許 婧

（河北工程技術(shù)學(xué)院）

0 引言

在直流輸電系統(tǒng)中，通過(guò)高壓換流站進(jìn)行能量變換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波，并且會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率產(chǎn)生影響，造成輸電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的加重[1-2]。因此在直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在交流側(cè)通過(guò)濾波器的投切進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償意義重大，從而提高電能質(zhì)量[3]。濾波器的頻繁投切給斷路器的性能造成了巨大的影響[4-5]。本文通過(guò)高壓換流站內(nèi)的故障錄波儀，提取出斷路器的暫態(tài)電流波形，再根據(jù)傅里葉原理進(jìn)行暫態(tài)電流頻譜分析，構(gòu)建故障判據(jù)，進(jìn)行斷路器的故障預(yù)警，避免由于斷路器的問(wèn)題導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)無(wú)法正常工作[6]。

1 斷路器電流暫態(tài)特征分析

斷路器執(zhí)行分合閘動(dòng)作時(shí)的暫態(tài)電流直接與斷路器物理屬性相關(guān)聯(lián)，即斷路器物理屬性的變化通過(guò)分合閘電流反映出來(lái)。對(duì)濾波器執(zhí)行分合閘動(dòng)作時(shí)的暫態(tài)電流進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域、頻域特性分析，并以此作為進(jìn)行斷路器故障診斷與預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)性依據(jù)。

1.1 時(shí)域特征分析

在對(duì)斷路器分合閘暫態(tài)電流時(shí)的域特征進(jìn)行分析時(shí)，要根據(jù)電流的暫態(tài)變化情況，從分合閘動(dòng)作時(shí)間、暫態(tài)電流峰值變化趨勢(shì)、三相電流差異程度三方面展開(kāi)時(shí)域特征研究。

斷路器的分合閘時(shí)間直接與斷路器的操作特性相關(guān)聯(lián)，合閘時(shí)間是指從斷路器合閘線(xiàn)圈接通到主觸頭有效接觸的時(shí)間；斷路器的分閘時(shí)間分為兩部分，即從斷路器合閘線(xiàn)圈分開(kāi)到主觸頭完全脫開(kāi)接觸的時(shí)間和電弧熄滅時(shí)間，通過(guò)分合閘時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器機(jī)械故障預(yù)診斷。分合閘時(shí)間為三相分合閘時(shí)間的最大值，即：

式中，Tu、Tv、Tw分別為斷路器中三相的分合閘時(shí)間。

斷路器內(nèi)部故障也會(huì)通過(guò)暫態(tài)電流峰值的形式表現(xiàn)出來(lái)，暫態(tài)電流值的峰值取斷路器三相暫態(tài)電流的峰值。

斷路器三相電流的非一致性通過(guò)三相差異度來(lái)描述：

式中，Iu、Iv、Iw分別為斷路中三相電流的幅值，iu、iv、iw分別為斷路中三相電流的暫態(tài)值。三相差異度數(shù)值越小，說(shuō)明三相電流一致性越好，三相差異度數(shù)值越小，說(shuō)明斷路器內(nèi)部存在異常。

1.2 頻域特征分析

頻域分析是一種分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，研究其內(nèi)在特征的關(guān)鍵方法，頻域信息組成內(nèi)容及內(nèi)容分布能夠描述設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)行程，斷路器正常工作時(shí)，三相交流電流波形呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。如果斷路器內(nèi)部發(fā)生細(xì)微變化時(shí)，通過(guò)時(shí)域分析無(wú)法得到有價(jià)值信息。這里從諧波最大值和總諧波畸變率的角度展開(kāi)頻域分析。

取實(shí)際諧波最大值與額定電流的比值，再取三相最大值作為諧波最大值：

式中，IH.max為諧波最大值；IH.k為對(duì)應(yīng)次數(shù)諧波有效值；IN為額定電流。

對(duì)于斷路器的三相，分別計(jì)算其總的諧波畸變率：

上式能夠體現(xiàn)出斷路器動(dòng)作執(zhí)行的不對(duì)稱(chēng)性以及合閘投切的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

基于對(duì)于時(shí)域和頻域特征的分析研究，將二者有機(jī)綜合能夠深化對(duì)于斷路器分合閘電流特征描述，通過(guò)分合閘時(shí)間、暫態(tài)電流峰值等時(shí)域特征描述分合閘過(guò)程的特性，通過(guò)諧波極限值和總諧波畸變率等頻域特征參數(shù)描述分合閘暫態(tài)電流的差異，由此作為故障診斷的依據(jù)。

2 斷路器故障診斷策略

在斷路器執(zhí)行分合閘動(dòng)作時(shí)，采用錄波儀完成波形實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，并完成分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器非正常狀態(tài)，即刻進(jìn)行故障預(yù)警，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段。

傅里葉變換是一種應(yīng)用最為普遍的時(shí)域頻域分析方法，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域采用的是離散傅里葉變換，完成數(shù)字信號(hào)的頻域離散化處理，得到時(shí)域數(shù)字信號(hào)在頻域上的特征，即不同頻率的幅值分布。

2.1 分段隨機(jī)傅里葉原理

分段隨機(jī)傅里葉就是在采樣間隔內(nèi)進(jìn)行“隨機(jī)分析”，即將信號(hào)分段處理后，并不是在每一段的起點(diǎn)進(jìn)行傅里葉分析，而是在間隔中的隨機(jī)位置進(jìn)行傅里葉分析，這樣能夠保證整個(gè)數(shù)據(jù)段傅里葉分析的完整性，避免在進(jìn)行頻譜分析時(shí)分段間隔與連續(xù)波形周期的同步性。

分段隨機(jī)傅里葉的實(shí)現(xiàn)步驟：

1）將需要進(jìn)行分析的信號(hào)進(jìn)行N段等分，計(jì)算每一個(gè)分段內(nèi)的點(diǎn)數(shù)（如果在分段時(shí)無(wú)法進(jìn)行整除，則通過(guò)在分段前補(bǔ)零解決）；

2）在每一個(gè)數(shù)據(jù)分段中隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為傅里葉分析的起點(diǎn)（要明確每一個(gè)分段內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)量，避免傅里葉分析末端的點(diǎn)數(shù)過(guò)長(zhǎng)，從而超過(guò)分段長(zhǎng)度）；

3）對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行傅里葉分析后將得到的頻譜結(jié)果疊加處理，得到被分析信號(hào)的完整頻譜；

4）頻率分析與中心頻率預(yù)測(cè)：實(shí)現(xiàn)分析信號(hào)的頻域變換，先進(jìn)行功率頻譜的平滑處理，以方便頻率分析。假設(shè)S(k) 為平滑處理后的頻譜，再?gòu)闹刑崛〕龇档臉O限值S(k0)，再找出超過(guò)半峰值的譜線(xiàn)，則得到3dB 的帶寬。假設(shè)k為S(k) 中全部大于S(k0)/2 的譜線(xiàn)序號(hào)的集合，則計(jì)算出被分析信號(hào)的帶寬預(yù)測(cè)值為：

中心頻率的預(yù)測(cè)值為：

式中，Δf為頻率分辨率，能夠描述頻率分析的細(xì)化程度；函數(shù)arg{S(k)＞0.5S(k0)}為S(k)中全部大于S(k0)/2 的譜線(xiàn)序號(hào)的集合。

2.2 合閘電流高頻分量判據(jù)

在斷路器執(zhí)行合閘動(dòng)作時(shí)，基于分段隨機(jī)傅里葉分析方法，得到合閘電阻的作用時(shí)間，通過(guò)頻譜分析結(jié)果作為診斷依據(jù)，從而完成合閘電阻的作用時(shí)間的量化處理，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)診斷：

1）當(dāng)合閘電阻的作用時(shí)間處于0～8ms 之間時(shí)，則認(rèn)為斷路器處于非正常工作狀態(tài)；

2）當(dāng)合閘電阻的作用時(shí)間處于8～12ms 之間時(shí)，則認(rèn)為斷路器處于正常工作狀態(tài)；

3）當(dāng)合閘電阻的作用時(shí)間大于12ms 時(shí)，則認(rèn)為斷路器處于非正常工作狀態(tài)。

當(dāng)斷路器進(jìn)執(zhí)行合閘動(dòng)作時(shí)，通過(guò)提前配置好的錄波儀記錄斷路器合閘瞬間暫態(tài)電流波形，如圖1所示。

圖1 合閘暫態(tài)電流波形

為了進(jìn)行便捷的分析，完成電壓信號(hào)和電流信號(hào)的標(biāo)幺化處理，在如圖1 所示曲線(xiàn)中，0 描述斷路器呈現(xiàn)分閘狀態(tài)，1 描述斷路器呈現(xiàn)合閘狀態(tài)。三相中合閘電流相差比較顯著，A 相合閘暫態(tài)電流最小，C 相合閘暫態(tài)電流最大。

對(duì)電流進(jìn)行傅里葉頻譜分析，則得到每一相電流的頻譜情況，如圖2 所示。

圖2 相電流頻譜分析結(jié)果

根據(jù)圖2 的頻譜分析結(jié)果可知，A 相中電流的高次諧波含量最低，B 相中電流的高次諧波含量居中，C 相中電流的高次諧波含量最低，說(shuō)明斷路器的C 相處于不正常狀態(tài)，與圖1 時(shí)域分析的結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的，如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)高次諧波含量的占比超過(guò)閾值，則認(rèn)為斷路器處于不正常狀態(tài)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出故障診斷策略的有效性，以某市高壓換流站的斷路器為例進(jìn)行功能驗(yàn)證，展開(kāi)分析。

在斷路器故障實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)中，合閘電流有效判據(jù)采用本文所提出的基于分段隨機(jī)傅里葉的頻域分析方法，設(shè)定電流采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)為1000，采樣持續(xù)時(shí)間為20ms。在正常情況下斷路器合閘電阻的動(dòng)作時(shí)間為8～12ms。當(dāng)合閘進(jìn)行過(guò)程中，合閘電阻自主切除時(shí)，合閘暫態(tài)電流會(huì)出現(xiàn)顯著的變化。因此，通過(guò)觀察故障時(shí)刻附近的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)，確定斷路器合閘時(shí)暫態(tài)電流最大值所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)。合閘暫態(tài)電流抑制時(shí)間為最大采樣點(diǎn)時(shí)刻與合閘時(shí)間之間的差值。對(duì)故障時(shí)的波形展開(kāi)深入分析，故障診斷結(jié)果為：

1）A 相合閘暫態(tài)電流的抑制時(shí)間為11.7ms；

2）B 相合閘暫態(tài)電流的抑制時(shí)間為8.7ms；

3）C 相合閘暫態(tài)電流的抑制時(shí)間為0ms；

4）C 相合閘暫態(tài)電流與A 相和B 相合閘暫態(tài)電流，合閘暫態(tài)電流波動(dòng)劇烈，且電流諧波含量較高，合閘電阻沒(méi)有發(fā)揮對(duì)合閘暫態(tài)電流的抑制作用，C 相斷路器處于異常狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于傅里葉分析的斷路器故障診斷策略，在傳統(tǒng)傅里葉分析方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)時(shí)域分析方法和傳統(tǒng)傅里葉分析方法所存在的弊端，得到的電流傅里葉頻譜數(shù)據(jù)能夠正確反映出斷路器的工作狀態(tài)，進(jìn)行故障的準(zhǔn)確、高效定位，大大提高了直流輸電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，可以進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。