 日21：19：20，靈州換流站正常投入7632小組交流濾波器后，故障錄波數(shù)據(jù)顯示7632斷路器C相合閘波形存在明顯異常，為防止閃絡(luò)事件再次發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)將斷路器進(jìn)行隔離。

3.2 診斷策略應(yīng)用及故障分析

在交流濾波器斷路器在線診斷系統(tǒng)中，合閘涌流有效判據(jù)采用本文提出的基于分段隨機(jī)FFT的頻域分析方法，判定涌流的采樣點(diǎn)數(shù)量為1 000 個(gè)，時(shí)長(zhǎng)為20 ms，正常情況下斷路器合閘電阻預(yù)投入時(shí)間為8～12 ms。合閘電阻退出運(yùn)行時(shí)，合閘電流會(huì)出現(xiàn)明顯的增量跳變。因此，通過(guò)觀察故障濾波數(shù)據(jù)，確定合閘電流的最大值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)。

合閘涌流抑制時(shí)間為最大值采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻與合閘時(shí)間的差值。對(duì)2018 年12 月31 日7632 斷路器的故障異常波形開(kāi)展頻域分析，診斷結(jié)果顯示：A相合閘涌流抑制時(shí)間為12 ms，B相抑制時(shí)間為8.4 ms，而C相抑制時(shí)間為0 ms。與A，B相合閘電流相比，C相合閘涌流無(wú)平滑抑制階段，合閘涌流明顯，諧波含量大于15%，判定其合閘電阻未能發(fā)揮作用，初步判斷C相合閘電阻未正常工作。

3.3 斷路器解體檢查

基于分段隨機(jī)FFT 的斷路器故障在線診斷系統(tǒng)，根據(jù)故障錄波波形分析結(jié)果，給出了故障的初步判斷結(jié)果，給出了故障定位信息。

為驗(yàn)證上述結(jié)論的準(zhǔn)確性和診斷策略的有效性，對(duì)7632 斷路器進(jìn)行返廠解體檢查，確定故障點(diǎn)位。

3.3.1 外觀檢查及氣體成分檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢查7632斷路器外觀無(wú)異常，氣室壓力正常，外部及接地引下線部位沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的放電點(diǎn)，周圍環(huán)境無(wú)異物、無(wú)燒蝕放電后的異常氣味，一次設(shè)備無(wú)明顯異常。

對(duì)圍欄內(nèi)一次設(shè)備本體及外觀進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

對(duì)7632 斷路器C相氣室進(jìn)行SF6氣體分解物檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 SF6氣體分解物檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of SF6 gas decomposition products

由表1 結(jié)果可知，氣體含量各項(xiàng)指標(biāo)均為0 μL/L，檢測(cè)結(jié)果合格，說(shuō)明斷路器內(nèi)部未發(fā)生放電故障。

3.3.2 罐體拆解檢查

拆除斷路器機(jī)構(gòu)，將滅弧室與罐體分離，屏蔽筒表面清潔，無(wú)電弧燒灼痕跡，滅弧室端板無(wú)顆粒物等雜質(zhì)，主斷口、并聯(lián)電容表面光潔，無(wú)明顯熏黑及放電痕跡，現(xiàn)場(chǎng)拆解如圖4所示，說(shuō)明斷路器本體無(wú)故障。

圖4 滅弧室拆除及屏蔽筒檢查Fig.4 Removal process of arc extinguishing chamber and inspection for shielding cylinder

3.3.3 主斷口拆解檢查

對(duì)斷路器主斷口的構(gòu)成部件進(jìn)行拆解，對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)滅弧室解體檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣筒、并聯(lián)電容及絕緣拉桿沒(méi)有電弧燒灼及熏黑痕跡，如圖5所示。

圖5 絕緣筒內(nèi)外部檢查Fig.5 Internal and external inspection of insulating cylinder

由圖5可知，主斷口正常，性能良好。

3.3.4 合閘電阻及輔助斷口檢查

合閘電阻及輔助斷口并聯(lián)后與主斷口串聯(lián)，兩端安裝有屏蔽罩。

合閘電阻及輔助斷口外側(cè)表面外觀清潔無(wú)異常，拆解后合閘電阻整體電阻測(cè)試值為1 565 Ω（符合1 500 Ω ± 5%標(biāo)準(zhǔn)）[15]，對(duì)電阻片分解拆除后，合閘電阻第二柱絕緣柱表面存在放電燒蝕的痕跡，對(duì)應(yīng)該位置的第4，5，6，9 片合閘電阻內(nèi)圈出現(xiàn)不同程度的破損，與之相連的電阻連接銅箔與聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）墊片存在熏黑情況，如圖6、圖7所示。

圖6 絕緣柱及電阻片燒蝕痕跡Fig.6 Ablation marks of insulation column and resistor plate

圖7 連接銅箔及聚四氟乙烯墊片放電痕跡Fig.7 Discharge traces of connecting copper foil and PTFE gasket

對(duì)用于投入、切除合閘電阻的輔助斷口進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)輔助斷口動(dòng)靜觸頭存在明顯電弧灼傷痕跡。這是由于合閘電阻的非正常投入，導(dǎo)致合閘涌流沒(méi)有得到有效抑制，長(zhǎng)時(shí)間高幅值的合閘涌流，致使輔助斷口的動(dòng)、靜觸頭的合閘電流過(guò)大，燒蝕觸頭，如圖8所示。

圖8 輔助斷口動(dòng)靜觸頭燒灼痕跡Fig.8 Burning marks of dynamic and static contacts in auxiliary fracture

3.4 故障診斷策略有效性分析

斷路器拆解檢查結(jié)果，表明斷路器故障原因及部位與基于分段隨機(jī)FFT 的在線診斷系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果一致，證明了故障診斷策略的有效性。

通過(guò)對(duì)12 月31 日靈州換流站交流濾波器場(chǎng)7632 斷路器C相合閘電流波形進(jìn)行分析，該斷路器合閘波形與B相合閘電阻退出后一段的波形基本一致，說(shuō)明7632 斷路器C相在合閘時(shí)，合閘電阻未產(chǎn)生作用，合閘電阻或輔助斷口存在異常可能是導(dǎo)致斷路器合閘時(shí)抑制涌流作用失效的原因。

通過(guò)合閘電阻解體情況并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)其橫向安裝于滅弧室，當(dāng)斷路器分合閘工作時(shí)，由于振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致合閘電阻與穿過(guò)其內(nèi)芯的絕緣柱存在間隙，在合閘瞬間，間隙內(nèi)會(huì)存在電離高溫氣體，引起電阻片對(duì)絕緣柱放電或者連接銅箔對(duì)絕緣柱放電形成放電通道，放電通道等效于并聯(lián)于合閘電阻，將合閘電阻短接，使其無(wú)法發(fā)揮抑制合閘涌流的作用。

4 結(jié)論

文中提出了一種基于分段隨機(jī)FFT 的換流站交流濾波器斷路器故障診斷方法。該方法可以有效克服傳統(tǒng)時(shí)域分析方法和整段FFT 分析方法所面臨的長(zhǎng)時(shí)間延遲、在線診斷計(jì)算量過(guò)高等問(wèn)題，其獲取的分合閘涌流頻譜信息能夠正確反映斷路器的異常工作狀態(tài)，并給出故障定位信息。

利用靈州換流站交流濾波器場(chǎng)7632 斷路器C相合閘電流波形開(kāi)展診斷策略有效性分析與驗(yàn)證，結(jié)合斷路器拆解檢查，驗(yàn)證了文中所提故障診斷策略的有效性，為換流站交流濾波器斷路器故障的在線診斷提供了可靠的解決方法，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。