高压断路器机械故障及振动信号采集研究

南方电网玉溪供电局 郑继辉

高压开关的执行机构在执行电路开合动作的时候必然会产生一定机械运动，而机械运动往往会有一些震动信号，并且在不同的状态下所产生的机械震动信号也不尽相同[1]。这些不同点会表现在震动的振幅、衰减等信息上，也就是说，这些震动信息与机械运动的过程存在一定关联性，而机械运动的过程受到故障的影响。如果能搭建一个将机械运动特征转换为数字信号的系统，理论上就可以对高压断路器机械故障进行分析。本文介绍了一种可以采集断路器的操动机构机械运动特征的系统，包括传感器选择、故障分析、系统的搭建等[2]。

2 高压断路器常见机械故障类型

电气设备发生故障是指设备在投入运行过程中，由于某些因素导致设备失去其功能或者不能达到其预期的作用。如果电网在正常运行过程中，一旦高压开关出现问题将对整个系统产生负面影响。不排除会让大生产区的电力供应产生问题以及出现其他相关损失。较为常见的高压开关机械故障包含拒动和误动两种。

断路器最出现次数较多、最常见的故障类型是拒动故障[3]。所谓拒动故障指的是断路器拒绝执行相应的操动指令，无法顺利执行预定动作。拒分故障和拒合故障是常见的两种拒动故障类型，而其中以拒分的故障类型相对拒合的故障类型更为多见。一旦拒分故障出现，此时一般是电路系统出现了其他问题或者需要检修而进行分闸。但是如果分闸失败就会导致上一级越级跳闸，使故障影响面积进一步扩大，因此它造成的影响更为严重。

电气故障或者机械故障都有可能引起断路器故障。机械故障的主要原因是操动系统的工作故障和传动装置故障，这些因素约占故障总数的70%。如果不对高压开关进行正确的维护，机体损耗会导致二次回路接触不良，操作机械零件变形，断路器断开动作的执行就会产生误差。这通常是由于二次回路中出现问题或者是运动机构、例如弹簧操动机构等出现问题，其中发生在断路器的计划检修后操动机构故障是最常见问题。

3 机械振动信号采集系统

3.1 信号采集系统原理[4]

图1 振动信号采集接线示意图

CA-YD-182是一种比较高精度的加速度传感器，在本次研究中使用它作为检测输入，同时配套使用NI9234为核心元件的信号采集系统来采集断路器在执行过程中的震动机械信号，通过该系统将高压开关的震动信息转化成计算机的通用二进制数据。为了获取到精准的同步震动信号，通过NI9401产生双向脉冲的方式实现。一路脉冲控制分合闸，另一路脉冲作为震动信号采集的基准信号。

如图1所示是一种采集机械振动信号的典型框架。首先是被测目标体接收到上一级系统的指令发生机械运动，在同一时间信号采集终端也开始做信号采集的工作。CA-YD-182获取到震动数据后通过NI9234转化为数字信号发送给计算机，进而由计算机继续进行信号数据的后续处理工作。

3.2 振动信号采集传感器的选择与安装

断路器的震动本质上就是一种往复运动，而这种往复运动的突出表现就是速度的大小和方向的变化，反应到物理量中就是加速度值的改变。通常的生产环境里面，操动机构的机械运动信息可以被用来辅助进行故障诊断。而这些机械运动信息是可以通过传感器测量出来的，只要选择合适的传感器就可以。加速度传感器则是比较适合的一种检测这种机械运动信息的传感器。常见的加速度传感器如图2所示，一共由三部分组成：安装用的磁座、质量块和压电晶体三个部分。压电晶体的工作方式分为压缩型（图2a）和剪切型（图2b）。纵向的振动检测是该传感器的主要检测目标，因此在纵向的灵敏度也最高。其在横向也有一定的灵敏度，但一般相对纵向灵敏度要小的多，基本可以忽略不计。

图2 加速度传感器工作原理

一旦振动发生，必然会引起传感器的振动动作的发生，在这种情况下，传感器内部的感应块会在内部进行上下运动拉扯促使其压电片的电压发生一定的改变。内部放大元件则把电荷变化进行比例放大、进行输出，被采集系统采集。压电式加速度传感器无论是在刚性还是稳定上具有其他加速度传感器所不具备的线性度、灵敏度和精确性。

压电式加速度计是一种广泛使用的高速电力放大加速度传感器，由于其体积小而广泛使用，具有高灵敏度和高抗干扰性。在测量过程中，传感器的底座与被测物进行刚性连接。振动一旦发生，传感器会立即捕捉振动的数据。同时又由于传感器本身相对整个系统来说比较小，对整个系统的影响也不大。

在振动检测过程中，为了找到有效的振动数据，必须对两个因素予以重点考虑。其中一个是传感器的固有频率，另外一个就是检测位的接触面的贴合情况。在断路器的影响下，发生频率响应。记录目标的振动信号时，必须将加速度传感器与所测目标连接起来，并与振动源一起运动。目前加速器的安装方式按照对震动频率的影响由低到高排序有以下几种：手持探针式、磁铁吸附式、粘接剂固定式和螺栓固定式。螺栓和粘合剂的方式虽然牢固，但是可能会破坏试样的性能。因此，综合考虑以上因素，采用磁铁吸附式是相对较好的方式。

4 结语

以常见的高压开关的拒动故障和误动故障这两类机械故障为主，进行了详细的阐述。常见的机械故障的具体表现有：结构件损坏、变形、移位以及卡合部位的松动、卡涩等，还有脱扣失效和轴销断裂等，而这些基本都可以通过本章所阐述的通过震动信号的方式进行故障诊断。