高压断路器故障信号分析

李云 傅成华 吴浩

【摘要】简述高压断路器发生故障的可能情况，详细阐述了四种用于监测高压断路器运行状况信号的优缺点，介绍了用于信号处理的经验模态分解、支持向量机和神经网络方法，主张通过多信号信息融合处理故障诊断，对四种主要的信号融合方法进行了描述。对高压断路器故障诊断现有的发展和问题做了几点说明，并对它以后的发展方向做出了考虑。

【关键词】高压断路器；机械信号

1 引言

在系统一次设备中，高压断路器是控制和保护的关键设备，在检修维护中，工作量较大，对于断路器来说，机械故障是主要故障。故障诊断信号类型有四种：电流信号、振动信号、位移信号和声波信号，这些信号在检测不同的故障中各有优劣势，相比较而言，振动信号研究的比较广泛，应用较多；声波信号易受干扰，对应的信号提取设备有待提高；电流信号和位移信号在某些故障诊断方面，信号特征表现比较明显。综合利用这些方法处理的信号，能得到比较精确的结果。

监测高压断路器信号大概有四种，分别是电流、振动、位移和声波，通过对这四种信号的处理来确定断路器的状态。对于不同类型的断路器，不同种类的信号和检测对象的差异，检测的结果会有些偏差甚至完全不同。按照一般思维，将几种信号结合起来使用，检测结果会更准确。

2.1 电流信号

如果测量开关动作，将电流传感器串接在电源的电气回路上，当有电流流过分合闸线圈时，通过分析传感器电流波形，可诊断很多操动机构机械故障，具体可以反映铁芯卡滞、铁芯行程、分合闸辅助接点的状态、线圈状态和转换时间等，根据波形分析机械状态，预测断路器拒动、误动等情况。图1是分闸时的振动位移和线圈电流变化过程。

图1：分闸操作时的测试波形

2.2 振动信号

振动信号含有丰富的断路器机械状态信息，比如螺丝松动、触头磨损、传动机构，都能通过这些状态信息反映出来。断路器的机械状态改变会导致振动信号变化，即使是一些细微的变化，也能够从振动信息中发现，所以，可以通过机械振动的情况了解结构动作时间和状态，判断机构运动的过程。研究表明，更换或者微小移动加速度传感器，对结果没有很大的影响，因此，我们可以在信噪比较高或者振动较强的位置安装加速度传感器，然后根据得到的信号分析动作的特性。

振动诊断的方法能实现断路器非侵入式监测，对断路器无任何影响，很好的解决了高压隔离的问题。振动信号具有高速度和高强度冲击的特点，受电磁干扰娇小，其采集没有涉及到电气测量，没有周期性，有瞬时非平稳的特点。因此，相比较其他的方式，振动诊断是比较合适的高压断路器监测方式。

2.3 位移信号

位移信号即行程-时间曲线，通过对触头的行程-时间曲线的分析，可得到断路器分、合闸速度，以及其他相关的绝缘特性和机械特性，比如各点的时刻、速度和推动阻力等，进而分析判断出机械的运动状况，例如生锈、疲劳老化、变形、磨损等，均可以从曲线特性中反映出来。

位移传感器一般安装在触头或触头的绝缘拉杆下，安装方便，并且不影响断路器的正常工作，当然，不仅仅在触头或其附近安装位移传感器，也可以在一些需要测量速度的运动部件安装绝对位移传感器，它能正确的反应机械特性，并且适应能力较强。图2是合闸时的行程-时间特性曲线。

图2：断路器合闸时行程时间特性曲线

2.4 声波信号

声波也是一种信号，含有丰富的机械状态信息，通过对声波信号有目的的处理，可以得到我们所需要的信息。断路器本身结构比较复杂，封闭性较强，安装超声波传感器对断路器影响不大，并且它的发射和接收都是开关信号，没有模拟信号和A/D转换环节，使结果更稳定、准确。当然，在工作过程中，有很多声音干扰，这方面的研究也较少，所以用于分析的样本数据很少，使得声波信号的推广受到限制。图3是分闸时，当拐臂润滑不足时的声波信号。

图3：分闸声波信号

3 小结

高压断路器的种类、型号、使用环境不同，导致故障的情况比较复杂，随着行业的发展，对断路器的重视和要求都有提高，这需要我们不断的研究。不同的信号形式，其特征有较大差别，对不同环境、不同故障和不同监测对象，其效果不一，故我们需要研究各种信號，取长补短，更好的达到现实要求。

参考文献：

[1] 钟家喜，李保全，李亚红，高压断路器机械状态诊断与监测技术的探索与实践[J].高压电器，2011，47（2）：53-59.

[2] 黄建，胡晓光，巩玉楠等，高压断路器机械故障诊断专家系统设计[J].电机与控制学报，2011，10（10）：43-48.