田振宇

變電站用高壓斷路器電氣故障診斷

田振宇

隨著社會經(jīng)濟的全面發(fā)展，日常生活和生產(chǎn)中對電力供應(yīng)方面提出了更高的要求，這就要求電力供應(yīng)更加的穩(wěn)定和高效。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要、最復(fù)雜的電氣設(shè)備之一，它對電力系統(tǒng)的安全運行起重要作用。因此，加強對高壓開關(guān)柜的故障診斷，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文介紹了高壓斷路器電氣故障的診斷方法的研究，通過小波變換原理分析，說明了小波變換在高壓斷路器故障診斷中的應(yīng)用。利用最大斜率法計算開斷電流從而實現(xiàn)對高壓斷路器電壽命的預(yù)測。

電力系統(tǒng)能夠安全可靠地運行是非常重要的，為了能夠滿足系統(tǒng)運行的可靠性，保證電力系統(tǒng)的正常運行，就必須對設(shè)備的質(zhì)量和技術(shù)加強要求，提高標(biāo)準(zhǔn)。而設(shè)備在運行的時候是不可能不出現(xiàn)問題的，由于各種因素的影響比如元件老化、環(huán)境惡劣等，造成設(shè)備在運行的時候出現(xiàn)各種問題，這些問題可能導(dǎo)致設(shè)備無法使用，還可能引發(fā)重大事故造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此，提高檢修質(zhì)量，加強設(shè)備的管理，在發(fā)生故障時能夠快速的切除故障就顯得尤為重要。

故障診斷方法

高壓斷路器的觸頭在開斷電流時會對產(chǎn)生電弧，從而對斷路器觸頭有電磨損，觸頭的電磨損是斷路器電壽命的主要的參數(shù)，傳統(tǒng)意義上說電磨損包括滅弧室、滅弧介質(zhì)以及滅弧觸頭的磨損量，我們在實際現(xiàn)場所說的是指斷路器的電磨損指的是斷路器滅弧觸頭的一個磨損量。當(dāng)斷路器在開斷故障電流時，這時的短路電流非常的大，所以電弧產(chǎn)生的熱量非常的高，所以就會使觸頭及噴口燒損，這樣就會嚴(yán)重的影響斷路器的開斷性能。

過去的觸頭電壽命的評估主要是依據(jù)開斷電流的大小和次數(shù)來進行衡量的，目前我們對斷路器觸頭壽命的監(jiān)控主要還是用開斷電流加權(quán)累積法進行評估，這種方法簡單易行操作起來也很簡單，所以被廣泛應(yīng)用，但是這種方法有一個缺點，就是它監(jiān)測的誤差比較大。

現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展快速發(fā)展，故障診斷技術(shù)也是今非昔比、發(fā)展迅速，在國際上，一些在診斷技術(shù)上的權(quán)威有這樣的觀點：故障診斷技術(shù)一共分為兩個大類，他們是有模型的和無模型的故障診斷技術(shù)，無模型的診斷技術(shù)又分為兩個方法：信號處理的方法診斷技術(shù)和基于知識的方法診斷技術(shù)。

高壓斷路器電壽命的分析

高壓斷路器的電壽命受到影響的因素很多，其中的重要因素包括：開關(guān)觸頭電磨損，它對高壓開關(guān)觸頭一般是采用以記錄累計開斷電流或開斷次數(shù)為根本的。在同樣的外界環(huán)境時，對于同一高壓開關(guān)第一次開斷電流和第二次開斷電流相等時，但是所產(chǎn)生的燒損程度卻可能不一樣。如果燒損量相差的很大，電流的差距也很大時，就是因為高壓開關(guān)觸頭的燒損機理不同。電磨損與觸頭分?jǐn)嗨俣冗€有電弧能量等因素有關(guān)，且電磨損與電弧能量是不存在比例系數(shù)的。因此，我們要完成的就是要通過完成在實踐中的電壽命概念來監(jiān)測高壓開關(guān)觸頭電磨損和電壽命。

目前，隨著新技術(shù)的發(fā)展電壽命理論也在不斷完善，加上電腦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓開關(guān)在線監(jiān)測電磨損已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，高壓開關(guān)進入狀態(tài)檢修的時期已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

（1） 基于最大斜率法的開斷電流計算

影響斷路器電壽命和電磨損的主要因素是開斷電流，但是，要想準(zhǔn)確的測量開斷電流也存在著很多困難，比如：短路情況下的直流分量和互感器磁飽和現(xiàn)象。所以要克服這些困難，就要找到一種行之有效的方法，我們選擇最大斜率法原理來計算開斷電流。

式（1）為任意相位處的電流值：

式中，I0為直流分量，為交流分量。

將式（1）求導(dǎo)，可得式（2）：

由（2）知，當(dāng)ωt+θ=2kπ ，電流i的導(dǎo)數(shù)達(dá)到最大，如下（3）：

所以交流電流的有效值為（4）：

ωt+θ=2kπ 是式（4）成立的條件

式（5）和式（6）成立的條件是每周有2n個采樣點：

則相鄰電流釆樣點的差值為式（7）所示：

分別取k=0和k=n-l代入式（7）中可得式（8）：

上式兩個電流差值，隨著a的增大而增大 ，所以最大誤差為9.15％。

因此想要誤差小于10％，就要使釆集頻率達(dá)到1KHZ。

通過對開斷電流的計算，利用儀器進行分析，可以對變電所各間隔內(nèi)開關(guān)的觸頭開斷電流的能力進行評估、打分，判斷開關(guān)設(shè)備觸頭的完好性。進而保證開關(guān)設(shè)備安全穩(wěn)定的運行。

（2）高壓斷路器電壽命預(yù)測原理

剩余電壽命檢測與預(yù)報的核心就是對斷路器觸頭工作的可靠性進行一個檢測和評估，并且能夠正確的預(yù)報斷路器觸頭電壽命，在其電壽命終結(jié)以前。以便能夠及時的發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并通過更換電氣開關(guān)來保證電力系統(tǒng)的安全可靠地運行。

高壓斷路器電磨損的計算方法各異，本文采用觸頭累計磨損量法計算高壓斷路器的電壽命。

預(yù)測電壽命基本原理就是通過燃的弧時間來計算每一次開斷的電磨損量。

假設(shè)斷路器每開斷一次電流，它的電磨損量就是

所以斷路器許可的總的磨損量wg和累計磨損量W就是

在這個公式里N表示開斷總數(shù)，n表示已經(jīng)開斷的次數(shù)。

Qg也就是斷路器許可的電磨損量總和wg同累計電流加權(quán)算法的許可的電磨損總量存在如下的關(guān)系：

所以K就是累計電流加權(quán)法的電磨損總和同N次開斷試驗中電流在燃弧時間內(nèi)的積分的比值。所以只要通過計算燃弧時間同電流的比值就能得到觸頭的累計電磨損量。

下面給出少油斷路器和SF6斷路器相對電磨損量的具體計算方法。N為高壓斷路器給定的指標(biāo)得到的額定短路開斷電流下開斷次數(shù)，Im為開斷電流，Qm為每次額定短路開斷電流開斷時間的相對磨損。

少油斷路器：

SF6斷路器：

在上述四式中a，b均為經(jīng)驗系數(shù)。一般可取a=-1.6，b=-1.7。

小波變換在高壓斷路器故障診斷中的應(yīng)用

（1）小波變換理論的提出

高壓斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，每個變電站都有不同電壓等級的斷路器，隨著時間的發(fā)展，斷路器的故障診斷技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，斷路器的日常維護也需要得到重視，日常維護是指系統(tǒng)在正常運行時，有一臺或多臺開關(guān)柜停運而進行的一種維護與保養(yǎng)，在安全規(guī)定允許的條件下進行的，主要有以下幾方面：斷路器的清潔與保養(yǎng)。柜內(nèi)清潔，可清潔柜內(nèi)積灰。 在聯(lián)鎖、活門機構(gòu)適當(dāng)加潤滑脂（不干型）。 檢查連接件與傳動件的緊固件以及開口鎖、卡簧等有無松動脫落現(xiàn)象。所以傅里葉變換在高壓斷路器故障中的應(yīng)用非常的重要，也得到了迅速的發(fā)展。

另外，人們?yōu)榱思涌煊嬎銜r間和節(jié)省存儲容量，在數(shù)值計算時希望把基函數(shù)離散化，在計算時無論如何離散，都不理想達(dá)不到想要的效果，因此給數(shù)值計算帶來了很多的困難。

今天，一直被廣泛使用的分解與重構(gòu)算法是1987年Mallat把多尺度分析思想應(yīng)用到小波分析中的。小波的概念是法國地球物理學(xué)家J.Morlet在分析地震數(shù)據(jù)時提出的，1986年，Y.Meyer證明了小波正交系真正存在。分解與重構(gòu)快速算法到現(xiàn)在還在被廣泛使用。

（2）小波變換原理分析

小波變換的這種方法它的主要優(yōu)點就是具有很好的時頻局部化能力，利用小波對分合過程的電流、電壓波形進行變換，將信號分解到不同的頻帶，提取合適的故障特征來預(yù)測觸頭的剩余電壽命。

（1）連續(xù)小波變換

假如傅立葉變換滿足式（16）所示：

那么就叫作一個基本小波也就是小波母函數(shù)。

伸縮平移基本小波，可得到式（17）的函數(shù)

稱為依賴于參數(shù)a、T的小波基函數(shù)，也就是連續(xù)小波基函數(shù)。

函數(shù)f（t）的連續(xù)小波變換，其表達(dá)如式（18）所示：

經(jīng)過以上的分析我們可以知道為了對提取信號函數(shù)的本質(zhì)特征有利就要得到經(jīng)過小波變換的函數(shù)，小波變換有一些地方是和傅里葉變換不同的，雖然兩個都是一種積分變換。因為小波具有尺度a和平移T兩個參數(shù)。

（2）離散小波變換

為了能夠容易的使電腦對信號進行分析處理，在工作現(xiàn)場的實際中信號都是需要經(jīng)過離散化處理的。

小波基函數(shù)表達(dá)式如式（19）所示：

對應(yīng)的離散小波變換就是式（20）所示：

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.049