关键词 高压断路器；振动信号；信号处理；状态监测
分类号 TP 277；TM 561
在高压断路器的操作过程中，机械性能的不正常是引起故障的一个重要因素［1，2］。为了能准确地测量和检验高压断路器的机械性能，开发和完善测试系统十分必要。外部监测与诊断技术能够在线判断断路器的机械状况，是提高高压断路器可靠性的重要方法。这种监测与诊断方法的成功运用，能够有效地延长高压断路器检修和保养的期限。在高压断路器的分、合闸操作过程中，内部主要机构部件的运动和撞击都会引起表面的振动响应。对于同一高压断路器同种状态下的重复操作过程中，外部振动信号在一定范围内是稳定的。本文利用高压断路器这方面的特性，以外部振动信号为特征信号，结合计算机和信号处理技术，建立了一个高压断路器机械状态监测系统。
1 监测系统的组成
本系统以SN10-10型少油小车型高压断路器作为试品，以计算机、A/D板、机械振动信号加速度传感器、电荷放大器、高压断路器行程传感器、操作线圈电流传感器、打印机等仪器及处理软件组成。如图1所示。
图1 高压断路器机械状态监测系统
2 机械振动信号分析
2.1 时域特性
图2是SN10-10型高压断路器在合闸过程中测量到的信号波形。其中，(a)是振动加速度信号A(t)，(b)是动触头行程信号H(t), (c)是操作线圈电流信号I(t)。
通过试验测量可知［3，4］，机械振动波形是由一系列衰减的正弦波组合而成，外部振动响应的幅值与冲击作用力的大小成正比，振动的频率及衰减时间常数与高压断路器的机械结构有关［5］。由于测试点到振动源的路径不一样，也就是传递函数不一样，使得同一个部件的冲击在不同测试点上的响应不一样。在监测中，如何在高压断路器的外壳上选择适当的测试位置和传感器的安装方向非常重要。从图2中(a),(b),(c)三个信号波形上对应分析，可以确定信号波形上各个较大的振动过程与高压断路器内部机械部件运动冲击的对应关系。利用这个特性可以进行高压断路器的许多参数的在线检测。如图2(a)中110 ms处最大响应振动信号对应断路器动触头合上时刻，通过外部振动信号能得到断路器的合闸时间。把一振动过程看成是由许多正弦波以指数衰减过程的叠加，其数学表达式是［2］
(1)
其中：A是振动分量的幅值(包括振动方向)；ωe是振动分量的频率；te是振动分量的开始时刻；θe是振动分量的初相位角；τ是振动分量的衰减时间常数。
图2 SN10-10合闸过程中振动信号波形
2.2 频域特性
图3是对振动信号图2(a)进行的功率谱计算结果作图。
(a) 二维功率谱图［p,f］;
(b) 三维功率谱图［p,f,t］
图3 图2(a)信号的功率谱
从图3可知，高压断路器SN10-10的机械振动频率主要集中在［0，4 kHz］，冲击振动的能量主要信号在
两个区域上。这是由于这两个时间段上振动响应信号对应不同的机械部件的撞击，高压断路器的内部结构在合闸操作过程中发生了变化，振动响应的频率也发生了变化。通过三维频谱处理，为断路器状态诊断提供了信息。
2.3 定量描述
在图2(a)SN10-10型少油高压断路器合闸振动信号中，(100 ms,110 ms］时间段上的振动响应是合闸过程中主轴拐臂上的滚子与合闸缓冲器撞杆头碰撞所引起的，(110 ms,140 ms］时间段上的振动响应是合闸动触头合上碰撞所引起的。如图4所示，高压断路器处于分闸位置时，合闸缓冲器撞杆头和套筒间的间隙δ＝15 mm。通过调节撞杆端的定位螺母可以改变δ的大小。δ的不同，合闸操作时主轴拐臂上滚子与缓冲器撞杆头碰上的时刻就不一样。δ值大，碰上的时间提前，动触头的刚合速度减小，振动幅值小。δ值小，合闸动触头刚合速度大，这又会引起灭弧室很大的机械冲击，振动幅值大，引起动触头与静触头较大的机械磨损，减短高压断路器寿命。δ值的大小是高压断路器检修中应该注意的一个重要参数。运用振动信号的检测和处理，能定量描述合闸缓冲器δ值对应的机械状态。
图4 SN10-10合闸缓冲器示意图
3 应用举例
改变撞杆头的机械位置，在3种状态下对试品断路器进行了5次测试，如图5所示。图5(a) δ=20 mm，图5(b) δ=15 mm，图5(c) δ=10 mm。3种机械状态下相对应的振动信号在(135 ms,145 ms］时间段上主轴拐臂上的滚子与合闸缓冲器撞杆头碰撞的振动信号幅值有明显的不同，说明了由于机械状态不同而引起的振动响应不一样。对3种状态下5次振动响应信号(135 ms,145 ms］时间段上的数据进行处理，其结果如表1所示。其中
(2)
(3)
式(2)，(3)中：X(n)是振动信号在(135 ms,145 ms］区间上采样值；j=a1，a2，…，a5，b1，b2，…，b5，c1，c2，…，c5；是信号在(135 ms,145 ms］区间上的平均值；V是自方差计算公式；R是协方差计算公式。为说明振动过程中正负方向的振动在能量上是等价的，所以在公式中加上了绝对值。
以V作为横坐标轴，R作为纵坐标轴，在同一坐标上作得图6。可以看出，3种机械状态下的处理结果各自归类集中在能够区分开来的3个区域上。
表1 3种状态处理结果数据
序号 Va Vb Vc Ra Rb Rc
1 1.00 0.67 0.27 1.00 0.43 0.27
2 0.88 0.66 0.29 0.51 0.38 0.31
3 1.03 0.83 0.25 0.57 0.47 0.26
4 0.96 0.69 0.23 0.59 0.44 0.26
5 1.00 0.74 0.26 0.59 0.45 0.27
平均 0.97 0.72 0.26 0.65 0.44 0.27
图5 3种机械状态下相对应的振动信号
图6 3种状态处理结果
4 结束语
试验表明，高压断路器在合分闸操作过程中，内部主要机构部件的运动与撞击都会引起高压断路器外壳表面上的振动响应。每次响应都是一系列衰减振动的叠加。这种振动信号幅值大(10～102 m/s2)，信噪比大，比较容易测量。
高压断路器可能出现的不正常状态中，有些在操作过程中的外部振动信号上有明显的表现，这些不正常状态易用数字信号处理方法进行定量描述和区分。有些不正常状态在振动信号上只有细微的反应，这需要在测量和处理方法上进一步研究。
收稿日期：1997-06-11
第一作者：男, 1964年生, 讲师
参 考 文 献
1La M L, Park S Y, Lin C C, et al. Mechanical failure detection of circuit breakers. IEEE Transactions on Power Delivery. 1988, 3(4): 1 724～1 731
2Stokes A D, Timbs L. Circuit Breakers Diagnostics. In: International Conference on Large High Voltage Electric Systems. New York: CIGRE, 1988, 13(3): 1～7
3王伯翰，黄瑜珑. 高压断路器的操作振动现象. 高压电器，1990，6(2)：29～35
4沈 力. 高压断路器操作机构机械状态监测技术的研究：［博士学位论文］. 北京：清华大学电机工程与应用电子技术系，1995
5沈 力，黄瑜珑，钱家骊. 高压断路器机械状态监测的研究. 中国电机工程学报. 1997，17(2)：113～117
