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1、目录1 绪论11.1断路器机械特性在线监测的目的及意义11.2断路器机械特性在线监测的发展现状21.3本课题的主要研究工作32断路器机械特性在线监测原理42.1高压断路器的简介42.1.1高压断路器的概念、特点及组成结构42.1.2高压断路器的操动结构与机械寿命52.1.3高压断路器的机械故障类型介绍62.2高压断路器机械特性在线监测72.2.1断路器合闸、分闸线圈电流监测82.2.2断路器操动机构行程及速度的监测112.2.3断路器振动信号的监测113 断路器在线监测中的小波应用123.1 小波分析的概念123.2小波函数的选取143.3小波去噪163.4利用小波处理断路器行程信号173.4
2、.1合闸过程183.4.2分闸过程203.5 小波降噪和傅里叶降噪法213.5.1傅里叶降噪法213.5.2小波降噪法223.6利用使用全局阈值和分层阈值处理分合闸线圈电流信号243.7结论254 总结和展望264.1总结264.2展望26参考文献27致谢281 绪论1.1断路器机械特性在线监测的目的及意义近年来，随着经济的繁荣发展，电力系统的容量与能量的需求不断地增加，对电力系统的可靠性和经济性也提出了越来越高的要求。高压断路器作为发电和配电之间的联系环节，其可靠运行对于保证电网的安全意义重大。高压断路器在电力系统中起着两方面的作用：一是控制作用，即根据电网运行要求，将一部分电气设备或线路投
3、入或退出运行状态，转为备用或检修状态；二是保护作用，即电气设备或线路发生故障时，通过继电保护及自动装置动作高压断路器，将故障部分从电网中迅速切除，保护电网的无故障不烦你得以正常运行。 国际大会议对高压断路器的可靠性进行过两次世界范围的调查，我国也对高压开关事故进行过大量的统计分析。相应的调查和统计报告均表明，高压断路器的故障80%是机械原因，大多数故障是操动机构的问题。以往对高压断路器机械特性的检查主要是在设备交接及停电期间结合检修定期进行预防性试验，更换部件，检查操作机构的机械特性。由于电力系统中高压断路器的数量很多，因此检修量大且费用高。根据相关统计资料的数据，变电站维护费用的一半以上是用
4、在高压断路器上，而其中60%又是用在断路器的小修和例行检修上。另外根据统计有10%的断路器故障是由不正确的检修造成的；断路器的大修完全解体，既费时间，费用又高，而且解体和重新组装会引起很多新的缺陷。因此如何对断路器的工作状态进行有效的检测，及时发现断路器的早期故障，对缺陷部位进行提前处理，避免断路器故障恶性发展，防止断路器爆炸等恶性事故的发生，对于故障电网的安全可靠运行有着十分重要的意义。 断路器的状态检测为实现计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修、盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力、财力，同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前，电力系统各个单位正致力于高压断路器计划检
5、修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数为衡量标准，而是以设备的实际状态为检修依据。近年来，人们已经发现，依靠设备的在线监测与诊断技术，实现设备的状态检修，可以达到电力系统的下述要求：（1）产品的质量问题使运行可靠性受到影响，采用在线监测可以在运行中及时发现事故隐患，防患于未然。（2）逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备的停电时间，节约试验费用。（3）对老化设备或已知有缺陷、有防患的设备，用在线监测随时监视其运行情况，一旦发现问题及时退出，最大限度的利用其剩余寿命。 由于现有的高压断路器监测装置难以实现机械特性的在线监测、缺乏足够的数据积累、机械故障诊断的分析能力也不足，因此，开展高压断
6、路器的机械特性监测技术的研究工作具有重要的学术意义和实用价值。1.2断路器机械特性在线监测的发展现状断路器的检测技术大体上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线监测的发展过程。据资料介绍，美国于1995年颁布了“电气设备绝缘诊断方法导则”，现已转向为以机械特性在线监测为主，并已制定出有关标准。日本20世纪80年代开始进入以机械状态监测为基础的预知维修时代，该项技术的研究与应用进展很快，并已积累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的方法。如今，一些发达国家对高压开关设备的机械特性诊断技术已日趋成熟，并且已有了功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。在我国，断路器机械特性在线监测技术发展起步
7、较晚，近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性监测和故障诊断方面的工作。1992年吉林电业局曾立项“断路器机械特性的监测”；1995年清华大学高压教研室研制了CBA1高压断路器机械参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸线圈电流、行程一时间特性曲线及振动信号。此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，先后生产了自己需要的高压断路器机械特性在线监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个机械特性参量进行监测的问题，检查结果的适用性和部分项目的检测方法仍然很不理想。目前，高压断路器机械特性在线监测技术存在着一些值得注意的问题：（1）选择合适的传感器以及对不同的高压断路
8、器机构安装适应性差的问题，即针对不同电压等级和不同操动机构的断路器所选择的传感器类型也不一样；（2）以往在线监测装置所关心的是机械参量的计算结果，而对机械运动的过程关心不多；虽然现有的在线监测模块也可以测量合、分闸特性曲线，但对于机构的状态仍然只能做出好或坏的判断，却判断不了故障究竟发生在什么部位；（3）数据处理的问题，目前对机械特性在线监测主要是测量合、分闸时间，平均速度等，根据这些测量值，经过简单的阈值判断来对机构状态做出预测。因此，现有的机械特性在线监测装置功能不完善，缺乏足够的数据积累，即使有了大量数据，故障诊断的分析能力也不足；（4）在线监测装置模块寿命过短，安装维护困难，价格过高而
9、精度不够高。综上所述，高压断路机械特性的在线监测技术发展起步较晚，还需要进一步完善。1.3本课题的主要研究工作针对高压断路器机械特性在线监测技术的国内外研究及发展现状，以及从高压断路器状态维修的要求来看，高压断路器在线监测的内容十分广泛，本课题具体分析总结了断路器行程-时间特性的监测、分合闸线圈电流的监测两种主要在线监测方法的基本原理和特性，还阐述了小波变换在断路器机械特性在线监测中的应用。2断路器机械特性在线监测原理2.1高压断路器的简介断路器是电力系统最重要和性能最全面的一种开关电器。断路器起着控制与保护的作用，能在有载、空载以及各种短路工况下完成规定的合分任务或循环操作。它区别于其他开关
10、设备的显著特点是必须具备高效的灭弧装置。因为在高压电流的条件下不易开断电流，开断过程产生的电弧不熄灭，电路就不能断开，无论是高压断路器还是低压自动空气断路器（也称自动开关） 都必须具有强有力的灭弧能力。2.1.1高压断路器的概念、特点及组成结构高压断路器指额定电压在3kV以上的断路器。在电力系统中一般指110kV以上的输配电断路器。它可以根据电网运行的需要，控制指定的线路或电力设备退出或投入运行，起控制作用；另一方面一旦系统发生故障它又可以及时切除故障点，保证电网无故障部分的安全运行，起保护作用。总之，断路器能开断、关合及承载运行电流和短路电流。如果它们在运行中出现故障，小则引起一条线路、一个
11、小区域的断电，大则引起系统事故的连锁反应，造成不可估量的损失。因此，高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。图2-1为断路器的典型结构图。高压断路器按功能可分为以下几部分：（1）导电部分：断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定时间的异常电流，如过负荷电流和短路电流。（2）绝缘部分：保证断路器电气绝缘的部分。它包括三个基本方面，即对地绝缘、相间绝缘和断口绝缘。（3）接触系统和灭弧装置：执行电路的开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和分闸能力。图2-1 断路器典型结构图2.1.2高压断路器的操动结构与机械寿命操作机构是
12、高压断路器的重要组成部分。带触电的开关电器，只有通过触头的分(合)动作才能达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完成。断路器的操作机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。高压断路器的操作机构有很多形式，如弹簧操作机构、气动操动机构、液压操动机构、液压弹簧机构等。高压断路器的触头在各种条件下可靠地分合，主要是由操动能源和传动机构的动作来完成。其动作的特点是：执行任务与完成任务时，机构系统处于瞬变过程中，故机构动作有冲击、振动以及其它一些非稳态性质；在闭合通电位置时，可能长期不动作，一旦发生事故，又要求它动作准确可靠。由于断路器机构动作上的特点，对高压断路器操动机构与传动机
13、构的可靠性的要求就显得特别重要。据有关资料统计：高压断路器的操作事故中有70%80是由于断路器机械方面的原因造成的。与断路器的电损耗一样，断路器在开断短路电流时，机件上的损坏也有一个长期的累过程。多次操作后，一些传动、操作机构中所用的金属零件的强度和刚度变差，易锈蚀变形而造成卡死，使断路器难以断开。虽然在开断小电流的情形下，对触头电寿命的影响是非常小的，即使许多次的开端，也仍未达到它的电寿命。但是，每一次的开断以及一定的动作时间和速度都会对断路器的机械部分产生一定程度的损伤。所以，在确定断路器的须考虑的另一因素便是断路器的机械寿命。通常情况下，以断路器的开械寿命的重要指标。2.1.3高压断路器
14、的机械故障类型介绍 所谓故障是指系统或设备不能完成预定的功能。这里所说不能完成预定的功能既指系统的完全失效，也包括系统的缺陷。如系统能工作但是输出特性和参数已经偏离原定的指标，通过一套征兆来完成对系统故障和缺陷性质的确定过程就叫做诊断。断路器最常见的机械故障类型有：拒分、拒合、误分、误合等。在操动机构和传动机构上具体表现为：机构卡涩；部件变形、位移或损坏；分合闸铁芯松动、卡涩；轴销松断；脱扣失灵等。在电气控制及辅助回路上表现为二次接线接触不良、端子松动、辅助开关切换不灵、操作电源故障等。另外，中国电力科学研究院开关所长期从事高压开关设备检测试验的科研人员调查得出，检测试验中出现频度比较高的机械
15、故障问题是：各种原因造成的分合闸线圈烧毁，万能转换开关损坏，锁扣机构疲劳、磨损，主轴断裂等。具体的故障现象及原因如表2-2所示：表2-2弹簧机构常见异常现象现象分类异常现象可能原因拒动拒合铁芯未启动1线圈端子无电压(1)二次同路接触不良，连接螺丝松动(2)熔丝熔断(3)辅助开关接点接触不良或未切断2线圈端子有电压(1)线圈断线或烧损(2)铁芯卡住铁芯已启动，四连杆未动1线圈端子无电压(1)二次回路接触不良，连接螺丝松动(2)熔丝熔断(3)辅助开关接点接触不良或未切断2线圈端子有电压(1)线圈断线或烧损(2)铁芯卡住四连杆动作，牵引杆不释放1牵引杆过“死点”距离太小或未出“死区”2机构或本体有严重机械卡涩3四连杆中间轴过“死点”距离太小4四连杆受扭变形拒分铁 t 铁芯未启动1线圈端子无电压(1)熔丝熔断(2)二次回路连接松动，接点接触不良铁芯未启动(3)辅助开关未切换或接触不良2线圈端子有电压(1)线圈烧坏或断线，尤其引线容易折断(2)铁芯卡住铁芯已启动，锁钩或分闸四连杆未释放1线圈端子电压太低2铁芯空程小，冲力不足或铁芯运动受阻锁钩或四连杆动作，但机构连板系统不动机构或本体严重机械卡涩（a）拒动现象分类可能原
