低壓斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測方法研究

胡博凱 李 奎 牛 峰 趙成晨

低壓斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測方法研究

胡博凱1,2李 奎1,2牛 峰1,2趙成晨1,2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業(yè)大學） 天津 300130 2. 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業(yè)大學） 天津 300130）

低壓斷路器作為低壓配電系統(tǒng)中重要的保護裝置，主要用于切斷和接通負荷電路以及斷開故障電路，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。斷路器內(nèi)部機械部件的可靠運行對其操作性能至關(guān)重要，隨著操作次數(shù)的增加，斷路器的機械特性將逐漸退化，最終破壞操作機構(gòu)的正常運動，進而引起合分閘失敗，甚至對配電系統(tǒng)造成影響。為了準確監(jiān)測低壓斷路器的機械特性，提出基于操作機構(gòu)運動特性的低壓斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測方法。首先，根據(jù)操作機構(gòu)的運動特性分析機構(gòu)合分閘過程中的旋轉(zhuǎn)特征，并選取能夠反映操作機構(gòu)性能的特征量；其次，定量分析觸頭磨損、機構(gòu)磨損和分閘彈簧斷裂對機構(gòu)性能的影響，通過實時監(jiān)測特征量的變化實現(xiàn)機械部件性能的診斷；最后，通過定量計算觸頭超程性能退化對分閘能量和機構(gòu)性能的影響，實現(xiàn)觸頭超程狀態(tài)的監(jiān)測。實驗結(jié)果表明，所提方法能夠有效監(jiān)測低壓斷路器機械部件的狀態(tài)信息，實現(xiàn)觸頭超程狀態(tài)的準確評估，為低壓斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測與診斷提供一種新方法。

低壓斷路器 機械 操作機構(gòu) 觸頭超程 狀態(tài)監(jiān)測

0 引言

低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中重要的控制和保護設(shè)備，其可靠運行對電力系統(tǒng)極其重要[1-6]。隨著操作次數(shù)的增加，斷路器承受的電氣應力和機械應力會導致機構(gòu)內(nèi)部機械部件的性能退化，最終無法正常運行，因此，如何有效且準確地監(jiān)測斷路器內(nèi)外部信號并在線診斷斷路器性能退化部件和退化程度是目前亟須解決的問題。其中，通過監(jiān)測斷路器機械特性對其性能進行評估是最常用的方法[7-8]。斷路器的機械特性主要包括觸頭開距、觸頭超程、合分閘時間、合分閘速度和操作力矩等[9]。其中，觸頭超程是非常關(guān)鍵的特征量，它不僅影響其他機械特性，還會影響回路電阻、斷路器機械壽命以及電壽命[10]?？蚣軘嗦菲饕话阌迷诖笕萘控摵苫芈飞希３Ｗ鳛榈蛪号潆娤到y(tǒng)中變壓器的出口保護，因此本文重點分析框架斷路器的機械特性。

目前，斷路器的狀態(tài)監(jiān)測一般包括線圈電流信號監(jiān)測、振動信號監(jiān)測和聲音信號監(jiān)測三類。其中，斷路器分合閘線圈中的電流信號包含大量的斷路器運行信息[11-15]，梅飛[13]和倪建軍[14]等通過分析斷路器機構(gòu)故障對分合閘線圈電流信號的影響，實現(xiàn)斷路器狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷。近年來，國內(nèi)外學者在利用振動信號監(jiān)測斷路器性能方面已取得了許多有價值的成果[16-23]。譚佳明等使用短時能量法、總能量分析法及信息熵法對振動信號分析處理，實現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測[16]。萬書亭等利用動態(tài)時間規(guī)整（Dynamic Time Warping, DTW）算法對兩個短時能熵比序列進行規(guī)整匹配以得到最優(yōu)匹配路徑，之后根據(jù)匹配路徑曲線的變化情況判斷斷路器的工作狀況[18]。還有一些學者通過聲音信號評估斷路器操作性能[24-25]，楊元威等利用Kolmogorov-Smirnov檢驗法搜索故障信號與正常信號幅值分布的差異區(qū)間，通過分析貢獻最大的若干特征量實現(xiàn)斷路器機械故障的診斷[24]。

近年來，國內(nèi)外學者在監(jiān)測斷路器觸頭超程方面也取得了眾多成果[26-27]，楊秋玉等采用希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform, HHT）處理斷路器振動信號，探究經(jīng)驗模態(tài)分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）得到本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Fuction, IMF）Hilbert邊際譜能量隨觸頭超程變化的規(guī)律[26]，并采用集合經(jīng)驗模態(tài)分解（Ensemble EMD, EEMD）得到反映振動信號局部特性的IMF分量, 計算前8階IMF分量的Hilbert邊際譜能量值, 構(gòu)造反映觸頭超程變化的振動信號特征量, 最后結(jié)合支持向量機（Support Vector Machine, SVM）實現(xiàn)高壓斷路器觸頭超程狀態(tài)的自動識別[27]。

近年來，關(guān)于機械部件和觸頭超程性能退化對斷路器操作性能影響機理的研究較少，且狀態(tài)監(jiān)測方法的主要研究對象為高壓斷路器。同時框架斷路器在實際使用過程中常會出現(xiàn)零部件磨損、變形、斷裂等故障，這些故障會導致斷路器運行性能降低，嚴重時會造成斷路器合分閘失敗等事故。鑒于此，本文分析了曲柄鉸接點、電極籠鉸接點和動觸頭在合分閘過程中的位移曲線，選取能夠反映操作機構(gòu)性能的特征量，研究了不同機械部件和觸頭超程性能退化對特征量的影響機制，實現(xiàn)了框架斷路器機械特性狀態(tài)的監(jiān)測。

1 框架斷路器操作機構(gòu)運動過程及特征量選取

1.1 框架斷路器操作機構(gòu)組成

框架斷路器主要由操作機構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、保護系統(tǒng)（過載保護、短路保護）、鎖扣機構(gòu)組成，其中操作機構(gòu)中含有兩組彈簧（儲能彈簧和分閘彈簧），觸頭系統(tǒng)中含有一組彈簧（觸頭彈簧），其主要機構(gòu)如圖1所示。

圖1 框架斷路器內(nèi)部主要機構(gòu)

框架斷路器的操作性能主要由操作機構(gòu)、觸頭系統(tǒng)和鎖扣機構(gòu)決定，機構(gòu)中任一機械部件發(fā)生性能退化都會導致機構(gòu)的運動規(guī)律發(fā)生改變。具體機構(gòu)示意圖如圖2a所示，操作機構(gòu)中驅(qū)動桿IH、驅(qū)動連桿GH、曲柄FG組成的驅(qū)動機構(gòu)和曲柄FE、觸頭連桿DE、電極籠CD組成的動觸頭機構(gòu)共用一個曲柄，對操作機構(gòu)進行簡化示意圖如圖2b所示。

圖2 框架斷路器操作機構(gòu)及簡化示意圖

根據(jù)操作機構(gòu)中各連桿的連接方式，可建立機構(gòu)合分閘過程的運動方程，并獲取機構(gòu)運動過程中反映其操作性能的特征量。

1.2 操作機構(gòu)合閘過程及特征量選取

圖3 框架斷路器合閘過程操作機構(gòu)運動示意圖

根據(jù)矢量方程法建立操作機構(gòu)合閘過程中各連桿間的運動關(guān)系方程

式中

根據(jù)式（1）、式（2）計算框架斷路器合閘過程中機構(gòu)各構(gòu)件位移關(guān)系，如圖4所示?？梢钥闯?，框架斷路器合閘過程分為三個階段：階段Ⅰ，動靜觸頭接觸前，電極籠CD和動觸頭臂CB同軸轉(zhuǎn)動；階段Ⅱ，動靜觸頭接觸后，動觸頭臂CB停止轉(zhuǎn)動，機構(gòu)向死區(qū)轉(zhuǎn)動；階段Ⅲ，機構(gòu)越過死區(qū)，之后向末態(tài)位置轉(zhuǎn)動，完成合閘操作。

圖4 合閘過程機構(gòu)各構(gòu)件位移關(guān)系圖

由上述分析可知，框架斷路器在合閘過程中存在動、靜觸頭接觸、死區(qū)和末態(tài)三個特征位置。其中，動、靜觸頭接觸時，觸頭碰撞會產(chǎn)生較大的沖擊反力，同時觸頭彈簧也會提供反力，兩種反力相加將大于儲能彈簧提供的合閘動力，導致機構(gòu)減速，因此機構(gòu)合閘過程中速度最大點與動靜觸頭接觸點處于同一時刻。同時動靜觸頭接觸后動觸頭臂CB停止轉(zhuǎn)動，電極籠CD繼續(xù)壓縮觸頭彈簧，因此鉸接點D和鉸接點E從觸頭接觸到機構(gòu)末態(tài)的位移可以代表觸頭超程，即觸頭彈簧壓縮量。

測量鉸接點E、鉸接點D、動觸點B合閘過程的位移，對輸出波形進行濾波處理，機構(gòu)合閘過程的具體波形如圖5所示。合閘過程中機構(gòu)運動過程特征量見表1。

圖5 合閘過程中機構(gòu)位移波形及特征量

1.3 操作機構(gòu)分閘過程及特征量選取

表1 合閘過程中機構(gòu)運動過程特征量

圖6 框架斷路器分閘過程機構(gòu)運動示意圖

根據(jù)矢量方程法建立框架斷路器動觸頭機構(gòu)分閘過程中各連桿間的運動關(guān)系方程為

式中

根據(jù)式（3）計算框架斷路器分閘過程中機構(gòu)各構(gòu)件位移關(guān)系，如圖7所示?？梢钥闯?，框架斷路器分閘過程分為三個階段：階段Ⅰ，動靜觸頭分離前，電極籠CD驅(qū)動曲柄FE轉(zhuǎn)動，動觸頭臂CB保持不動；階段Ⅱ，動靜觸頭分離后，電極籠CD和動觸頭臂CB同軸轉(zhuǎn)動，機構(gòu)向止動件轉(zhuǎn)動；階段Ⅲ，機構(gòu)撞擊止動件并反彈，之后返回至末態(tài)位置（圖中未畫出）。

圖7 分閘過程機構(gòu)各構(gòu)件位移關(guān)系圖

由上述分析可知，在分閘過程中機構(gòu)存在動靜觸頭分離、機構(gòu)撞擊止動件、反彈最大角度三個特征位置。其中，動、靜觸頭分離時，觸頭彈簧完全釋放不再提供分閘動力，同時動觸頭臂CB的引入會產(chǎn)生較大的沖擊反力，導致機構(gòu)減速，因此機構(gòu)分閘速度最大點與動靜觸頭分離點為同一時刻。同時動觸點B在階段Ⅱ中的斜率反映機構(gòu)的分閘能量。

測量鉸接點E、鉸接點D、動觸點B分閘過程的位移，對輸出波形進行濾波處理，機構(gòu)分閘過程的具體波形如圖8所示，分閘過程中機構(gòu)運動過程特征量見表2。

圖8 分閘過程中機構(gòu)位移波形及特征量

表2 分閘過程中機構(gòu)運動過程特征量

2 框架斷路器機械部件性能退化對特征量的影響

隨著操作次數(shù)增加，框架斷路器機械部件的性能會逐漸退化，最終導致斷路器失效。由電氣應力和機械應力引起的機械部件性能退化或故障，主要包括觸頭磨損、操作機構(gòu)磨損和分閘彈簧斷裂，可根據(jù)機構(gòu)運動特性，分析不同機械部件性能退化對框架斷路器特征量和操作性能的影響。

2.1 觸頭磨損對特征量的影響

框架斷路器每次合分閘過程中，動、靜觸頭接觸時的機械力會導致觸頭機械磨損，另一方面，在分斷電流過程中，電弧、熱應力等因素會導致觸頭電磨損?？筛鶕?jù)機構(gòu)運動特性分析觸頭磨損對機構(gòu)特征量和操作性能的影響。

合閘過程中，觸頭磨損會使動、靜觸頭間開距增大，動觸點B、鉸接點D和鉸接點E需要多運動一定位移才能使動、靜觸頭接觸，導致超程減小。觸頭磨損前后動、靜觸頭接觸時刻的機構(gòu)位置變化如圖9所示，圖中相同字母代表同一部件，B1、D1、E1表示觸頭完好情況下各部件所在位置，B2、D2、E2表示觸頭磨損情況下各部件所在位置，C、F表示機構(gòu)固定點所在位置。

圖9 觸頭磨損前后觸頭接觸時刻機構(gòu)位置變化示意圖

分閘過程中，超程減小使得觸頭彈簧壓縮量減小，即機構(gòu)的分閘能量降低，導致分閘速度降低和動觸點B在階段Ⅱ的斜率減小，機構(gòu)撞擊止動件后的反彈能量減小，使得機構(gòu)反彈最大位移減小。同時觸頭彈簧壓縮量減小會使機構(gòu)完全釋放觸頭彈簧所需運動的位移減小，導致動觸點B提前運動。綜上所述，觸頭磨損對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響見表3。

表3 觸頭磨損對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響

觸頭磨損會直接導致動觸點B的位移增大，因此根據(jù)式（1）、式（2）定量計算觸頭磨損量與合閘過程特征量的關(guān)系，所得結(jié)果見表4?？梢钥闯?，觸頭磨損會使得1、2、5、D1和D2出現(xiàn)變化，因此可通過監(jiān)測上述五個特征量的變化判斷觸頭的磨損程度。

表4 觸頭磨損量與機構(gòu)合閘過程特征量的關(guān)系

2.2 操作機構(gòu)磨損對特征量的影響

潤滑失效等原因會使操作機構(gòu)中各連桿的鉸接點磨損，導致機構(gòu)固定位置和構(gòu)件有效長度發(fā)生改變。合閘初始時刻機構(gòu)具體變化如圖10所示，圖中相同字母代表同一部件，B1、D1、E1、G1、H1表示鉸接點完好情況下各部件所在位置，B2、D2、E2、G2、H2表示鉸接點磨損情況下各部件所在位置，C、F、I表示機構(gòu)固定點所在位置。由于鉸接點G、H和D、E磨損對機構(gòu)運行性能的影響不同，因此分開進行分析。

圖10 鉸接點磨損對機構(gòu)合閘初始位置的影響

2.2.1 鉸接點G、H磨損

合閘過程中，鉸接點G、H磨損使得連桿GH的有效長度變短，導致機構(gòu)到達死區(qū)位置和合閘末態(tài)位置時鉸接點E、鉸接點D的位移和超程減小。鉸接點G、H磨損前后機構(gòu)特征位置變化示意圖如圖11所示，圖中相同字母代表同一部件，G1、H1、D1、E1、B1表示鉸接點G、H完好情況下各部件所在位置，G2、H2、D2、E2、B2表示鉸接點G、H磨損情況下各部件所在位置，F(xiàn)、I、C表示機構(gòu)固定點所在位置。

圖11 鉸接點G、H磨損前后機構(gòu)特征位置變化示意圖

分閘過程中，鉸接點G、H磨損與觸頭磨損對機構(gòu)分閘過程特征量的影響相同，由于超程減小，使得分閘能量降低，導致分閘速度降低、動觸點B在階段Ⅱ的斜率減小、機構(gòu)反彈最大位移減小和機構(gòu)完全釋放觸頭彈簧所需運動的位移減小。綜上所述，鉸接點G、H磨損對框架斷路器合分閘過程中特征量的影響見表5。

表5 鉸接點G、H磨損對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響

根據(jù)式（1）、式（2）定量計算鉸接點G、H磨損量與合閘特征量的關(guān)系，所得結(jié)果見表6?？梢钥闯觯q接點G、H磨損會使得3、4、6、7、D1和D2出現(xiàn)明顯變化，因此可通過監(jiān)測上述六個特征量的變化判斷鉸接點G、H的磨損程度。

表6 鉸接點G、H磨損量與機構(gòu)合閘過程特征量的關(guān)系

2.2.2 鉸接點D、E磨損

合閘過程中，鉸接點D、E磨損使得連桿DE的有效長度變短，導致觸頭開距增大，進而導致動觸點B、鉸接點D、鉸接點E需要多運動一定位移才能使動、靜觸頭接觸，同時導致機構(gòu)到達死區(qū)位置和合閘末態(tài)位置時鉸接點D的位移和超程減小，但不會對鉸接點E的最大和末態(tài)位移造成影響。鉸接點D、E磨損前后機構(gòu)特征位置變化如圖12所示，圖中相同字母代表同一部件，G1、H1、D1、E1、B1表示鉸接點D、E完好情況下各部件所在位置，G1、H1、D2、E2、B2表示鉸接點D、E磨損情況下各部件所在位置，F(xiàn)、I、C表示機構(gòu)固定點所在位置。

圖12 鉸接點D、E磨損前后機構(gòu)特征位置變化示意圖

分閘過程中，鉸接點D、E磨損與觸頭磨損對機構(gòu)分閘過程特征量的影響相同，由于超程減小，使得分閘能量降低，導致分閘速度降低、動觸點B在階段Ⅱ的斜率減小、機構(gòu)反彈最大位移減小和機構(gòu)完全釋放觸頭彈簧所需運動的位移減小。綜上所述，鉸接點D、E磨損對框架斷路器合分閘過程中特征量的影響見表7。

根據(jù)式（1）、式（2）定量計算鉸接點D、E磨損量與合閘特征量的關(guān)系，所得結(jié)果見表8。可以看出，鉸接點D、E磨損會使得1、2、5、6、7、D1和D2出現(xiàn)明顯變化，因此可通過監(jiān)測上述七個特征量的變化判斷鉸接點D、E的磨損程度。

表7 鉸接點D、E磨損對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響

表8 鉸接點D、E磨損量與機構(gòu)合閘過程特征量的關(guān)系

2.3 分閘彈簧斷裂對特征量的影響

框架斷路器操作機構(gòu)和觸頭系統(tǒng)中有三組彈簧，包括儲能彈簧、觸頭彈簧和分閘彈簧。儲能彈簧為機構(gòu)合閘提供全部動力。觸頭彈簧為動、靜觸頭提供接觸壓力，同時在分閘過程階段Ⅰ作為主要分閘動力。分閘彈簧在分閘過程階段Ⅰ中輔助觸頭彈簧進行分閘操作，在階段Ⅱ中單獨驅(qū)動機構(gòu)完成分閘操作，并在階段Ⅲ中將機構(gòu)拉回至末態(tài)位置?？蚣軘嗦菲髦兄挥袃筛珠l彈簧，任一彈簧斷裂都會對機構(gòu)分閘過程造成較大影響，因此需要分析分閘彈簧斷裂對機構(gòu)特征量和操作性能的影響。

合閘過程中分閘彈簧提供合閘阻力使機構(gòu)減速，其斷裂會使得合閘速度增大、時間減少，但分閘彈簧的勁度系數(shù)遠小于儲能彈簧和觸頭彈簧，其提供的合閘阻力遠小于儲能彈簧提供的動力和觸頭彈簧提供的阻力，因此分閘彈簧斷裂對合閘過程的影響較小。同時合閘過程特征量為動靜觸頭接觸時刻、機構(gòu)死區(qū)、機構(gòu)末態(tài)三種狀態(tài)下機構(gòu)的位移值，而彈簧斷裂只對合閘時間和速度造成影響，因此合閘特征量基本不變。

分閘彈簧性能退化會使機構(gòu)的分閘能量降低，導致分閘速度降低、動觸點B在階段Ⅱ的斜率減小和反彈最大位移減小。框架斷路器內(nèi)部有兩根相同的分閘彈簧并聯(lián)使用，任一彈簧斷裂都會導致整體勁度系數(shù)降低為原來的一半，進而導致階段Ⅱ斜率Δ和反彈最大位移3、4、5出現(xiàn)階躍變化，因此可將上述四個特征量的變化作為分閘彈簧斷裂的判據(jù)。綜上所述，分閘彈簧斷裂對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響見表9。

表9 分閘彈簧斷裂對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響

綜上所述，各部件性能退化對特征量的影響見表10?？梢钥闯龈鞑考阅芡嘶瘜μ卣髁康挠绊懘嬖诿黠@差異，基于此可進行性能退化部件和退化程度的診斷。

表10 部件退化對框架斷路器機構(gòu)合分閘過程特征量的影響

3 框架斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測方法

3.1 分閘過程中操作機構(gòu)能量分析

3.1.1 分閘過程階段Ⅰ能量分析

分閘過程階段Ⅰ中觸頭彈簧和分閘彈簧共同驅(qū)動機構(gòu)進行分閘，由于機構(gòu)行程較短且觸頭彈簧的勁度系數(shù)遠大于分閘彈簧，因此在階段Ⅰ只分析觸頭彈簧提供的分閘能量。

觸頭彈簧與電極籠的位置關(guān)系如圖13所示，觸頭彈簧與動觸頭臂的連接處為M，與電極籠的連接處為N，在動、靜觸頭分離前，觸頭彈簧釋放能量驅(qū)動電極籠繞著C點轉(zhuǎn)動。

圖13 觸頭彈簧與電極籠位置關(guān)系示意圖

觸頭彈簧作用在電極籠CD上的動力矩

式中，1為觸頭彈簧對C點的動力矩；1為觸頭彈簧勁度系數(shù)；1ac為觸頭彈簧形變量；1為觸頭彈簧在電極籠的安裝處到C點之間的距離；1為∠MCN；2為∠NMC。

由分析可知機構(gòu)在階段Ⅰ為加速運動，在電極籠CD轉(zhuǎn)過任意角時，其轉(zhuǎn)動能量為

3.1.2 分閘過程階段Ⅱ能量分析

分閘過程階段Ⅱ中分閘彈簧單獨驅(qū)動機構(gòu)進行分閘，分閘彈簧與曲柄的位置關(guān)系如圖14所示，分閘彈簧釋放能量驅(qū)動曲柄FG繞著F點轉(zhuǎn)動。

分閘彈簧作用在曲柄FE上的動力矩

式中，M2為分閘彈簧對F點的動力矩；K2為分閘彈簧勁度系數(shù)；L2ac為分閘彈簧形變量；、分別為機構(gòu)夾角。

由分析可知機構(gòu)在階段Ⅱ為加速運動，在曲柄FE轉(zhuǎn)過任意角度時，其轉(zhuǎn)動能量為

式中，3為動、靜觸頭分離后曲柄轉(zhuǎn)動慣量。

式中，D為動觸點B在階段Ⅱ的斜率；為動觸點B在階段Ⅱ的總位移。

3.2 基于分閘過程的觸頭超程狀態(tài)監(jiān)測

由式（11）、式（12）可知，分閘過程動觸點B階段Ⅱ的斜率D由機構(gòu)的分閘能量決定，而分閘能量主要由觸頭超程決定，且觸頭磨損、操作機構(gòu)磨損都會導致觸頭超程減小，進而導致D減小，因此，動觸點B在分閘過程階段Ⅱ的斜率D可反映觸頭超程的狀態(tài)。根據(jù)式（4）、式（8）、式（12）可得出觸頭超程退化百分比與D的關(guān)系，如圖15所示?？梢钥闯觯|頭超程減小會導致分閘過程中階段Ⅱ的斜率D明顯減小，因此，D可有效反映觸頭超程狀態(tài)。

3.3 基于分閘過程的分閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測

分閘彈簧斷裂導致分閘過程階段Ⅱ中的能量降低，根據(jù)式（10）～式（12）可得出分閘彈簧性能退化百分比與D的關(guān)系，如圖16所示?？梢钥闯觯珠l彈簧性能退化會導致分閘過程中動觸點B階段Ⅱ的斜率D減小但變化不明顯，分析中只考慮分閘彈簧斷裂情況，即性能直接退化50%，該情況會導致D階躍減小，基于此可監(jiān)測分閘彈簧狀態(tài)。

圖15 超程退化百分比與Dk的關(guān)系

圖16 分閘彈簧性能退化百分比與Dk的關(guān)系

3.4 框架斷路器機械部件與觸頭超程狀態(tài)監(jiān)測方法

由上述分析可知，觸頭磨損、操作機構(gòu)磨損、分閘彈簧斷裂都會導致機構(gòu)運動過程中的特征量發(fā)生改變，且對特征量的影響存在差異，因此可通過監(jiān)測機構(gòu)運動過程中特征量的變化診斷框架斷路器的性能退化部件和退化程度。同時觸頭磨損、操作機構(gòu)磨損會使機構(gòu)超程減少，導致機構(gòu)分閘能量降低，進而導致框架斷路器分閘過程中分閘速度降低和動觸點B在分閘過程階段Ⅱ的斜率D減小，因此，可通過監(jiān)測D的變化綜合評估框架斷路器的超程狀態(tài)，并根據(jù)產(chǎn)品性能要求設(shè)定D的故障閾值fault?？蚣軘嗦菲鞑僮餍阅鼙O(jiān)測與評估過程如圖17所示，具體步驟如下：

（1）根據(jù)初始數(shù)據(jù)調(diào)整程序中的參數(shù)并依據(jù)產(chǎn)品性能要求設(shè)定D的故障閾值fault。

（2）采集機構(gòu)合分閘運動波形，并提取相關(guān)特征量。

（3）根據(jù)D判斷框架斷路器是否發(fā)生故障（分閘彈簧斷裂，D到達故障閾值），若發(fā)生故障則直接報警，若無故障則執(zhí)行后續(xù)操作。

（4）根據(jù)1、2、3、4、5、6、7、D1和D2其他特征量判斷觸頭和操作機構(gòu)是否發(fā)生磨損，若發(fā)生磨損，則給出磨損位置及磨損程度，若無磨損，則執(zhí)行后續(xù)操作。

（5）根據(jù)D計算觸頭超程退化量，給出觸頭超程當前狀態(tài)。

（6）等待下次合分閘操作，重復步驟（2）～步驟（5）過程。

圖17 框架斷路器操作性能監(jiān)測與評估過程

4 實驗驗證

圖18為實驗平臺示意圖。將框架斷路器三相觸頭分別連上電源和電阻構(gòu)成三條主回路，位移傳感器安裝在框架斷路器上。使用示波器采集位移信號和A、B、C三相主回路信號。

框架斷路器使用壽命較長，難以進行全壽命實驗，因此進行模擬驗證實驗，即人為磨損觸頭和剪斷一根分閘彈簧。首先將三相動觸頭磨損4mm，其中每磨損1mm采集合分閘特征量。之后剪斷一根分閘彈簧并采集合閘分閘特征量。綜上所述，共采集六組特征量，即機構(gòu)完好、觸頭磨損1mm、觸頭磨損2mm、觸頭磨損3mm、觸頭磨損4mm、一根分閘彈簧斷裂，將實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比，驗證框架斷路器機械特性狀態(tài)監(jiān)測方法的正確性和可行性。

圖18 實驗平臺示意圖

4.1 觸頭磨損

將框架斷路器動觸頭磨損4mm，每磨損1mm采集合分閘特征量，結(jié)果見表11。

表11 觸頭磨損實驗結(jié)果

由表11可知，觸頭磨損會導致合閘初始位置到觸頭接觸時動觸點B的位移1增大、鉸接點D的位移5增大、鉸接點E的位移2增大、鉸接點D的超程D2減小、鉸接點E的超程D1減小和分閘過程中動觸點B在階段Ⅱ的斜率D減小、鉸接點E的反彈最大位移5減小，與表4和圖15所得結(jié)果相同，但數(shù)值存在差異，這是因為定量計算中構(gòu)件的尺寸與實際存在差異，實際使用中可根據(jù)框架斷路器產(chǎn)品型號和初始數(shù)據(jù)進行調(diào)整，減小計算誤差。

4.2 分閘彈簧斷裂

完成觸頭磨損4mm實驗后，拆除一根分閘彈簧模擬其斷裂，其結(jié)果見表12。

表12 分閘彈簧斷裂實驗結(jié)果

由表12可知，分閘彈簧斷裂會導致分閘過程中動觸點B在階段Ⅱ的斜率D和鉸接點E的反彈最大位移5階躍減小，與圖16所得結(jié)果相同，但數(shù)值存在差異，驗證了理論分析的正確性和所提方法的可行性。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于操作機構(gòu)運動特性的機械特性狀態(tài)監(jiān)測方法。分析不同機械部件性能退化對框架斷路器操作性能的影響機制，選取了可監(jiān)測不同機構(gòu)部件性能退化的特征量，并根據(jù)分閘能量變化完成斷路器觸頭超程狀態(tài)的監(jiān)測。主要結(jié)論如下：

1）框架斷路器機械部件和觸頭超程發(fā)生性能退化時會導致操作機構(gòu)的運動規(guī)律發(fā)生改變，根據(jù)操作機構(gòu)運動特性，可選取機構(gòu)合、分閘過程中的特征量，能夠有效地反映機械部件和觸頭超程的狀態(tài)。

2）根據(jù)合分閘過程中操作機構(gòu)各部件間的運動關(guān)系，能夠定量計算觸頭磨損、操作機構(gòu)磨損和分閘彈簧斷裂對機構(gòu)運動波形中特征量的影響，通過實時監(jiān)測特征量的變化，實現(xiàn)框架斷路器性能退化部件和退化程度的診斷。

3）根據(jù)操作機構(gòu)分閘過程中的能量關(guān)系，能夠定量計算觸頭超程性能退化對分閘能量和分閘階段斜率的影響，通過實時監(jiān)測斜率的變化，完成框架斷路器觸頭超程狀態(tài)的監(jiān)測以及操作性能的評估。

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Research on Condition Monitoring Method of Mechanical Characteristics of Low-Voltage Circuit Breaker

Hu Bokai1,2Li Kui1,2Niu Feng1,2Zhao Chengchen1,2

（1.State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2.Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province Hebei University of Technology Tianjin 300130 China）

As an important protective device in low-voltage distribution system, low-voltage circuit breaker is mainly used to cut off and connect load circuit and cut off fault circuit to ensure the system safe operation. The reliable operation of its internal mechanical components is very important to the operating performance of the low-voltage circuit breaker. With the increase of the number of operations, the mechanical characteristics of the circuit breaker gradually deteriorate, and eventually destroy the normal movement of the operating mechanism, and then cause the failure of closing and opening, and even affect the distribution system. In order to accurately monitor the mechanical characteristics of low-voltage circuit breaker, a condition monitoring method for mechanical characteristics of low-voltage circuit breaker based on the motion characteristics of operating mechanism is proposed. Firstly, according to the motion characteristics of the operating mechanism, the rotation characteristics of mechanism in the process of closing and opening are analyzed, and the characteristics that can reflect the performance of the operating mechanism are selected. Secondly, the effects of contact abrasion, mechanism abrasion and opening spring fracture on the performance of the mechanism are quantitatively analyzed, and the performance monitoring and diagnosis of mechanical parts are realized by monitoring the changes of characteristic quantities in real time. Finally, the influence of contact over-travel performance degradation on opening energy and mechanism performance is quantitatively calculated to realize the monitoring of contact overtravel state. The experimental results show that the proposed method can effectively monitor the state information of the mechanical components of low-voltage circuit breaker, realize the accurate evaluation of the contact overrange state, and provide a new method for the monitoring and diagnosis of the mechanical characteristics of low-voltage circuit breaker.

Low-voltage circuit breaker, mechanical components, operating mechanism, contact over-travel, condition monitoring

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211497

TM561

胡博凱 男，1995年生，博士研究生，研究方向為開關(guān)設(shè)備可靠性理論及應用。E-mail：hubokai0906@163.com

牛 峰 男，1986年生，教授，博士生導師，研究方向為電機系統(tǒng)及其控制。E-mail：niufeng@hebut.edu.cn（通信作者）

2021-09-22

2021-11-30

國家自然科學基金（51937004, 51777056）和河北省自然科學基金（E2019202124, E2020202142）資助項目。

（編輯 郭麗軍）