变电站用高压断路器电气故障诊断

田振宇

变电站用高压断路器电气故障诊断

田振宇

随着社会经济的全面发展，日常生活和生产中对电力供应方面提出了更高的要求，这就要求电力供应更加的稳定和高效。高压断路器是电力系统中最重要、最复杂的电气设备之一，它对电力系统的安全运行起重要作用。因此，加强对高压开关柜的故障诊断，具有十分重要的现实意义。

本文介绍了高压断路器电气故障的诊断方法的研究，通过小波变换原理分析，说明了小波变换在高压断路器故障诊断中的应用。利用最大斜率法计算开断电流从而实现对高压断路器电寿命的预测。

电力系统能够安全可靠地运行是非常重要的，为了能够满足系统运行的可靠性，保证电力系统的正常运行，就必须对设备的质量和技术加强要求，提高标准。而设备在运行的时候是不可能不出现问题的，由于各种因素的影响比如元件老化、环境恶劣等，造成设备在运行的时候出现各种问题，这些问题可能导致设备无法使用，还可能引发重大事故造成严重的经济损失。因此，提高检修质量，加强设备的管理，在发生故障时能够快速的切除故障就显得尤为重要。

故障诊断方法

高压断路器的触头在开断电流时会对产生电弧，从而对断路器触头有电磨损，触头的电磨损是断路器电寿命的主要的参数，传统意义上说电磨损包括灭弧室、灭弧介质以及灭弧触头的磨损量，我们在实际现场所说的是指断路器的电磨损指的是断路器灭弧触头的一个磨损量。当断路器在开断故障电流时，这时的短路电流非常的大，所以电弧产生的热量非常的高，所以就会使触头及喷口烧损，这样就会严重的影响断路器的开断性能。

过去的触头电寿命的评估主要是依据开断电流的大小和次数来进行衡量的，目前我们对断路器触头寿命的监控主要还是用开断电流加权累积法进行评估，这种方法简单易行操作起来也很简单，所以被广泛应用，但是这种方法有一个缺点，就是它监测的误差比较大。

现在随着科学技术的发展快速发展，故障诊断技术也是今非昔比、发展迅速，在国际上，一些在诊断技术上的权威有这样的观点：故障诊断技术一共分为两个大类，他们是有模型的和无模型的故障诊断技术，无模型的诊断技术又分为两个方法：信号处理的方法诊断技术和基于知识的方法诊断技术。

高压断路器电寿命的分析

高压断路器的电寿命受到影响的因素很多，其中的重要因素包括：开关触头电磨损，它对高压开关触头一般是采用以记录累计开断电流或开断次数为根本的。在同样的外界环境时，对于同一高压开关第一次开断电流和第二次开断电流相等时，但是所产生的烧损程度却可能不一样。如果烧损量相差的很大，电流的差距也很大时，就是因为高压开关触头的烧损机理不同。电磨损与触头分断速度还有电弧能量等因素有关，且电磨损与电弧能量是不存在比例系数的。因此，我们要完成的就是要通过完成在实践中的电寿命概念来监测高压开关触头电磨损和电寿命。

目前，随着新技术的发展电寿命理论也在不断完善，加上电脑网络技术的迅猛发展，高压开关在线监测电磨损已经能够实现，高压开关进入状态检修的时期已经不远了。

（1） 基于最大斜率法的开断电流计算

影响断路器电寿命和电磨损的主要因素是开断电流，但是，要想准确的测量开断电流也存在着很多困难，比如：短路情况下的直流分量和互感器磁饱和现象。所以要克服这些困难，就要找到一种行之有效的方法，我们选择最大斜率法原理来计算开断电流。

式（1）为任意相位处的电流值：

式中，I0为直流分量，为交流分量。

将式（1）求导，可得式（2）：

由（2）知，当ωt+θ=2kπ ，电流i的导数达到最大，如下（3）：

所以交流电流的有效值为（4）：

ωt+θ=2kπ 是式（4）成立的条件

式（5）和式（6）成立的条件是每周有2n个采样点：

则相邻电流釆样点的差值为式（7）所示：

分别取k=0和k=n-l代入式（7）中可得式（8）：

上式两个电流差值，随着a的增大而增大 ，所以最大误差为9.15％。

因此想要误差小于10％，就要使釆集频率达到1KHZ。

通过对开断电流的计算，利用仪器进行分析，可以对变电所各间隔内开关的触头开断电流的能力进行评估、打分，判断开关设备触头的完好性。进而保证开关设备安全稳定的运行。

（2）高压断路器电寿命预测原理

剩余电寿命检测与预报的核心就是对断路器触头工作的可靠性进行一个检测和评估，并且能够正确的预报断路器触头电寿命，在其电寿命终结以前。以便能够及时的发现设备隐患并通过更换电气开关来保证电力系统的安全可靠地运行。

高压断路器电磨损的计算方法各异，本文采用触头累计磨损量法计算高压断路器的电寿命。

预测电寿命基本原理就是通过燃的弧时间来计算每一次开断的电磨损量。

假设断路器每开断一次电流，它的电磨损量就是

所以断路器许可的总的磨损量wg和累计磨损量W就是

在这个公式里N表示开断总数，n表示已经开断的次数。

Qg也就是断路器许可的电磨损量总和wg同累计电流加权算法的许可的电磨损总量存在如下的关系：

所以K就是累计电流加权法的电磨损总和同N次开断试验中电流在燃弧时间内的积分的比值。所以只要通过计算燃弧时间同电流的比值就能得到触头的累计电磨损量。

下面给出少油断路器和SF6断路器相对电磨损量的具体计算方法。N为高压断路器给定的指标得到的额定短路开断电流下开断次数，Im为开断电流，Qm为每次额定短路开断电流开断时间的相对磨损。

少油断路器：

SF6断路器：

在上述四式中a，b均为经验系数。一般可取a=-1.6，b=-1.7。

小波变换在高压断路器故障诊断中的应用

（1）小波变换理论的提出

高压断路器在电力系统中应用非常广泛，每个变电站都有不同电压等级的断路器，随着时间的发展，断路器的故障诊断技术也得到了相应的发展，断路器的日常维护也需要得到重视，日常维护是指系统在正常运行时，有一台或多台开关柜停运而进行的一种维护与保养，在安全规定允许的条件下进行的，主要有以下几方面：断路器的清洁与保养。柜内清洁，可清洁柜内积灰。 在联锁、活门机构适当加润滑脂（不干型）。 检查连接件与传动件的紧固件以及开口锁、卡簧等有无松动脱落现象。所以傅里叶变换在高压断路器故障中的应用非常的重要，也得到了迅速的发展。

另外，人们为了加快计算时间和节省存储容量，在数值计算时希望把基函数离散化，在计算时无论如何离散，都不理想达不到想要的效果，因此给数值计算带来了很多的困难。

今天，一直被广泛使用的分解与重构算法是1987年Mallat把多尺度分析思想应用到小波分析中的。小波的概念是法国地球物理学家J.Morlet在分析地震数据时提出的，1986年，Y.Meyer证明了小波正交系真正存在。分解与重构快速算法到现在还在被广泛使用。

（2）小波变换原理分析

小波变换的这种方法它的主要优点就是具有很好的时频局部化能力，利用小波对分合过程的电流、电压波形进行变换，将信号分解到不同的频带，提取合适的故障特征来预测触头的剩余电寿命。

（1）连续小波变换

假如傅立叶变换满足式（16）所示：

那么就叫作一个基本小波也就是小波母函数。

伸缩平移基本小波，可得到式（17）的函数

称为依赖于参数a、T的小波基函数，也就是连续小波基函数。

函数f（t）的连续小波变换，其表达如式（18）所示：

经过以上的分析我们可以知道为了对提取信号函数的本质特征有利就要得到经过小波变换的函数，小波变换有一些地方是和傅里叶变换不同的，虽然两个都是一种积分变换。因为小波具有尺度a和平移T两个参数。

（2）离散小波变换

为了能够容易的使电脑对信号进行分析处理，在工作现场的实际中信号都是需要经过离散化处理的。

小波基函数表达式如式（19）所示：

对应的离散小波变换就是式（20）所示：

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.049