试析断路器机械故障及其成因

王胜男 安金楠 何平

摘 要： 目前，我国市场经济在迅猛发展，社会在不断进步，将断路器机械特性故障概括为三种，即拒动、误动和其他故障等，以下对断路器机械故障进行探究，并对其产生的原因进行剖析。

关键词： 断路器;机械故障;故障机理

【中图分类号】 TM561.3      【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）14-0209-01

引言

断路器的种类很多，结构复杂，另外其性能又受到安装的地理环境和天气状况等外部因素的影响，所以断路器的故障类型各不相同。通过分析国内外对断路器故障相关统计数据发现，其中机械故障占了60%～70%左右，因此，研究分析断路器机械故障类型和原因，实时监测断路器的运行状态，及时发现并解决断路器潜在的机械故障，将有利于断路器的稳定运行，提高供电系统的安全性能和经济性能，构建强大的智能电网。

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。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。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。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。

2 断路器误动故障及其成因

这里所探究的误动故障是指断路器在没有接收到动作指令时即发生动作，其中涵盖了保护跳闸、偷跳、合后即分等非人为因素形成的断路器动作。现阶段，在传统预防性试验时不应脱扣，断路器分闸脱扣器的最低动作电压处在额定电压的30%～60%之间，合闸最低动作电压处于额定电压的30%～80%（交流为85%）之间。国家标准（如GB11022和DL/T596）明确规定了断路器最低动作电压，对于30%及以下额定电压不应脱扣的要求，目的是防止电力设备干扰引起的断路器误动作。在实际工作中，即使对于断路器误动的试验较为精细，却仍然发生较多的断路器误动问题。在分析断路器误动的成因时，发现该故障的发生与拒动十分相似，其原因主要为操作机构无法保持状态或电气部分受到干扰或出现问题。操作机构无法保持状态。断路器设备的机械部件是由简单自由度为1的四连杆机构组成的，分合闸保持挚子是用来限制断路器运动的，可以理解为在四连杆机构的主动轴上加上了約束，使其自由度变为0。而断路器误动的成因源自其机械结构无法保持住状态，四连杆机构的约束不能制止主动轴的运动，四连杆机构的自由度可回归为1。当储能部件恰处在储能完成状态，那么就会使断路器形成误动。电气受到干扰或出现故障。在正常情况下断路器分合闸回路为断路状态，在工作中，下达动作指令后，分合闸回路才会形成联通。在分合闸动作完成时，机械结构会将分合闸回路切断。在异常情况下，断路器元器件会受到干扰，导致分合闸回路处于联通状态，进而使断路器执行分合闸动作。此外，变电站断路器布局也会对其产生影响，如布局紧凑，在母线带电时磁场范围内的导线可形成感应电，在国家标准中，对于对断路器最低动作电压也有明确规定，即处于30%工作电压以下时断路器不可实现分合动作，主要是为避免感应电对断路器造成影响而形成误动。

3 振动信号的特征提取

断路器的操作起始于分合闸电磁铁线圈上电，之后通过一系列的机械联动实现储能机构中能量的释放，并通过力的传递和方向控制，带动动触头运动。整个操作过程中，零部件之间的机械撞击、摩擦，以及机械力、电动力等的作用均可以激发机械振动。机械振动通过设备零部件之间的连接向外传播，可以在传播路径和开关的机座、外壳上测得，对其进行信号处理后可得到反映断路器机械状态的信息。振动信号具有状态信息丰富、信噪比高的优点。振动信号特征提取的研究起始于20世纪80年代，早期提出了振动事件提取法、频域法、时频幅值法、“状态图”法、动态时间规整法、偏差测试法、指数衰减振荡子波分解法等。21世纪以后，又引入了短时能量法、细化频谱分析、小波分析、希尔伯特黄变换、积分参数法、分形方法、相空间重构法等。近几年来，研究人员一方面针对断路器振动的特点，对已有的经验模态分解、小波及小波包变换等方法加以优化，一方面也利用新的信号处理方法，如局部均值分解，经验小波变换等对振动信号进行分析。下面介绍几种主要的振动信号特征提取方法。

4 噪声去除

在断路器的振动信号中，除了有高频之外，还有低频，与机械状态相关联的信息大部分都集中在高频上，如触头撞击形成的冲击信号，除此之外的信息则集中在低频上。在现场对断路器进行振动信号采集时，若是其它断路器进行分合闸操作，则会对振动信号测量结果的准确性造成影响。不仅如此，采集的振动信号本身也存在噪声，所以需要进行去噪处理，将无用的信息除去，保留具有利用价值的信息，从而提高机械故障诊断结果的准确性。在对断路器振动信号的噪声进行去除时，可以采用小波变换的方法，这种方法分为两种情况，一种是借助软阈值来去除振动信号中的噪声，另一种则是通过硬阈值来完成去噪。

结语

从以上分析，断路器拒动、误动和其他故障会造成断路器机械故障。本文深入剖析了导致断路器机械故障的成因，并可为断路器故障检测提供借鉴。

参考文献

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