断路器操动机构音频在线监测方法的可行性研究

余思远，胡蕴斌，周汉平，江 山

（1.中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510663；2. 西门子高压开关有限公司，浙江 杭州 310018）

利用操动机构开展机械寿命试验时产生的机械振动开展研究，通过在操动机构内加装声压传感器、振动加速计的方式收集每次机构分合产生的噪音和瞬态振动（冲击）信号，通过对所记录到的瞬态振动、噪音时域信号、利用FFT 转换成的频域信号与信号录取时操动机构对应的实时状态（正常、故障、失效）进行比对，并利用FFT自谱分析和倍频程谱分析,分辨出机构在正常分合，故障、失效等不同状态下的信号区别，提出在线监测的方法可以作为机构在正常、故障状态以及从正常到故障状态的分析手段，并对其后续应用前景提出建议。

1 音频在线监测试验方法

1.1 音频在线监测信号传输流程

音频在线监测的原理是通过在断路器操动机构加装传感器，然后通过专用软件对提取的信号进行处理分析。

1.2 试验主要器材

本次试验所需的主要器材主要有3AP2-FI 型高压断路器（搭载FA5 操动机构）、声压传感器（含极头和前置放大器）、压电式IEPE 振动加速计（X、Y、Z三向）、数据传输线、INV3062T0 型数据采集仪、专用电脑及DASP 分析软件、专用工装等。

1.3 传感装置的安装

将振动加速计安装在自制的转接板上，然后将转接板固定在断路器机构箱内的FA5 操动机构外侧的齿轮盘下方、电动机的左上方（如图1 左所示），将声压传感器固定在断路器机构箱内的箱体底部（如图1 右所示）。然后通过数据线、网线将传感器信与数据采集仪以及专用电脑进行连接。

图1 在线监测装置安装实图

1.4 音频在线监测采样试验参数的设置

硬件连接完成后，打开分析软件对采样频率、通道参数等进行设置，DSAP音频采集和实时分析视窗界面如图2 所示。其中，“SF”代表“采样频率”，“AF”代表“分析频率”，“dt”代表“时间分辨率”，“df”代表“频率分辨率”。

图2 信号式波采样界面

1.5 断路器操动机构机械寿命试验参数设定

参照交流滤波器断路器实际运行情况，本次试验将试验机构的每日机械试验寿命次数设为470次，一次机械寿命试验时间设为55 s。

1.6 在线监测试验现场的背景环境

本文所开展的试验是在敞开式、露天环境下进行。开始在线监测试验时，在测试区附近还有一相220 kV DT-FI断路器正在开展机械寿命试验，与本文试验断路器相隔约5 m 左右，接近实际的工作环境（变电站和换流站），以下将介绍测试现场背景环境实测数据。

1.6.1 背景环境X方向在240 s 时间内的振动加速度和频率的数据以及图像如图3所示。

图3 X方向振动波形

从X方向振动波形可以看出：背景环境的振动加速度0.75g（max）；背景环境的振动频率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.2 背景环境Y方向在240 s 时间内的振动加速度和频率的数据以及图像如图4所示。

图4 Y方向振动波形

从Y方向振动波形可以看出：背景环境的振动加速度0.8g（max）；背景环境的振动频率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.3 背景环境Z 方向在240 s 时间内的振动加速度和频率的数据以及图像如图5所示。

图5 Z方向振动波形

从Z方向振动波形可以看出：背景环境的振动加速度0.65g（max）；背景环境的振动频率主要集中在0～1.25 kHz。

1.6.4 背景环境在240 s 时间内的噪音声强和频率的数据以及图像如图6所示。

图6 背景环境噪声采样

从音频波形可以看出：背景环境的噪音声强0.028 Pa（max）；背景环境的噪音频率主要集中在0～1 kHz。

通过以上对环境采样波形的读取结果可见，从X、Y、Z三个方向综合判断背景环境的振动加速度（max）以及240 s时间内背景环境的噪音声强（max）数值均较小，对在现有测试环境下进行操动机构测试无实质性影响。

2 音频波形分析常用方法

2.1 时域分析法

时域分析是信号最基本的分析方法之一，对多通道的信号从时间域上进行波形分析，从波形图上可以清楚看出信号在不同时间上的幅值，时域分析可直观显示信号原始的时域波形，应用领域较为广泛。

2.2 FFT自谱分析法

因时域分析维度较为单一， 部分情况下无法反映信号内在规律，需将信号从时域变换到频域信号进行分析。自谱分析就是对一个信号进行频谱分析，本文采用幅值谱反映频域中各谐波分量的单峰幅值，将整个信号分成若干段数据，分别进行FFT 分析，得到各自的频谱之后，再进行平均，最后的结果能够比较全面地反映全程数据的频谱特性。

使用FFT 分析可能会因频率分辨率造成的泄露导致频谱主峰的幅值偏小，使用平滑处理可以使频谱主峰的幅值更加准确，但也会导致频谱主峰以外的频率处的幅值精度降低。针对时域信号截断造成的泄漏，使用加窗是一个有效办法，可以有效提高主频处的幅值精度，本文选用“矩形窗”。

2.3 倍频程谱分析法

倍频程谱分析方法，又称CPB 分析。本文倍频程谱分析采用1/3 倍频程谱，将整个信号频谱按1/3 倍的比例关系划分频带，计算各频带内的谱值。

3 音频在线监测试验结果分析

针对本文所研究的FA5 操动机构，分别选取机构在3 种不同状态下的波形，同时还选用不同的波形分析法进行结果分析。

在FA5 操动机构进行机械寿命试验约为第5000次和5500 次时，各取一组在线监测数据，对比如图7 所示。从上面音频分析波形可以看出，异常发生在合闸储能过程中，比正常波形明显多出一个波峰，噪音的最大值增加了约1 dB。而波形异常时，FA5 操动机构仍然能正常分合闸。这种现象很可能是由于机构内某一零件存在少量磨损、螺栓松动等原因造成，具体有待后续解体机构分析。

图7 不同操作次数下采样波形图

针对操动机构发生拒分时的在线监测波形进行分析，情况如图8 所示。从上面波形可以看出，当拒动故障发生后，X、Y、Z三个方向上的振动加速度明显变小。同时可见，噪音的声强也下降明显，正常时噪音峰值范围为62～85 dB，而发生拒动异常时峰值已降至35 dB。

图8 断路器拒动时采样波形图

现场模拟由于灭弧室绝缘拉杆端部的螺栓断裂，导致断路器发生空载合闸时在线监测波形，具体情况如图9所示。

通过采取断路器空载合闸时在线监测波形数据，可见设备异常时噪音和振动在一个周期的波形与设备正常时一个周期内的波形有明显区别，并且从噪音最大数值看，正常时为64.5 dB，异常时在67 dB左右。

4 结束语

本文主要介绍了断路器操动机构音频在线监测方法，此试验方式无需特殊隔音试验环境，通过将声压传感器、压电式IEPE振动加速计固定安装在操动机构内即可采到所需数据。传感器安装部位的不同可能会造成所测数据最大值略有差异，但不影响音频波形、数据等采集和分析。基于本文所展示的试验经验，断路器操动机构运行时可以尝试通过本文介绍的方法进行在线监测。

操动机构异常时，有时噪音的最大值可能没有明显变化，但音频波形已发生明显的变化。因此，需要把噪音声强、振动加速度及其波形结合起来研究，才能得出准确结论。另外，本文介绍的时域分析、FFT自谱分析和倍频程谱分析等3种分析方法各自适用不同的断路器状态和场合，在实际应用中须结合起来使用。

本文试验方法是把数据的采集、存储和处理等功能模板通过有线连在一起。后续还可进一步开发提升硬件便携性和先进性，使用蓝牙或Wi-Fi等无线手段把三者连接在一起，并与手机、平板电脑等智能移动设备无缝连接。

断路器操动机构随着试验次数和使用年限的增加，产生零件磨损、紧固件松动、传动件润滑油减少、承载件开裂等缺陷的概率增大，因此须采集大量试验数据，总结出一套音频波形与故障件之间关联性的规律。当数据积累到一定程度，可考虑在“音频在线监测”的基础上，建立一套“音频在线监测与预警”系统，能够实时反应出断路器运行状态，一定程度上预知故障发生概率，对设备和电网安全具有较大意义。

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来源：《南方电网报》