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水力发电厂高压断路器在线监测与诊断方法

2024-11-26 68 上传者：管理员

摘要：本文主要探究了水力发电厂高压断路器的在线监测与诊断方法。利用传感器收集高压断路器的振动、温度等信号，经过降噪、滤波等处理后绘制信号趋势图，可以实现对高压断路器各项工况的动态监测。结合监测信号分析奇异点发生时间与模量极大值，可以直观呈现故障发生时间，为后续的故障检修与排除提供了依据。根据燃弧时间、开断时间、首开相在三相中的分布等特征参量，利用模糊评价法诊断高压断路器并评判其寿命周期，为日常养护与维修提供了参考，延长了高压断路器的使用寿命。

关键词：
信号趋势监测
模量极大值
水力发电厂
隶属函数
高压断路器
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高压断路器是水力发电厂的重要设备，保证其稳定、可靠运行对降低发电成本和提升发电质量有积极帮助。在高压断路器的各处安装位移、温度等传感器，实时采集振动、温度等参数，经过分析处理后可以直观呈现高压断路器的运行状态，并诊断是否存在潜在故障或预测剩余寿命。依托在线监测与诊断系统，为水力发电厂的设备管理人员制定检修与养护计划提供了依据，保证了高压断路器始终处于良好工况。

1、高压断路器的在线监测方法

1.1信号趋势监测

利用传感器获取高压断路器的实时状态参数（如振动、温度、电流等），经过A/D转换、滤波、降噪、放大等一系列处理后，将信号传输至计算机上，利用高压断路器在线监测与诊断系统进行信号分析，并绘制状态变化趋势图。这里以高压断路器的机械振动信号为例，高压断路器处理正常工况时，振动信号的振幅较小且频率规则；高压断路器遇到故障时，必然会出现异常振动，振动信号的幅值、频率以及衰减指数等都会出现明显的变化，根据信号趋势可以监测高压断路器的实时运行工况，实现对异常问题的早发现、早处理。图1是高压断路器基座螺丝处位移传感器采集到的振动信号波形，可以发现在第60 ms和第180 ms时分别出现了1个异常峰，说明在基座螺丝处存在故障，经过现场检修后发现基座螺丝出现松动。

图1 基座螺丝松动故障发展趋势

1.2模量极大值点的监测

使用小波函数对采集到的高压断路器振动信号做小波分解处理，如果振动信号存在突变，那么经过小波变换时系数存在模量极大值。在此基础上确定模量极大值的出现时间点，即可推导出故障发生时间，从而帮助设备维修人员锁定故障[1]。还是以高压断路器的振动信号为例，在无故障以及存在基座螺丝松动、止位垫片松动故障时的模量极大值如表1所示。

表1 高压断路器奇异点发生时间与模量极大值

在表1中，将监测周期内模最大值的奇异点作为初始点，将第一个奇异点作为终点。由表1可知，该高压断路器的振动信号中，不同状态下的模量极大值不同，磨炼架子的发生时间也有差异。出现这种情况的原因如下：高压断路器在运行过程中，若基座螺丝出现松动后，位于基座附近的振动传感器收集的振动信号由两部分组成：其一是螺丝松动后操动机构与机架碰撞产生的振动；其二是操作引起的振动。两种振动信号相互叠加后导致振动信号的频率、幅值变得混乱，出现了模量极大值变大、故障振动延后（发生时刻延后）的情况。由此可得，在收集高压断路器振动信号的基础上，可以将该信号的幅值、频率，以及发生时间作为判断故障的特征指标。

2、高压断路器的在线诊断方法

高压断路器的在线诊断可以为寿命预测、故障判断等提供依据。高压断路器由于工作环境、运行特点的因素的影响，在投入运行一段时间后容易出现寿命缩短情况，不仅增加了设备使用成本，而且影响水力发电厂的正常运行。因此，为了延长高压断路器的使用寿命，维护水力发电厂的经济效益，必须要通过在线监测与诊断的方式，准确预测高压断路器的剩余寿命。

2.1高压断路器寿命判断依据

2.1.1燃弧时间

高压真空断路器的触头打开时间是随机的，如图2所示，若燃弧时间在5 ms以内时首开相是第一个过零相；若燃弧时间在8 ms时，首开相是第二个过零相；若燃弧时间在10 ms时，首开相是第二个过零相。在燃弧时间超过1 s的情况下，三相电流都有至少1次的过零。

图2 电流波形

燃弧时间一方面能直接体现高压断路器开关管的灭弧性能，另一方面也在一定程度上决定了机构动作的合理性。如果燃弧时间过短，意味着第一个过零点的触头间隙偏小，这种情况下高压真空断路器内的金属蒸汽处于高密度、高压枪状态，容易在电流过零后发生间隙击穿的情况，造成电弧重燃。相反，如果燃弧时间过长则会造成真空断路器无法正常开断，即便是能完成开断也会出现明显的延迟现象。理论上来说，无论是首开相还是后开相，必须在达到最短燃弧时间后同步灭弧，通常要求燃弧时间控制在10～20ms之间[2]。

2.1.2开断时间

高压断路器的开断时间由两部分组成，即分闸时间和燃弧时间，两者之间存在一部分重叠（不超过5ms），如图3所示。

图3 开断时间的标定示意

所谓燃弧时间，是三相中首先起弧相的起弧时间；分闸时间是最后分闸相的触头分离时间。受到三相分闸不同期性的影响，燃弧时间与分闸时间存在交叉，两者之和即为开断时间，并且最大开断时间必须控制在高压断路器的额定开断时间之内。以12 k V的真空断路器为例，通常规定其额定开断时间为20～25ms。因此，可以测定其此时开断时间是否处于额定开断时间以内，从而对高压断路器的寿命进行预测。

2.1.3首开相在三相中的分布

在理想情况下，高压真空断路器的三相具有良好的开断同期性，可以做到三相静触头、动触头的同时分离；如果在设备运行期间真空开关处出现了电弧，那么首开相在三相中呈均匀分布。在实际情况下，由于设备结构、零件磨损、异常工况（如温度偏高、不规则振动等）等因素的影响，首开相会集中在三相中的其中一相，后开相则随机分布在另外两相上。由于后开相电弧释放出来的能量是首开相能量的几十倍甚至上百倍，因此三相负载失衡，出现一相过载而另一相负担不足的情况[3]。因此，首开相在三相中能否做到均匀分布，也成为判断高压断路器寿命的重要依据。

2.1.4电气参数劣化的检测

利用传感器或检测仪器可以实时获取高压断路器的开断电流、电弧电压以及接触电阻等重要电气参数，根据这些参数的变化情况可以较为直观地反映出高压断路器的劣化趋势。如果劣化速度加快，说明高压断路器的剩余寿命变短。另外，绝缘监测也能反应高压断路器的运行工况，绝缘性能变差意味着高压断路器需要及时采取维护或进行更换。由于绝缘失效通常表现为电流泄露，因此可以通过检测局部放低或泄漏电流的方式判断高压断路器的剩余寿命。

2.2高压断路器寿命周期的诊断

2.2.1建立因素集和评价集

根据高压断路器的运行特点，建立了评判寿命周期的因素集合A，该集合中包含8个元素，表示为：

式（1）中8个元素代表含义如表2所示。

表2 因素集的组成

同时，建立了模糊评价集合B，该集合包含5个元素，表示为：

式（2）中NI表示“负大”，为优等；NS表示“负小”，为次优等；Z表示“中”，为一般；PS表示“正小“，为次差等；PI表示“正大”，为差等[4]。考虑到计算机无法直接处理上述物理量参数，因此本文将全部的物理量参数用量化因子转化为整数论域P中的元素，论域P可表示为：

式（3）中的量化因子Q可通过下式求得：

上式中x1表示低值，x2表示高值。论域P中元素个数（m）与语言变量分档数和量化因子有关，其计算式为：

若语言变量分档数为8、量化因子为2.4时，带入上式可以求得论域P中元素个数为9.1个，取整后为9个。则论域P的集合形式可表示为：

2.2.2确定隶属函数

分布在高压断路器各处的传感器采集到的监测信号，不仅数量级差别较大而且量纲也并不一致，必须进行归一化处理。为了方便研究，本文选取了燃弧时间、开断时间这两个数量级一致、量纲相同的参数确定隶属函数[5]。假设首开相在三相中的分布均匀度表示式为：