基于分合闸线圈电流特征的高压断路器机械故障诊断

李 聪，周建平，万书亭

（1.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003；2.国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

高压断路器作为保护电网的重要设备，其运行的可靠性十分重要[1-3]。相关研究表明，高压断路器的故障主要以机械故障为主[4]，表征机械特性的信号主要有3种：振动信号、动触头行程-时间曲线和分合闸电流曲线。操作过程中产生的机械振动信号蕴含了操作机构状态信息，例如螺丝松动、铁心卡涩等故障信息[5-6]；动触头行程-时间曲线可以反映操作机构的传动机构、触头等的工作情况[7]；分合闸电流曲线可以反映分合闸电磁铁、辅助开关等工作状态。所以对于断路器机械特性曲线进行研究具有重要意义。

国内外众多学者对高压断路器的机械特性进行了研究。Huang[8]等人构建了时域类指标作为振动信号的特征向量，应用支持向量机对故障进行诊断，取得了一定的效果。孙一航[9]等人结合经验模态分解能量总能量法对振动信号进行特征提取，来判断高压断路器故障。孙来军[10]等人应用改进的小波包-特征熵对断路器振动信号进行处理，故障检测效果良好。同时，许多学者对断路器触头行程曲线和分合闸电流曲线展开分析。安涛[11]利用ADAMS软件建立了断路器操作机构的模型，通过仿真得到了行程曲线相关特性参数。李斌[12]研究了基于断路器触头行程信号的可拓状态评估方法，详细介绍了特征提取方法，并验证了其有效性。孙银山[13]等人分别采用小波分析与时域求极值点方法提取了电流曲线的特征点，以此来评估高压断路器的运行状态。张永奎[14]等人用小波分析法和DTW（动态时间规整）对电流信号进行分析，从而判定断路器故障状态。上述方法已经得到了一定的应用，但是行程曲线的采集需要在断路器内部触头安装传感器，设备拆装对于断路器的性能有较大影响；振动信号的采集虽然不需要对断路器进行拆卸，但是采集到的信号受外界干扰较大，且振动信号的处理复杂。分合闸线圈电流信号具有非侵入的特点，信号采集简单方便，信号本身具有准确性，受外界干扰很小，所以本文采用分合闸线圈电流曲线对断路器的部分故障进行分析。

本文以分合闸线圈电流曲线作为研究对象，对电流曲线特征的提取方法进行了详细说明，并以某变电站断路器的实验数据为例，对该方法的有效性进行验证。

1 线圈电流曲线机理分析

典型分合闸线圈电流曲线如图1所示。

图1 典型分合闸线圈电流曲线

0—t1：在零时刻，线圈开始通电，电流I呈指数上升，其表达式为：

式中：U为线圈电压；R为回路电阻；Lδ=0代表电磁铁气隙为0时的电感。

在此过程中，电流产生的电磁力逐渐增强，到t1时电流达到第一个波峰，此时电流产生的电磁力大于铁心所受的外界阻力，在t1之前，铁心一直处于静止状态。t1的值受多种因素影响，包括线圈电阻R、电源、铁心以及复位弹簧等，所以该阶段可以反映线圈电压U、回路电阻R以及铁心是否卡滞等多种工作状态。

t1—t2：t1时铁心开始运动，此时线圈电流减小，到t2时电流达到最小值，在此过程中铁心的速度急剧降低，到t2时铁心撞击锁扣/脱扣装置，然后停止运动，t2在一定程度上反映了锁扣/脱扣装置的阻力大小。此阶段可以反映铁心运动卡涩情况和脱口失灵等故障。

t2—t3：t2时铁心停止运动，传动机构的锁扣被打开，此阶段电流持续上升，动触头开始动作，分闸弹簧开始分闸，到t3时电流达到峰值。该阶段可以反映传动机构的运动状态。

t3—t4：t3时动静触头完全分离，辅助开关断开，切断线圈电源，触头间产生电弧，电弧电压在短时间内急剧增大，这直接导致电流急剧减小，到t4时减小为0。该阶段的电流曲线可以反映辅助开关是否存在故障。

通过对电流特征波形进行分析发现，分合闸线圈电流可以反映电磁铁本体、弹簧操作机构、传动机构以及辅助开关等工作状态，因此，对分合闸线圈电流曲线提取t1，t2，t3，t4以及对应的电流值作为线圈电流信号的特征量。

2 特征提取理论基础

2.1 三次样条插值

三次样条插值[15]是一种分段插值方法，用分段的三次多项式构造成一个整体上具有函数和一阶、二阶导函数的连续函数，近似地替代已知函数F（x）。三次插值样条曲线在灵活性和计算速度之间进行了合理折中。与更高次样条插值相比，三次样条插值只需较少的计算和存储，且较稳定。与二次样条插值相比，三次样条插值在模拟任意形状时显得更灵活。

假设已知函数 F（x）在区间[a， b]上的（n+1）个节点 a=x0＜x1＜x2＜…＜xn-1＜xn=b 及其对应的函数值 F（xi）=yi（i=0， 1， 2， …， n）， 即给出（n+1）组样本点数据（x0， y0）， （x1， y1）， …， （xn， yn）， 可以构造定义在[a，b]上的函数S（x），满足上述条件。

（1）S（xi）=yi（i=0， 1， 2， …， n）， 即满足插值原则（2）。

（2）S（x）在每个小区间[xi， xi+1]（i=0， 1， 2，…，n－1）上都是一个三次多项式：

式中：ai0，ai1，ai2， ai3为多项式系数。

（3）S（x），S′（x）和 S″（x）在[a，b]上连续。

可见，S（x）是一个光滑的分段函数，这样的函数S（x）称为三次样条插值函数。

构造的函数S（x）是由n个小区间上的分段函数组成，根据条件（2），每个小区间上构造出一个三次多项式，第i个小区间上的三次多项式S（xi）=ai0+ai1x+ai2x2+ai3x3， 共有 n 个多项式， 每个多项式有4个待定系数。要确定这n个多项式，就需要确定 4n 个系数 ai0， ai1， ai2， ai3（i=0， 1， 2， …，n－1）。为此，应该找到包含这些系数的4n个独立方程。

根据S（x）满足的条件（1），在所有节点上可得出（n+1）个条件方程：

根据S（x）满足的条件（3），除两端点外在所有节点上，可得出3（n-1）个条件方程：

由式（3）和式（4）能够得到（4n-2）个独立方程，通常在区间[a，b]的2个端点各加1个条件，即边界条件，常用的3种边界条件是：

已知 S″（x0）和 S″（xn）， 特别是当取 S″（x0）=S″（xn）=0时，称为自然边界条件；

已知 S′（x0）和 S′（xn），即已知两端点处切线的斜率；

已知 2S″（x0）=S″（x1）和 2S″（xn）=S″（xn-1）。

在已有的（4n-2）个条件方程基础上，再加上任何一种边界条件，即可求出4n个系数，从而求得三次样条插值函数S（x）。

2.2 特征提取方法

分合闸线圈电流曲线经过三次样条插值处理后可以近似看作一条光滑的曲线，对于光滑曲线的极值，通常采用求导法获得。但由于电流是由一系列的点组成，不能准确求出其曲线的表达式，所以无法应用求导法获得。但当两点间的间隔足够小时，可以采用相邻点的斜率来近似代替该点的导数[16]，即：

通过考察相邻两点斜率的正负情况，确定极值点。对于大部分信号，会获得3组极值，但是曲线中仍不免存在一些小尖峰和波谷，有时会出现多于2个极值点的情况。所以要对检测到的极值点进行分组处理，分组数量根据分合闸电流实验数据确定。根据合闸电流曲线波形可知，波峰波谷的出现顺序是先波峰再波谷最后又是波峰，所以将电流信号分为3组，分别求取3组极值数据中的y值最值，即分别求取3个区间的最大值、最小值和最大值。

3 实验验证

本文以1台35 kV户外高压SF6断路器为实验对象，实验现场如图2所示。选用霍尔电流传感器测量线圈电流信号，考虑到断路器分闸时间为（50±10） ms， 合闸时间为（80±15） ms， 设置采集时间为200 ms，采样频率为10 kHz，以保证电流信号的充分采集。实验采用模拟故障法，分别采集正常工作状况下的电流信号、电压较低（200 V）、合闸弹簧疲劳、传动机构松动和分闸脱扣装置卡涩5个信号。其中，电压较低故障是通过将电压调低至200 V实现，合闸弹簧疲劳是通过将合闸弹簧固定螺栓拧松3圈实现，传动机构松动通过松动基座螺栓实现，分闸锁扣装置卡涩是通过用卡片卡住分闸锁扣装置实现。

实验测试原理如图3所示，上位机连接采集卡，设定触发通道和采集时间。分合闸线圈在动特性测试仪的控制下导通，电压转换装置将直流220 V电压转换成直流5 V电压，用来触发采集卡采集霍尔传感器检测到的电流信号，按照设定的采集时间采集数据，并传输到上位机。

3.1 曲线光滑处理

实验中采集到的电流信号包含许多尖峰和波谷，影响了信号特征的提取，所以本文采用三次样条插值的方法对分合闸电流信号进行光滑处理，线圈电流曲线与三次样条插值处理过的曲线对比如图4、图5所示，通过对比可以明显发现曲线的一些小尖峰和波谷已经被光滑处理，同时曲线的重要特征没有受到影响，所以可以对光滑处理过的曲线进行特征提取。

图2 实验现场

图3 实验测试原理

图4 分闸线圈电流曲线光滑处理前

3.2 特征提取

利用求斜率近似求导的方法求取曲线极值，因为采样间隔足够小，所以用相邻两点的斜率近似代替该点的导数值。其中，xi与yi分别为i点对应的坐标值。若i点斜率为0，则判断（i-1）点与（i+1）点的斜率，若两点斜率不全为0，则判断该点为极值点，取i与（i+1）的中点坐标为极值点坐标，否则判断该点为无用的点；若i点斜率不为0，考察相邻两点斜率的符号，异号则判定第（i+1）点为极值点。i的取值取决于分合闸时间，以合闸过程为例，已知合闸时间最大为95 ms，所以i取950个点。特征提取流程如图6所示。

图5 合闸线圈电流曲线光滑处理后

图6 特征提取流程

通过三次样条插值和极值点求取，得到信号2个端点和3个极值点的坐标，对应的时间和电流数据见表1和表2，对应的电流信号特征曲线如图7、图8所示。

3.3 数据分析

表1 分闸信号波形时间和电流参数

表2 合闸信号波形时间和电流参数

图7 分闸电流信号特征曲线

图8 合闸电流信号特征曲线

由表1、表2和图7、图8可以看出：

（1）信号1的曲线与正常分合闸电流信号特征曲线相比，电流值均偏小，同时各个特征点的时间滞后，根据式（1）分析，信号1产生这些问题的原因可能是断路器的二次回路电压偏低或线圈的电阻偏大。结合模拟故障实验，验证信号1是电压较低时（200 V）采集到的电流信号。

（2）信号2的分闸电流信号特征曲线与正常信号特征点基本吻合，但是合闸特征曲线各特征点的电流值均偏高，且时间值均滞后于正常工况。经过分析可得：分闸特征曲线正常说明二次回路电压正常；合闸电流较大且时间滞后，说明有可能是机构或本体中存在卡涩现象，使得合闸撞杆撞击合闸触发器时需要更大的力，或者是合闸弹簧疲劳，导致机构零件运动不到位，使得各特征点的时间滞后。结合模拟故障实验，验证信号2是合闸弹簧疲劳时采集到的信号。

（3）信号3的曲线中，t1和t2以及对应的电流I1和I2与正常分合闸线圈电流曲线较吻合，但t3和t4均滞后于正常电流曲线，I3高于正常电流曲线，表明故障出现在t2—t3过程，说明弹簧操作机构或传动机构存在故障，时间滞后表明可能是传动机构存在卡涩或者松动故障。结合模拟故障实验，证明信号3为传动机构松动故障信号。

（4）信号4的曲线与正常合闸电流曲线对比，各特征点与正常信号较为吻合；与分闸电流曲线对比，各特征点时间滞后于正常信号，说明启动铁心动作时，铁心撞击分闸锁扣装置所需时间大于正常工作时间，可能是分闸锁扣装置存在卡涩现象。结合模拟故障实验，验证信号4为分闸锁扣装置卡涩故障信号。

通过对信号进行理论分析，结合实验验证，表明了利用电流的特征点对断路器的机械故障进行诊断和检测具有直观性和有效性。

4 结语

本文以分合闸线圈电流为研究对象，应用三次样条插值和近似导数法对其特征进行提取，该方法可以快速准确地提取电流特征。实验表明，运用该方法得到的电流特征曲线可以直观且较准确地判定断路器的部分机械故障，为后续的断路器故障监测与诊断提供依据。文中实验数据均由同一台断路器测量得到，为了提高断路器机构状态检测的准确性，在今后的研究中将对同型号的不同断路器分合闸线圈电流进行比较，进而对不同型号的断路器分合闸线圈电流进行研究，建立典型高压断路器电流波形数据库。