陳志剛，劉東超，崔龍飛，熊慕文，陸 海

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南昆明 650217）

0 引言

目前我國(guó)已經(jīng)建立以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展并集成現(xiàn)代通信、自動(dòng)控制等技術(shù)的智能電網(wǎng)[1]。高壓斷路器是智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障會(huì)引起重大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)高壓斷路器檢修基本采用預(yù)防性檢修體系，不僅浪費(fèi)人力和物力資源，無法確定事故發(fā)生的原因，還容易造成設(shè)備損壞從而產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)損失。為適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，迫切要求對(duì)高壓斷路器采用預(yù)知性檢修體系，提升設(shè)備的可靠性和利用率，降低停電和維修費(fèi)用[2]。

有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，高壓斷路器故障中的大多數(shù)故障發(fā)生在機(jī)械機(jī)構(gòu)上，其中主要故障占比70%、次要故障占比86%，操作機(jī)構(gòu)故障所占比例超過40%，因此操作機(jī)構(gòu)的可靠性是影響高壓斷路器可靠性的關(guān)鍵因素[3-4]。分合閘電磁鐵線圈電流（以下簡(jiǎn)稱線圈電流）能夠反映高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)電磁鐵和輔助開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，是高壓斷路器機(jī)械故障診斷重要的檢測(cè)信號(hào)，因此線圈電流波形的特征量對(duì)于操作機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估具有重要的意義[5-8]。

文獻(xiàn)[9]提出根據(jù)斷路器線圈電流-時(shí)間曲線及其+5%包絡(luò)線來判斷操作機(jī)構(gòu)故障，雖然方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但是診斷結(jié)果比較粗糙，不利于狀態(tài)評(píng)估。文獻(xiàn)[10-11]提出通過典型波形的波形數(shù)據(jù)自動(dòng)尋找出各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)及相應(yīng)的幅值，并采用與標(biāo)準(zhǔn)電流波形特征值進(jìn)行對(duì)比的方法來進(jìn)行故障判別，但狀態(tài)評(píng)估時(shí)需要根據(jù)不同廠家的操作機(jī)構(gòu)特征來設(shè)置閾值，不具有通用性。文獻(xiàn)[12-18]采用的方法雖然可以有效地對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，但在算法實(shí)現(xiàn)上相對(duì)復(fù)雜，限制了應(yīng)用的范圍。

灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)分析是一種新的因素分析方法，其基本思想是根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)序列的幾何關(guān)系進(jìn)行比較來分析系統(tǒng)中各因素間的關(guān)聯(lián)程度，曲線的幾何形狀越接近，其中相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)程度就越大，反之就越小[19-20]。

文獻(xiàn)[21]在已有灰色關(guān)聯(lián)分析模型的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，提出將灰色關(guān)聯(lián)分析法應(yīng)用于高壓斷路器機(jī)械故障診斷，而關(guān)聯(lián)度數(shù)值與分辨系數(shù)的選取相關(guān)，文獻(xiàn)雖然引入動(dòng)態(tài)系數(shù)來解決此問題，但是動(dòng)態(tài)系數(shù)的選取會(huì)再次引入經(jīng)驗(yàn)值的選取問題，直接影響故障診斷結(jié)果。

本文提出一種基于T 型灰色關(guān)聯(lián)度的斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法，該方法采用線圈電流和時(shí)間作為特征量，建立了一種狀態(tài)評(píng)估模型，并與基于曲線拐點(diǎn)的特征值提取方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明將2 種評(píng)估方法進(jìn)行融合后，有助于提升斷路器操作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估通用性與準(zhǔn)確性。

1 典型曲線及故障

高壓斷路器線圈的電流波形信號(hào)含有反映其操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀態(tài)的豐富信息，通過檢測(cè)分合閘線圈電流波形，將線圈波形參量與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可判斷斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)是否存在問題。

斷路器的分合閘線圈電流典型波形根據(jù)鐵心的運(yùn)動(dòng)過程一般可以分為5 個(gè)階段[22-26]，如圖1 所示。（1）鐵心啟動(dòng)階段。線圈在t0開始通電，t1時(shí)刻線圈中的電流、磁通上升到足以驅(qū)動(dòng)鐵心開始動(dòng)作。鐵心啟動(dòng)階段的特點(diǎn)是電流呈指數(shù)上升而鐵心靜止，并在t1時(shí)刻達(dá)到峰值后鐵心開始啟動(dòng)，此時(shí)線圈電流為鐵心啟動(dòng)電流i1，該階段的時(shí)間Δt1=t1-t0，Δt1和i1能夠反映線圈電阻R0和鐵心開始運(yùn)動(dòng)瞬間的阻力，可以作為線圈匝間短路和鐵心卡澀故障的判據(jù)；（2）鐵心運(yùn)動(dòng)階段。隨著鐵心的運(yùn)動(dòng)速度的增加，運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)會(huì)導(dǎo)致線圈電流減小。鐵心在t2時(shí)刻與脫扣板接觸，鐵心運(yùn)動(dòng)速度以及反電動(dòng)勢(shì)瞬間降低，之后線圈電流再次上升，因此t2時(shí)刻為曲線谷值，此時(shí)線圈電流為鐵心停止電流i2，該階段的時(shí)間Δt2=t2-t1，Δt2和i2能夠反映鐵心與導(dǎo)向套之間的摩擦阻力，可以作為鐵心卡澀故障的判據(jù)；（3）鐵心停止階段。由于鐵心運(yùn)動(dòng)速度和反電動(dòng)勢(shì)均降為零，因此線圈電流會(huì)持續(xù)增加并達(dá)到最大值，線圈工作電流i3是整個(gè)曲線中的最大電流值，該階段的時(shí)間Δt3=t3-t2，Δt3和i3能夠反映線圈電阻R0和機(jī)構(gòu)脫扣阻力，可以作為線圈匝間短路、接頭松動(dòng)故障以及半軸扣入過深故障的判據(jù)；（4）穩(wěn)態(tài)階段。該階段線圈電流基本處于穩(wěn)態(tài)且持續(xù)時(shí)間較短，在曲線上并不明顯，持續(xù)時(shí)間Δt4=t4-t3；（5）電流開斷階段。該階段輔助開關(guān)分?jǐn)?，線圈電流迅速減小，持續(xù)時(shí)間Δt5=t5-t4。

圖1 典型分（合）閘線圈電流曲線Fig.1 Typical opening/closing coil current curve

斷路器常見的機(jī)械故障主要有操動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀、分合閘鐵心卡澀、分合閘鐵心松動(dòng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿松動(dòng)脫落、斷路器跳閘機(jī)構(gòu)脫扣失靈、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘彈簧未儲(chǔ)能等。以脫扣器卡澀為例，斷路器在分合閘操作中脫扣器可能會(huì)出現(xiàn)卡滯的現(xiàn)象，故障的進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)造成機(jī)構(gòu)無法脫扣，引起斷路器拒分，導(dǎo)致電網(wǎng)在故障時(shí)無法切除故障點(diǎn)，擴(kuò)大電網(wǎng)故障停電范圍。在脫扣器出現(xiàn)卡澀時(shí)，斷路器分閘時(shí)間會(huì)明顯增加，并可以通過分閘線圈電流曲線直接體現(xiàn)出來。

2 狀態(tài)評(píng)估流程及算法

2.1 狀態(tài)評(píng)估流程

受戶外電磁環(huán)境以及采樣電路硬件參數(shù)的影響，傳感器采樣數(shù)據(jù)會(huì)引入一個(gè)隨機(jī)分布的噪聲，對(duì)數(shù)據(jù)觸發(fā)門檻的選擇和特征值分析產(chǎn)生影響。通過五點(diǎn)三次平滑法[27]對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少隨機(jī)噪聲及數(shù)據(jù)零漂，其濾波效果和靈活性優(yōu)于滑動(dòng)平均濾波。處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合電壓突變量檢測(cè)算法，緩存固定長(zhǎng)度的采樣數(shù)據(jù)，建立以斷路器分合閘線圈電流I和時(shí)間t作為分析模型特征量，參考圖1 所示典型分（合）閘線圈電流完成特征值分析。如果系統(tǒng)尚未存儲(chǔ)典型特征值則將本次特征值作為正常特征值存儲(chǔ)。這種基于特征值的分析方法只能針對(duì)高壓斷路器線圈的電流波形信號(hào)的固定特征點(diǎn)（拐點(diǎn)）進(jìn)行分析，如圖1 中的（t1，i1），（t2，i2），（t3，i3）3 個(gè)點(diǎn)，其分析結(jié)果無法表征整段電流波形特征，同時(shí)需要根據(jù)不同廠家的高壓斷路器特性選取設(shè)置多維度的告警閾值，不利于設(shè)備狀態(tài)維護(hù)的實(shí)施。因此本文將T 型灰色關(guān)聯(lián)度分析法與特征值分析法進(jìn)行融合，按照不同區(qū)間計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參考序列與待評(píng)估序列之間的關(guān)聯(lián)度值，狀態(tài)評(píng)估流程如圖2 所示。

圖2 斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估流程圖Fig.2 Flow chart of condition assessment of circuit breaker operating mechanism

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度算法

灰色系統(tǒng)理論是對(duì)系統(tǒng)變化發(fā)展勢(shì)態(tài)的定量描述和比較的方法，依據(jù)空間理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，確定參考序列和若干比較序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，尋求系統(tǒng)中各因素間的主要關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)分析步驟如下：

1）確定參考序列x0和比較序列xj：

式中：n為序列的樣本個(gè)數(shù)；j為比較序列編號(hào)。

2）對(duì)參考序列x0和比較序列xj進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，變換到均值為0，方差為1 的范圍內(nèi)：

式中：k為參考序列和比較序列的第k個(gè)樣本；N為參考序列和比較序列的樣本個(gè)數(shù)；x0(k)為參考序列樣本；xj(k)為比較序列樣本；為參考序列樣本的平均值；為比較序列樣本的平均值；σ0為參考序列樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；σk為比較序列樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；x′0為參考序列標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果；x′j為比較序列標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果。

3）計(jì)算比較序列xj和參考序列x0的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζj(k)與灰色關(guān)聯(lián)度γj：

式中：ζj(k)為比較序列的第k個(gè)樣本與參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)，1 ≤k≤n；ρ為分辨系數(shù)，其取值在[0，1]之間，經(jīng)驗(yàn)取值建議為0.5。

灰色關(guān)聯(lián)度γj計(jì)算結(jié)果受ρ的取值的影響，具有很大的不確定性，經(jīng)驗(yàn)取值不一定適用于所有狀態(tài)模型的評(píng)估。

針對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度方法的不足，本文提出采用T型灰色關(guān)聯(lián)度方法[28]對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，按照因素時(shí)間序列曲線相對(duì)變化趨勢(shì)的接近程度來計(jì)算斷路器線圈電流關(guān)聯(lián)度[29-30]。對(duì)于斷路器線圈電流序列在任意時(shí)間區(qū)間[a，b]內(nèi)，a為電流曲線的起始點(diǎn)，b為電流曲線的終點(diǎn)，即b>a≥0，令

式中：tk為序列第k個(gè)點(diǎn)的時(shí)刻；Δtk為分析序列區(qū)間第k個(gè)樣本與第k-1 個(gè)樣本之間的時(shí)間間隔，所有樣本時(shí)間間隔的集合構(gòu)成了時(shí)間區(qū)間[a，b]，并且這些樣本時(shí)間無交集。

對(duì)于參考序列x0和比較序列xj在時(shí)間區(qū)間[a，b]內(nèi)，將Δtk代入式（3），如式（5）所示。

對(duì)式（5）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化序列處理：

式中：D0為參考序列各時(shí)間段增量的平均值；Dj為比較序列各時(shí)間段增量的平均值；y0為參考序列標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果；yj為比較序列標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果。

對(duì)式（6）進(jìn)行增量序列處理，Δy0為參考序列增量序列，Δyj為比較序列增量序列：

計(jì)算比較序列xj和參考序列x0的T 型關(guān)聯(lián)系數(shù)ζj(tk)以及T 型灰色關(guān)聯(lián)度γ′j：

由于斷路器線圈電流序列采用高采樣率等間隔采樣，因此式（8）中T 型灰色關(guān)聯(lián)度γ′j的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：

2.3 設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估

為真實(shí)反映設(shè)備健康狀態(tài)，提出一種設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估方法，結(jié)合單項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)量化分值計(jì)算可以將單項(xiàng)狀態(tài)量處理為百分評(píng)分制[31]。令單項(xiàng)狀態(tài)最新測(cè)量值為xi(k)，存儲(chǔ)正常特征值為xi(0)，該項(xiàng)指標(biāo)的注意門檻值為x′i(0)，其中該項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)備健康狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)時(shí)注意值門檻值為αi×xi(0)，該項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)備健康狀態(tài)呈正相關(guān)時(shí)注意值門檻值為βi×xi(0)，其中αi×βi=1。同時(shí)引入權(quán)重系數(shù)ωi，為計(jì)算簡(jiǎn)便，將ωi取相同值，因此設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估模型如下：

式中：V為設(shè)備健康評(píng)估結(jié)果（百分評(píng)分制）。

考慮到不同狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的不同影響，將斷路器線圈電流典型故障樣本序列的特征值權(quán)重系數(shù)設(shè)定為ωi，T 型灰色關(guān)聯(lián)度權(quán)重系數(shù)則為1-ωi。

3 狀態(tài)評(píng)估實(shí)例

3.1 特征值提取

10 kV 環(huán)網(wǎng)柜具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、方案靈活等優(yōu)點(diǎn)，在供配電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[32]，其中真空斷路器占比較大，本文采用HVA-12 kV 戶內(nèi)高壓交流真空斷路器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估模型的驗(yàn)證，在高壓斷路器正常狀態(tài)下進(jìn)行分合閘操作。表1以分閘為例，按照狀態(tài)評(píng)估模型提取了5 次分閘數(shù)據(jù)（F1-F5）樣本，并進(jìn)行了特征值提取，其拐點(diǎn)電流幅值和拐點(diǎn)時(shí)間的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較小，滿足狀態(tài)評(píng)估需求。

表1 正常斷路器線圈電流特征值Table 1 Characteristic value of coil current of normal circuit breaker

環(huán)網(wǎng)柜斷路器在實(shí)際應(yīng)用過程中比較常見的故障有鐵心卡澀、線圈匝間短路、脫扣器卡滯等。本文選取另一臺(tái)高壓交流真空斷路器記錄正常分閘樣本數(shù)據(jù)Z1和Z2；在鐵心上加裝了一段彈簧來模擬鐵心卡澀故障，記錄樣本數(shù)據(jù)K1和K2；短接線圈部分繞組，用于模擬線圈短路故障，記錄樣本數(shù)據(jù)S1和S2。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、表3 所示。

表2 斷路器鐵心卡澀與正常斷路器分閘數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of data between circuit breaker core jamming and normal circuit breaker opening

表3 斷路器線圈短路與正常斷路器分閘數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of data between circuit breaker coil short circuit and normal circuit breaker opening

通過特征值提取以及總體標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)鐵心卡澀K1和K2數(shù)據(jù)中電流幅值i2和時(shí)間t2，t5均有較大的變化，且i2，t2，t53 個(gè)指標(biāo)總體標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較大；線圈短路S1和S2數(shù)據(jù)中電流幅值i1，i2，i3和時(shí)間t2，t3，t5均有較大的變化，且i1，i2，i3，t2，t3，t56 個(gè)指標(biāo)總體標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較大。若高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)采用特征值狀態(tài)評(píng)估方法，需要設(shè)置9個(gè)閾值才能完全區(qū)分這2 種故障，不利于工程的實(shí)施。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估

通過斷路器線圈電流序列Z0樣本原始數(shù)據(jù)構(gòu)建參考序列，正常Z1樣本與鐵心卡澀K1、K2以及線圈短路S1，S2樣本原始數(shù)據(jù)構(gòu)建比較序列，采用式（5）—式（9）分別計(jì)算全區(qū)間斷路器線圈電流T型灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。從計(jì)算結(jié)果可知，正常Z1樣本與參考序列Z0關(guān)聯(lián)度為0.978，而故障時(shí)K1，K2，S1，S2樣本的關(guān)聯(lián)度在0.8 附近。因此如果T 型灰色關(guān)聯(lián)度判斷閾值選取適當(dāng)，全段電流關(guān)聯(lián)計(jì)算結(jié)果可以判斷出斷路器線圈電流的異常，作為系統(tǒng)的預(yù)警參考，但難以區(qū)分設(shè)備故障，無法滿足狀態(tài)評(píng)估需求。

表4 全段電流關(guān)聯(lián)度計(jì)算Table 4 Calculation of correlation degree of circuit breaker coil current in the whole internal

為完善T 型灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估方法，本文引入線圈電流特征值時(shí)間，對(duì)參考序列Z0和比較序列Z1，K1，K2，S1，S2進(jìn)行分段處理，按照不同時(shí)間區(qū)間分成T1，T2，T3，T54 個(gè)比較序列，分段計(jì)算T 型灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 分段電流關(guān)聯(lián)度計(jì)算Table 5 Calculation of correlation degree of current in different internals

如表5 所示，鐵心卡澀故障樣本在T2和T5區(qū)間的比較序列關(guān)聯(lián)度較低，線圈短路故障樣本在T2，T3和T5區(qū)間的比較序列關(guān)聯(lián)度較低。綜上分析表明，采用分段T 型灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估方法與特征值提取方法的分析結(jié)果一致，并且僅需要設(shè)置5 個(gè)閾值就可以完全區(qū)分這2 種故障。另外也可以通過增加實(shí)驗(yàn)樣本的方法來固定閾值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，以工程中需要達(dá)到置信度為95%、可靠度為99%的可靠性抽樣目標(biāo)為例，樣本容量需要達(dá)到300 個(gè)以上。通過對(duì)大量樣本的分段T 型灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)合樣本平均值和總體標(biāo)準(zhǔn)偏差可以固定閾值。

3.3 設(shè)備健康評(píng)估結(jié)果

將斷路器線圈電流典型故障樣本序列的特征值權(quán)重系數(shù)和T 型灰色關(guān)聯(lián)度權(quán)重系數(shù)均設(shè)置為0.5。結(jié)合表2、表3 和表5 數(shù)據(jù)，斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果如表6 所示。設(shè)備健康評(píng)估結(jié)果采用百分評(píng)分制，故障時(shí)K1，K2，S1，S2樣本狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果較低，一般建議設(shè)備健康評(píng)估結(jié)果低于70分應(yīng)予以關(guān)注。結(jié)合表5 中分段T 型灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估方法與特征值提取法的結(jié)果可以做進(jìn)一步的故障診斷。

表6 斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果Table 6 Condition assessment result of circuit breaker operating mechanism

4 結(jié)語

高壓斷路器的預(yù)知性檢修對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估提出了更高的要求，傳統(tǒng)特征點(diǎn)閾值分析方法已很難滿足工程需求。本文通過高壓斷路器線圈電流典型波形及故障，以分合閘線圈電流和時(shí)間作為分析模型特征量，研究了一種基于T 型灰色關(guān)聯(lián)度分析法的高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法，該方法與傳統(tǒng)特征值分析法融合，按照不同時(shí)間區(qū)間計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參考序列與待評(píng)估序列之間的關(guān)聯(lián)度值，并采用百分評(píng)分制來量化設(shè)備健康狀態(tài)。結(jié)果表明，基于T 型灰色關(guān)聯(lián)度與特征值評(píng)估方法的分析效果吻合，可以有效解決特征值分析方法需要根據(jù)不同類型故障特征值設(shè)置線圈電流幅值以及相應(yīng)時(shí)間參數(shù)構(gòu)成的多維度閾值問題。由于本文采用的是人工模擬高壓斷路器故障的方式，與實(shí)際故障特征可能存在差異，因此未涉及故障缺陷智能診斷等內(nèi)容，后續(xù)再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樣本數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究。