高压断路器故障机理与操作机构故障诊断技术

2023-12-08张光中

科技创新与应用 2023年35期

张光中

（国网牡丹江供电公司，黑龙江牡丹江 157000）

在高压断路器的各类故障中，有60%以上的故障是由操动机构出现异常工况引起的。在明确高压断路器的故障机理后，结合操作机构的结构组成和运行特点，利用监测设备实时采集分合闸线圈的电流与电压信号、动触头的行程与速度信号，以及合闸弹簧的振动信号、接触电阻等。利用采集到的信号作为输入量，使用曲元分析（CCA）和自组织神经网络（SOM）诊断系统对输入量展开计算、分析，可以准确判断出操作机构是否存在故障，以及故障的特性、位置等具体信息，从而为下一步工作人员开展故障维修提供了参考，保证了高压断路器的稳定和可靠运行。

1 高压断路器故障机理分析

灭弧室是高压断路器的关键组成，灭弧室内部电场的不均匀分布是造成高压断路器故障的常见原因。为直观了解灭弧室内部电场强度的分布情况，本文使用有限元法对高压断路器灭弧室内部电场进行仿真分析，进而掌握电场分布规律。

有限元法作为一种数值积分算法，其原理是把需要分析的连续场离散化为多个区域，每个区域的解可以用简单函数表述，最后将函数集合在一起求解线性方程组。本文基于ANSYS 软件进行真空灭弧室的电场分析。

1.1 物理环境的构建

确定需要仿真的对象后，从ANSYS 软件的分析菜单中设置仿真类型为“Electric”；二维电场分析选择“PLANE121”单元，该单元的维数为2D，形状为四边形，有8 个节点，可在任意一个节点上设置电压。设置灭弧室的材料特性：绝缘结构的介电常数为5.5，屏蔽罩和触头的介电常数为3.0×106。

1.2 生成仿真模型

ANSYS 软件提供2 种基本模型，即实体模型和有限元模型。前者适用于结构复杂的对象，构建实体模型后需要进行网格划分，然后进行分析计算；后者适用于结构简单的模型，可直接进行有限元计算。本文研究的灭弧室结构较为简单，因此选择有限元模型，模型结构如图1 所示。

图1 灭弧室结构图

灭弧室的结构参数方面，动导电杆长度为20 mm，静导电杆长度95 mm，瓷套长度90 mm；触头的长和宽分别为12 mm 和5 mm，间距为10 mm。

1.3 施加载荷

基于有限元分析的载荷有2 种，即负载与边界条件。根据研究的需要设定边界条件，然后向模型施加负载，该负载会传递到有限元单元上，对载荷下的模型求解。

1.4 计算与分析

使用ANSYS 软件提供的默认方法求解，根据计算结果自动生成灭弧室内部的电场和电位分布。仿真结果显示，等位线主要集中在灭弧室的动、静触头之间，表明该区域的电场强度较大，有较大概率发生放电击穿现象[1]。进一步观察发现，在动触头表面越靠近边界的位置电场强度越大，在动触头的端部出现电场强度的极大值。由此可得，调整断路器触头的形状对优化灭弧室内电场分布有一定效果。动触头表面电场强度随距离的变化趋势如图2 所示。

图2 动触头表面电场强度

1.5 灭弧室结构对灭弧室电场的影响

通过仿真实验可知，灭弧室内电场分布并不均匀，尤其是在触头之间电场强度呈现出明显增大的趋势。由此推断，内部结构是导致灭弧室电场强度发生改变的主要因素，通过优化内部机构可以让电场分布更加均匀，进而降低击穿故障的发生概率。本文使用ANSYS 软件对灭弧室仿真模型的结构进行优化。

1.5.1 屏蔽罩对灭弧室电场的影响

屏蔽罩是固定在绝缘外壳上的一种半封闭圆柱形器件，为铜质材料。波纹管屏蔽罩除了能够起到改善电场分布的作用外，对避免金属蒸汽的四处溅落也有一定效果[2]。屏蔽罩设计合理，可以显著提高灭弧室的整体绝缘强度。在图1 的基础上增加了屏蔽罩，并观察加装屏蔽罩后灭弧室内部电位与电场分布图。结果表明，安装了屏蔽罩以后，灭弧室内部电位线以中轴线为基准，向两侧拓展，使灭弧室的空间利用率得到了提升，并且电场分布较为均匀，达到了优化电场分布、降低击穿电压的效果。为了进一步验证屏蔽罩长度对灭弧室电场强度的影响，在仿真实验中分别设计了6 种长度的屏蔽罩，分别为30、32、34、36、38 和40mm，屏蔽罩长度与灭弧室电场强度的对应关系见表1。

表1 屏蔽罩长度与灭弧室电场强度的关系

由表1 数据可知，随着屏蔽罩长度的增加，电场强度呈现出先增大后减小的变化趋势；屏蔽罩长度为36 mm 时，电场强度最大，为2 518 V/m。

1.5.2 触头开距对灭弧室内部电场的影响

高压断路器的灭弧室内有1 个动触头和1 个静触头，2 个触头接触后，断路器闭合成为通流器件；2 个触头分开后，断路器开断成为灭弧器件。在断路器从闭合到断开的过程中，由于2 个触头的接触面积越来越小，相应的电流也会逐渐集中到越来越少的接触点上，此时受到电流热效应的影响，接触点温度会不断升高，温度达到一定程度后还会引起接触点融化情况。动、静触头完全分开后，融合的金属被拉成细丝，最后变成金属蒸汽。随着高压断路器开断次数的增加，灭弧室内触头的融损情况越严重，动、静触头磨损到无法正常闭合后，导致高压断路器出现运行故障。保证动、静触头的开距合适，一方面对灭弧室内电场强度产生影响，另一方面也能减小触头磨损、延长触头使用寿命。本文使用ANSYS 软件探究不同触头开距与灭弧室内部电场强度之间的关系。结果如图3 所示。

图3 触头间距与灭弧室最大电场强度的关系曲线

由图3 可知，随着触头间距不断增加，灭弧室内部电场强度整体上呈现出下降趋势。

1.6 基于有限元法的断路器故障分析

在高压断路器发生交流电流过零现象时，灭弧室内产生的金属蒸汽和导电粒子会以较快速度向外扩散；由于加装了屏蔽罩，金属蒸汽和导电粒子会被屏蔽罩拦截，导致屏蔽罩上产生残余电荷[3]。残余电荷的多少与灭弧室内最大电场强度也有密切关系，如图4所示。

图4 灭弧室最大电场强度随屏蔽罩上残余电荷量变化趋势图

由图4 可知，随着屏蔽罩上电荷量的增加，最大电场强度也会呈现出增长趋势。但是在电荷量为-14～-8 C时，电场强度的增加较为缓慢，仅从100 C 增长至550 C，这一阶段灭弧室内电场分布比较均匀；电荷量超过-8 C 时，随着电荷量的增加，最大电场强度也呈现出明显上升趋势，此时灭弧室内部电场变得极不均匀。由此推断，高压断路器断开电流过大时，由于灭弧室屏蔽罩上导电粒子数量太多、电荷量升高，导致灭弧室内部不均匀程度也出现上升趋势，电荷量达到一定程度后使高压断路器出现无法开断的故障。

2 高压断路器操作机构的故障诊断

2.1 故障诊断

操作机构的故障诊断流程主要有状态检测、特征提取、状态识别与分析和维修决策等，流程如图5 所示。在诊断开始前，需要借助于各类检测设备（如振动传感器、电流表等）获取操作机构的振动、电流、电压等工况信号。这些信号作为输入量输入到故障诊断系统中。系统智能分析信号征兆与故障之间的关系，判断操作机构是否存在异常工况[4]。例如，操作机构在正常工况下的电流值为5 A，阈值范围为（5±1）A。系统将提取到的特征信息与设定阈值进行对比，如果实际检测电流在阈值范围内，则操作机构无故障；反之，如果实际检测电流超出了阈值范围，则操作机构存在过电流故障。根据诊断结果不仅能判断操作机构有无故障，而且还能在确定存在故障后进一步判断故障严重程度、故障发生原因，并基于此制定科学的维修策略。

图5 故障诊断过程

2.2 基于CCA-SOM 的操作机构故障诊断

在故障诊断系统中，选择合适的诊断方法，对诊断的实时性和准确性有重要影响。本文提出了一种CCA-SOM 诊断方法，将曲元分析（CCA）算法与自组织神经网络（SOM）算法相结合，满足了高压断路器操作机构故障的即时和准确诊断需求。由于高压断路器操作机构在日常运行中会产生海量、多样的数据，如果对全部数据进行分析必然会花费大量时间，导致故障诊断的实时性差。因此，利用CCA 算法进行数据的聚类或分类，剔除正常信号，只保留可疑信号，减轻了下一步数据处理与分析的工作量[5]。SOM 算法可以对预处理后数据作深度分析，如线性转化、对数转化、归一化等，然后确定自组织地图，并在该地图上寻找输入向量与输出结点之间的距离，寻找最佳匹配单元，得出诊断结果。CCA-SOM 故障诊断不仅保证了诊断结果的准确性，还支持诊断结果的可视化呈现，让工作人员一目了然地掌握故障位置、故障严重程度。基于CCA-SOM的故障诊断过程如图6 所示。

为验证CCA-SOM 故障诊断系统的应用效果，本文从某高压断路器上提取了300 组运行数据，并利用该系统进行故障诊断。成功诊断出2 种故障，分别是绝缘故障和机构渗漏故障。工作人员根据故障诊断信息对高压断路器展开了停机检修，现场检修发现实际故障与诊断结论一致，说明CCA-SOM 故障诊断系统的实用性良好。