断路器机械故障振动信号检测系统研究

南方电网临沧供电局 陆佳其 张云 罗明 张国林

在断路器分、合闸操作时，为对其产生的振动信号进行测量，选择搭建振动信号检测系统实验平台实现测量。其检测系统要求不仅能测量在分、合闸操作时产生的振动信号，并且另一方面还能对其操作进行控制，从而达到检测目的[1]。振动信号检测系统通常由主机、控制电路、断路器和传感器以及振动监测仪等五个主要部分组成。

1 振动信号检测装置

1.1 断路器的选择

开断元件是执行元件，主要起到闭合、切断电流的作用。其执行闭合、切断动作的能量来源则为操动机构，并具有不可替代的重要作用，根据能量来源的不同可将其分为弹簧式和电磁式两大类。对比这两种操动系统，电磁操动机构不仅对电源要求较高，并一直存在合闸速度慢的问题。相对来说弹簧操动机构并不存在这两个问题，因此在众多科学研究中被广泛应用，其操作方式分为手动和电动两种。对于弹簧操动系统来说，弹簧作为执行分、合闸操作的能量来源，是其最为主要的部件之一[2]。

少油断路器优势在于结构简单且价格便宜，但检修频繁，且在检修时需进行解体操作，不仅操作过程繁琐且检修成本耗费巨大。除此之外，因灭弧介质和触头间的绝缘介质都是油，因此发生火灾的风险系数较高，安全性较差[3]。

SF6断路器具有较强的灭弧性能，优点是能连续多次进行分合闸操作且噪声小。SF6气体不可燃，不具有发生火灾的风险。SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质，为保证其密封性不发生泄露，对制造工艺及材料的要求更为严格，受此因素的限制，在实际的生产应用中并不广泛[4]。

相对于上述两类断路器真空断路器各方面优势明显，基本上结合了少油断路器结构简单、价格便宜与SF6断路器连续多次进行分合闸操作且噪声小的共同优势。除此之外也并不存在这两种断路器的缺点，其检修便捷极大的节省了检修成本和精力，此外灭弧和绝缘介质均为高真空，因此相对来说更为稳定且不惧火灾风险。由于真空断路器在各方面的众多优势，因此生产实际中得到了广泛应用。本文采用ZW51-12型真空断路器进行振动信号检测系统的搭建（表1）。

表1 ZW51-12型真空断路器参数表

1.2 传感器的选择

振动信号检测系统核心在于对信号的采集。信号的采集需要借助于传感器，因此影响检测系统的测量精度的一个重要因素就是传感器的性能高低。一般来说，在检测系统的搭建中，为保障其具有较高的测量精度，当信号类型发生变化时，相应的也需要改选传感器的类型。就速度传感器而言，因其具有输出阻抗低且灵敏度较高的优势被广泛应用于生产实际中。但由于其传感器频带宽度较窄，通常频率不超过1kHz，而断路器的振动信号频带宽度较大，最高频率甚至可达数千Hz，因此速度传感器在使用条件上具有很大的限制，当频带宽度不符合条件则无法有效完成信号的提取[5]。

对比于速度传感器，压电式传感器不仅具有较宽的频带宽度且自重较小，所以在信号的测量上被越来越广泛使用。压电式传感器工作的原理是利用压电效应，当断路器振动时，压电晶体在一定方向上会受到力的作用，且与振动的剧烈程度之间成正比关系。压电晶体在力的作用下会发生形变，从而内部会发生极化现象，同时表面还会出现两种极性不同的电荷；当振动停止时力的作用消失，压电晶体表面的电荷相应消失，从而恢复到开始时不带电状态。信号的大小可通过对引出线上的电荷进行测量及处理后得到。本文搭建的振动信号检测系统选用YD-1型压电式加速度传感器（表2）。

1.3 安装方式的选择

当断路器振动时，其加速度频率能够高达数千赫兹，当电力系统电压等级较低和较高时，振动加速度的瞬时幅值分别能够达到数百和数千。由于振动加速度的幅值和频带宽度与传感器的安装方式和位置有关，其安装方式和位置的不同会在一定程度上对幅值和频带宽度产生影响，通常在生产实际中将略低于出厂设置中的理想值。

在对比分析几种主要的传感器的安装方式时通常要考虑以下问题：此位置下的振动幅度是否在其承受范围内；传感器是否会因分、合闸次数的增加发生位置的偏移情况；安装和拆卸是否会影响传感器和断路器状况。

一般来说，传感器主要的固定方式可分为手持探针式、永磁体吸附式、粘合式和螺栓固定式以及粘合与螺栓固定结合式等五大类。手持探针式具有操作便捷的显著优点，通常应用于对大工作量的多个位置的测量，然而其测量结果不够精确，且无法采集频率高于10000Hz的振动信号；永磁体吸附式优势在于稳固性好不会产生滑动，还能将传感器与断路器进行绝缘。缺点为待测信号的频率会有一定程度上的损失；粘合式的显著优势在于频率响应好，但并不适用于长期频繁使用且清洁困难；螺栓固定式的灵敏度与频率响应均较高，但需要在断路器表面打孔，不仅破坏其结构且会或多或少的影响其振动，削减使用年限。目前粘合与螺栓固定结合式的使用最为普遍。

1.4 振动监测仪的选择

振动监测仪，通常用于对机械振动的振动加速度等参数进行测量，能够在变压器、断路器和GIS设备等环境中稳定运行，其优点在于不仅操作简单方便携带，且具有很高的灵敏度，对振动信号因设备缺陷、零部件松动等故障造成的变化，能够灵敏反映。本文在搭建振动信号检测系统时采用的振动监测仪型号为ES-HEVM。

2 系统总体方案

在对断路器进行分、合闸操作时，首先需要进行储能操作，通过电机对合闸弹簧完成储能后，弹簧操动机构维持在储能状态；其次，在执行合闸操作后，合闸弹簧储存的能量被全部释放出来，其中一小部分被用于保证操作的顺利进行，剩余大部分能量被用于分闸弹簧储能操作，以此保证在合闸操作执行完后能顺利执行下一步分闸操作。之后，当合闸弹簧释放能量完成后，再一次进行合闸弹簧储能操作；最后，当弹簧操作机构执行分闸操作时，分闸弹簧将储存的能量全部释放，当执行完后便恢复到初始储能状态。

已知测量结果会受传感器安装位置的影响，通过对比其测量结果并进行数据分析后发现，安装位置与测量效果之间的关系为越靠近动力源效果越好。因此，相比于其他安装位置，选择为弹簧操动机构的支架时，数据的保真度更高效果更好。本文亦是将其选择为最佳安装位置（图1）。

图4 振动信号检测系统实物图

在测量断路器振动信号之前，首先需要人为进行故障设置，将其分别设置为铁芯卡涩、缓冲器无效超程及绝缘拉杆松动等三种故障；之后分别在上述三种故障和正常状态下对断路器进行合闸操作，分别采集100组动作时的振动信号，在振动监测仪将其放大后，传输至主机；最后对其去噪、特征提取及故障诊断。