10 kV 真空断路器机械特性及故障诊断方法

王 震

（国网宝鸡供电公司，陕西 宝鸡 721013）

0 引 言

随着用电需求逐渐多元化，高压断路器的使用时间呈现出明显的增加趋势，大大增加了断路器机械结构的磨损速度。在相同的投入使用时间内，分合闸二次机构的故障问题越来越明显[1,2]。不仅如此，断路器相关部件出现老化或损坏等问题也会导致断路器的运行状态出现异常，不利于电网的安全稳定运行[3]。断路器出现故障时，极有可能导致大面积停电，给企业和用户带来经济损失，并造成负面的社会影响[4]。因此，研究断路器的机械特性和故障诊断方法极为必要[5]。只有及时发现断路器故障，并安排针对性的检修措施，才能切实保障高压断路器在其生命周期内充分发挥使用价值[6]。基于该背景，以10 kV 真空断路器为研究对象，提出一种故障诊断方法，并结合其机械特性，有效判定该断路器的故障状态。

1 10 kV 真空断路器机械特性及故障诊断方法设计

1.1 10 kV 真空断路器机械特征参数获取

要准确诊断真空断路器是否发生故障，首先需要获取其运行状态的机械特性参数。大部分故障诊断方法仅仅以真空断路器显示的数据为基础开展相关分析，因此不够灵敏[7]。基于该背景，利用信号传感器提取真空断路器的机械特征参数，将STC8A8K64D4单片机作为采集装置，借助高速模数转换器，将真空断路器的模拟信号转化为数字信号。考虑不同设备的运行状态和性能不同，设置数据采集阶段的采样率为1.0 MHz，从而确保采集结果的完整性。采集过程中，具体的采集数据信息可以表示为

式中：S为真空断路器的运行特征参数；s1为真空断路器运行阶段的驱动电压参数；s2为真空断路器运行阶段的线圈电流参数；s3为真空断路器运行阶段的启动电流参数；s4为真空断路器运行阶段的振动频率参数；s5为真空断路器运行阶段的振动幅值参数。

根据式（1）计算真空断路器运行阶段的机械特性，可以表示为

式中：f(S)为真空断路器运行阶段的机械特性参数。

根据式（1）和式（2）提取10 kV 真空断路器的机械特征参数，可为故障诊断提供执行基础。

1.2 10 kV 真空断路器故障诊断

根据实际运行参数与特征参数之间的关系，诊断真空断路器是否存在故障。通过式（2）可以看出，性能稳定的10 kV 真空断路器的振动状态参数与输入的电流和电压参数有关。实际的故障诊断函数可以表示为

式中：F(t)为10 kV 真空断路器的故障诊断函数；ft(S)为t时刻的10 kV 真空断路器机械特征参数。

当f(S)-ft(S)的值为恒值时，表明此时的10 kV 真空断路器处于稳定运行状态；当f(S)-ft(S)的值为非恒值时，表明此时的10 kV 真空断路器处于故障运行状态。需要注意，f(S)-ft(S)的结果主要取决于ft(S)。当真空断路器的输入电压和电流发生改变时，机械振动信号发生相应改变。在正常状态下，振动幅值和振动频率的变化比例相同，一旦出现振动幅值与振动频率变化比例不同的情况，表明此时的设备处于故障状态。宏观上，该故障的表现形式多样，因此引入电压和电流参数判断具体的故障形式。

当f(S)-ft(S)的值为非恒值时，10 kV 真空断路器的故障状态判定包括2 种情况：振动幅值与振动频率参数比值增大或减小，f(S)-ft(S)也增大或减小时，故障类型为阻断类异常；振动幅值与振动频率参数比值增大或减小，f(S)-ft(S)却减小或增大时，故障类型为阻值类异常。由此实现对10 kV 真空断路器故障状态的有效诊断。

2 测试与分析

2.1 测试环境

设置对比测试环境，将线圈电流信号诊断方法和动态时间规整诊断方法作为对照组，通过对比不同方法在相同测试条件下对故障的诊断效果，对其应用效果作出评价。在测试环境设置阶段，选择某地区电网中的ZN28A 型高压断路器装置作为测试对象，最高运行电压为11.5 kV，使用MATLAB 仿真软件模拟故障状态。高压断路器故障设置情况统计，如表1所示。

表1 高压断路器故障设置情况统计表

实际运行过程中，断路器的故障状态会随时间发生变化，需设置不同的故障异常程度。以正常运行参数为基础，分别设置异常程度为30.0%、20.0%以及10.0%，并对比不同方法对故障的诊断结果。

2.2 测试结果与分析

不同测试环境下，3 种故障诊断方法的测试结果如表2 所示。表2 中：“T”表示测试结果为准确诊断断路器装置的故障；“F”表示测试结果为未能准确诊断断路器装置的故障。

表2 不同方法不同故障异常程度的测试结果对比表

分析3 种诊断方法的测试结果：当断路器运行状态异常程度为30%时，3 种方法均实现了对故障状态的有效诊断，但是线圈电流信号诊断方法和动态时间规整诊断方法未能正确判断出气动机构异常；当断路器运行状态异常程度为20%时，线圈电流信号诊断方法的有效诊断数量为8 种，动态时间规整诊断方法有效诊断数量为6 种，本文设计诊断方法有效诊断数量为9 种；当断路器运行状态异常程度为10%时，线圈电流信号诊断方法有效诊断数量仅为4 种，动态时间规整诊断方法有效诊断数量为5 种，本文设计诊断方法有效诊断数量仍为9 种。测试结果表明，本文设计的10 kV 真空断路器机械特性及故障诊断方法可以实现对不同程度故障的有效诊断，满足尽早发现故障的设备管理要求，具有良好的应用价值。

3 结 论

准确诊断断路器的故障是后续检修工作有序开展的重要基础，直接影响用户的停电时间，在提高社会经济效益方面也能起到一定作用。提出10 kV 真空断路器机械特性及故障诊断方法，以断路器机械特性为基础，结合断路器的实际机械参数状态与理想特性参数之间的关系，实现对设备故障的有效诊断，以期为提高断路器设备的利用率提供助益，为保障电网的安全运行发挥积极的作用。