水电系统中高压断路器的故障诊断



水电系统中高压断路器的故障诊断

张玲

(甘肃工业职业技术学院电信学院， 甘肃 天水741025)

【摘要】为了达到水电系统中高压断路器故障诊断的目的，首先记录高压断路器的分合闸线圈正常电流波形和故障波形，然后，比较这两个波形的图像形状和特征值，最后采用小波分析的MATLAB仿真方法对其故障进行诊断。

【关键词】水电系统；高压断路器；故障；诊断

水电系统中的高压断路器能够在较短的时间内切断故障电流，在系统运行中起控制和保护的重要作用，其常用类型有真空断路器、SF6断路器。据统计，高压断路器的故障主要包括电气故障和机械故障，高压断路器的密度或压力不合规范(SF6或真空断路器)、触头损坏和灭弧介质变质(油断路器)等，均归属于高压断路器的电气故障[1]。高压断路器的触头动作不正常则属于机械故障。因此，为了保证水电系统运行的稳定性及可靠性，需对高压断路器每隔一段时间进行一次检修，同时，可采用小波分析的MATLAB仿真方法进行高压断路器的故障诊断。

1小波分析的原理

1.1　提出小波分析

在高压断路器的故障诊断中，找出因故障造成的波形变异的信息及故障点所在的信号尤为重要，其操作系统的线圈卡涩、触头损坏、拉杆和轴的连接部分发生卡涩等常见故障，均可通过波形来体现，利用小波变换的方法进行分析。高频故障信号的波形因周期短，可采用小尺度的小波进行分析，低频故障信号的波形因周期长，可采用大尺度的小波进行分析[2]。

1.2　小波变换检测信号突变点的原理

利用小波时频局部化分解的方法，可分析出信号突变的时刻和类型，进而确定信号幅值和频率的急剧变化情况。通过计算奇异性指数α，并与设定的阈值(可根据经验确定)进行比较，可判断出信号是否出现突变。利用该方法可方便地找出高压断路器的故障时刻，同时，可对照样板波形判断出故障类型[3]。α的计算方法如下：

设在小波分解的尺度i上xk处的模极大值为|W2if(xk)|，则在各尺度上相应位置处的模极大值可构成一个序列{Mi},在i较小时由下面的近似:

可求得：

根据上式求几个尺度上的α，然后取其平均值，若α小于阈值则说明信号出现突变。

2常见故障的电流波形

高压断路器分合闸线圈的正常电流波形如图1所示，根据分合闸线圈的故障电流波形与正常电流的比较，可判断出分合闸电磁铁卡涩、分合闸线圈断路、电压偏低、辅助触点接触不良等故障[5]。

图1　合闸线圈的正常电流波形

2.1　拒合故障

2.1.1合闸铁芯不启动

a.线圈端子无电压信号，合闸铁芯不启动。该故障的原因可能是：控制线圈的开关接触不良、控制电路中熔断器的熔丝熔断、连线松动；灭弧罩卡住接触器的触点、异物卡住电磁吸铁、电磁线圈断线或损坏。

b.线圈端子有电压信号，铁芯仍然不启动。该故障的原因可能是：灭弧罩卡住接触器的触点、异物卡住电磁吸铁、电磁线圈断线或损坏，其铁芯卡涩的电流波形如图2所示；线圈的正、负极性接反。

图2　合闸铁芯卡涩的故障电流波形

2.1.2合闸铁芯启动，但连板机构动作

该故障的原因可能是：合闸线圈端子电压偏低、合闸铁芯冲力不足；辅助开关本体传动机构有卡涩，其故障电流波形如图3所示。

图3　开关本体传动机构卡涩的故障电流波形

2.2　误动故障[6]

高压断路器已经自动跳闸，但传感器监测不到控制信号。其可能原因是：跳闸线圈的绝缘层破损导致电磁铁的动作电压偏低；扣入深度小，扣合不稳定，跳闸继电器触点因振动误闭合。

3合闸铁芯卡涩故障的小波分析仿真实例

通过图1与图2的比较，利用小波分析的方法，使用MATLAB小波仿真工具对合闸铁芯卡涩的故障进行诊断，其波形图如图4所示。

图4　合闸铁芯卡涩线圈电流波形

采用db2小波进行小波分解，由图5的第三层可知，在波形畸变处发生振荡，同时，从图中可算出畸变的时刻t=0.708s，并由小波变换原理算出α=0.417，进而可判断出波形是否发生畸变。

图5　合闸铁芯卡涩线圈电流小波尺度分解

4结语

近年来，随着电压等级的提高和装机容量的增大，为了保证水电系统运行的稳定性和可靠性，对高压断路器的要求越来越高，因此，对高压断路器的故障进行研究、分析和诊断非常重要。高压断路器的常见故障一般发生在操动部分及其控制回路，这些故障可以通过分合闸线圈电流波形表现出来，首先，记录分合闸线圈正常电流波形和故障波形，然后，对这两个波形的图像形状和特征值进行比较，最后，采用小波分析的MATLAB仿真方法对其故障进行诊断。

参考文献

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[2]杨福生.小波变换的工程分析与应用[M].北京：科学出版社，2001:150-151.

[3]关永刚，黄瑜珑，钱家骊.基于振动信号的高压断路器机械故障诊断[J].高电压技术，2000，26(3)：35-37.

[4]张超.高压断路器在线监测系统开发及故障诊断分析[D].北京：华北电力大学，2004:41-42.

[5]陈启萍.电压互感器二次回路多点接地查找方法及实施[J].中国水能及电气化，2010(3)：42-44.

[6]郭建生.浅谈龙门滩二级电站110kV少油断路器技改[J].中国水能及电气化，2011(4)：58-61.

Fault diagnosis of high voltage circuit breaker in hydropower system

ZHANG Ling

(GansuIndustryPolytechnicCollegeTelecomInstitute,Tianshui741025,China)

Abstract:The switching-closing coil normal current waveform and fault waveform of high voltage circuit breaker are firstly recorded in order to achieve the goal of high voltage circuit breaker fault diagnosis in hydropower system. Then, image shape and characteristic value of the two waveforms are compared. Finally, the MATLAB simulation method of wavelet analysis is adopted for diagnosing fault.

Key words:hydropower system; high voltage circuit breaker; fault; diagnosis

中图分类号：TV73

文献标识码：B

文章编号：1673-8241(2016)01-0026-03

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.008