基于傅里叶分析的断路器故障诊断策略

许 婧

（河北工程技术学院）

0 引言

在直流输电系统中，通过高压换流站进行能量变换时，会产生大量的电流谐波，并且会对整个系统的有功功率和无功功率产生影响，造成输电系统负担的加重[1-2]。因此在直流输电系统运行时，在交流侧通过滤波器的投切进行无功补偿意义重大，从而提高电能质量[3]。滤波器的频繁投切给断路器的性能造成了巨大的影响[4-5]。本文通过高压换流站内的故障录波仪，提取出断路器的暂态电流波形，再根据傅里叶原理进行暂态电流频谱分析，构建故障判据，进行断路器的故障预警，避免由于断路器的问题导致直流输电系统无法正常工作[6]。

1 断路器电流暂态特征分析

断路器执行分合闸动作时的暂态电流直接与断路器物理属性相关联，即断路器物理属性的变化通过分合闸电流反映出来。对滤波器执行分合闸动作时的暂态电流进行深入研究，重点进行时域、频域特性分析，并以此作为进行断路器故障诊断与预测的基础性依据。

1.1 时域特征分析

在对断路器分合闸暂态电流时的域特征进行分析时，要根据电流的暂态变化情况，从分合闸动作时间、暂态电流峰值变化趋势、三相电流差异程度三方面展开时域特征研究。

断路器的分合闸时间直接与断路器的操作特性相关联，合闸时间是指从断路器合闸线圈接通到主触头有效接触的时间；断路器的分闸时间分为两部分，即从断路器合闸线圈分开到主触头完全脱开接触的时间和电弧熄灭时间，通过分合闸时间能够实现断路器机械故障预诊断。分合闸时间为三相分合闸时间的最大值，即：

式中，Tu、Tv、Tw分别为断路器中三相的分合闸时间。

断路器内部故障也会通过暂态电流峰值的形式表现出来，暂态电流值的峰值取断路器三相暂态电流的峰值。

断路器三相电流的非一致性通过三相差异度来描述：

式中，Iu、Iv、Iw分别为断路中三相电流的幅值，iu、iv、iw分别为断路中三相电流的暂态值。三相差异度数值越小，说明三相电流一致性越好，三相差异度数值越小，说明断路器内部存在异常。

1.2 频域特征分析

频域分析是一种分析设备运行状态，研究其内在特征的关键方法，频域信息组成内容及内容分布能够描述设备状态的动态行程，断路器正常工作时，三相交流电流波形呈现对称状态。如果断路器内部发生细微变化时，通过时域分析无法得到有价值信息。这里从谐波最大值和总谐波畸变率的角度展开频域分析。

取实际谐波最大值与额定电流的比值，再取三相最大值作为谐波最大值：

式中，IH.max为谐波最大值；IH.k为对应次数谐波有效值；IN为额定电流。

对于断路器的三相，分别计算其总的谐波畸变率：

上式能够体现出断路器动作执行的不对称性以及合闸投切的动态过程。

基于对于时域和频域特征的分析研究，将二者有机综合能够深化对于断路器分合闸电流特征描述，通过分合闸时间、暂态电流峰值等时域特征描述分合闸过程的特性，通过谐波极限值和总谐波畸变率等频域特征参数描述分合闸暂态电流的差异，由此作为故障诊断的依据。

2 断路器故障诊断策略

在断路器执行分合闸动作时，采用录波仪完成波形实时采集与监测，并完成分析，及时发现断路器非正常状态，即刻进行故障预警，是实现系统稳定性的重要手段。

傅里叶变换是一种应用最为普遍的时域频域分析方法，在数字信号处理领域采用的是离散傅里叶变换，完成数字信号的频域离散化处理，得到时域数字信号在频域上的特征，即不同频率的幅值分布。

2.1 分段随机傅里叶原理

分段随机傅里叶就是在采样间隔内进行“随机分析”，即将信号分段处理后，并不是在每一段的起点进行傅里叶分析，而是在间隔中的随机位置进行傅里叶分析，这样能够保证整个数据段傅里叶分析的完整性，避免在进行频谱分析时分段间隔与连续波形周期的同步性。

分段随机傅里叶的实现步骤：

1）将需要进行分析的信号进行N段等分，计算每一个分段内的点数（如果在分段时无法进行整除，则通过在分段前补零解决）；

2）在每一个数据分段中随机选取一个数据点作为傅里叶分析的起点（要明确每一个分段内的采样点数量，避免傅里叶分析末端的点数过长，从而超过分段长度）；

3）对每一个数据段进行傅里叶分析后将得到的频谱结果叠加处理，得到被分析信号的完整频谱；

4）频率分析与中心频率预测：实现分析信号的频域变换，先进行功率频谱的平滑处理，以方便频率分析。假设S(k) 为平滑处理后的频谱，再从中提取出幅值的极限值S(k0)，再找出超过半峰值的谱线，则得到3dB 的带宽。假设k为S(k) 中全部大于S(k0)/2 的谱线序号的集合，则计算出被分析信号的带宽预测值为：

中心频率的预测值为：

式中，Δf为频率分辨率，能够描述频率分析的细化程度；函数arg{S(k)＞0.5S(k0)}为S(k)中全部大于S(k0)/2 的谱线序号的集合。

2.2 合闸电流高频分量判据

在断路器执行合闸动作时，基于分段随机傅里叶分析方法，得到合闸电阻的作用时间，通过频谱分析结果作为诊断依据，从而完成合闸电阻的作用时间的量化处理，实现断路器状态诊断：

1）当合闸电阻的作用时间处于0～8ms 之间时，则认为断路器处于非正常工作状态；

2）当合闸电阻的作用时间处于8～12ms 之间时，则认为断路器处于正常工作状态；

3）当合闸电阻的作用时间大于12ms 时，则认为断路器处于非正常工作状态。

当断路器进执行合闸动作时，通过提前配置好的录波仪记录断路器合闸瞬间暂态电流波形，如图1所示。

图1 合闸暂态电流波形

为了进行便捷的分析，完成电压信号和电流信号的标幺化处理，在如图1 所示曲线中，0 描述断路器呈现分闸状态，1 描述断路器呈现合闸状态。三相中合闸电流相差比较显著，A 相合闸暂态电流最小，C 相合闸暂态电流最大。

对电流进行傅里叶频谱分析，则得到每一相电流的频谱情况，如图2 所示。

图2 相电流频谱分析结果

根据图2 的频谱分析结果可知，A 相中电流的高次谐波含量最低，B 相中电流的高次谐波含量居中，C 相中电流的高次谐波含量最低，说明断路器的C 相处于不正常状态，与图1 时域分析的结果是相对应的，如果规定时间内高次谐波含量的占比超过阈值，则认为断路器处于不正常状态。

3 试验验证

为了验证本文所提出故障诊断策略的有效性，以某市高压换流站的断路器为例进行功能验证，展开分析。

在断路器故障实时诊断系统中，合闸电流有效判据采用本文所提出的基于分段随机傅里叶的频域分析方法，设定电流采样数据的点数为1000，采样持续时间为20ms。在正常情况下断路器合闸电阻的动作时间为8～12ms。当合闸进行过程中，合闸电阻自主切除时，合闸暂态电流会出现显著的变化。因此，通过观察故障时刻附近的电压数据和电流数据，确定断路器合闸时暂态电流最大值所对应的采样点。合闸暂态电流抑制时间为最大采样点时刻与合闸时间之间的差值。对故障时的波形展开深入分析，故障诊断结果为：

1）A 相合闸暂态电流的抑制时间为11.7ms；

2）B 相合闸暂态电流的抑制时间为8.7ms；

3）C 相合闸暂态电流的抑制时间为0ms；

4）C 相合闸暂态电流与A 相和B 相合闸暂态电流，合闸暂态电流波动剧烈，且电流谐波含量较高，合闸电阻没有发挥对合闸暂态电流的抑制作用，C 相断路器处于异常状态。

4 结束语

本文提出一种基于傅里叶分析的断路器故障诊断策略，在传统傅里叶分析方法的基础上进行改进，克服了传统时域分析方法和传统傅里叶分析方法所存在的弊端，得到的电流傅里叶频谱数据能够正确反映出断路器的工作状态，进行故障的准确、高效定位，大大提高了直流输电系统的安全性、稳定性、可靠性，具有一定的工程应用价值，可以进行大规模推广应用。