主题词：断路器试验，高电压技术，振动测量
1 引言
据国际大电网会议第13．06工作组报告，操动机构的机械故障是高压断路器的主要故障形式[1]振动分析是检测这类故障的先进诊断技术[2]-[9]。润滑不良、继电器和闭锁装置反应缓慢以及缓冲器故障等是振动分析能够发现出来的典型问题。只有详细地了解了断路器(如：断路器分合闸过程中各种组件及时动作的信息)，才能鉴别其具有故障的组件。在参考文献[7]中，通过振动分析对93台状态似乎良好的断路器进行了试验，结果发现出了数个严重的故障，其中就有润滑问题以及拐臂装配不当问题。这两种故障的发现，是进行定期正常维护的结果。在参考文献[5、7]和[10]中，振动分析理论是基于傅立叶变换(F0uriertransf0r—mati0n)和动态时间偏差(dynamic tinle warpmg)基础上的。参考文献[12～14]中报道的替代分析法是基于模态识别和小波理论的。
定期试验的目的就是对正常运行中的断路器实施连续的振动分析。在这种情况下，传感器只能设置在操动机构的接地部位，因而就得不到主触头方面的信息。主要的问题是电弧发出的噪声是如何影响测量仪器的。如果噪声很大而且主要来源于电弧电流，那么基于振动分析理论的连续监测将可行的。参考文献[10]中报道的试验站测量结果显示，由电弧产生的噪声不会妨碍振动测量。
连续监测系统的报警误差率必须大大低于断路器的故障率。因此，该系统应该十分可靠，并且对断路器振动波形曲线中的正常偏差不敏感。当前工作的目的就是研究振动分析对运行中的断路器的连续监测是否可行。
本文首先概括的介绍了怎样才能使振动分析法适用于断路器机械特性的评估，然后介绍了从三种试验装置所获得的试验结果，最后是通过基本、实用的结论进行讨论的结果。
2 振动分析
振动分析诊断试验为的是将在分合闸操作过程中记录下来的振动波形曲线作参考比较并量化其偏差。振动图象的偏差代表了断路器状态的差异。本文中使用的方法主要是区分计时(故障出现)和频谱偏差的。振动幅值作为振动波形曲线外观检查最明显的结果，却并不重要。
这里使用的振动波形曲线对比方法在参考文献[5]中作过简单地介绍，并对不同的取样频率(此处为51.2 ks／s)略作修正。信号被划分成具有128个取样的叠加帧，通过一个汉宁窗口(HanningWINOOWs)从快速傅立叶变换(FFT)中得出每帧图象的频谱。在一个新的傅立叶变换(FFT)执行前，该窗口运行51个取样(取样频率除以1 000)，因此，产生一个约1ms的时间分辨率。该过程
得出128／2=64个频率组分，合并成每ms10个频带(0～25 kHz)。由于使用了广泛用于语音识别…0领域内的动态时间偏差法，于是就可进行计算㈦。最终结果是计时和频谱方面的偏差，其函数关系如图1所示。
3 仪器设备
振动是通过一个加速器测出的。该加速器的额定冲击值为5 000 g(最大50 000 g)，可以产生l mV／g(g=9.81m／s2)的振动。当加速器的自然谐频为130]kHz时，-3 dB低频点在O.16 Hz。在进行的所有试验中，加速器安装在断路器操动机构内离主轴较近的固定金属上(见图2)。在这样一个位置，断路器操作过程中出现的多数机械故障在振动波形曲线中可十分清楚地看出来。专用加速器的位置不是很关键，但是，如果耍进行相问或组件间对比，位置偏差不应大于1 cm。振动信号是与加速器底座绝缘隔离的，而且仅在记录器侧接地。为了避免电气噪音和有害的高电位，经常需要将加速器与断路器的接地部分绝缘隔离。这可通过把加速器安装在一个导音而不导电材料隔板上来实现。在这三个试验装置
中，使用了一个用十分坚硬的热塑聚合物制成的l.5 cm厚的零件。这可减少容性耦合噪音，但仍然具有良好的机械振动传导性。
从加速器引出的同轴导线与临近的标准前置放大器相连。标准前置放大器向加速器施以偏压，滤掉直流电压，并为户内测量装置提供一根较长的同轴电缆。实际装置中的信号不必放大。
测量装置是一个单端四通道PC基数据采集(DAQ)插件板，它具有16-b垂直分辨率和一个内置防模糊滤波器。DAQ卡是根据发送到断路器的控制信号而以数字的形式触发的。使用绝缘水平足以承受可能出现的过电压的光偶合器，使分合闸控制信号转换成为普通的晶体管一晶体管逻辑(TTL)信号。如果模拟振动波形曲线本身触发了DAQ卡，起始延时就可能检测不出。
在三个试验装置中，有两个试验装置的户外温度是用热电偶测得的。热电偶与DAQ卡的第四通道相连接。
在150～250 ms时间内，振动波形曲线是以51 200／s取样比率记录的。PC程序将振动波形曲线存储在唯一的原始数据文件中，并将其与参考值进行比较。对于第一通道，进行了分合闸参考值对比，选出了偏差最小的结果，且识别了合或分。分析结果为一个文件。它包含有作为所有振动通道时间函数的计时和频率偏差(图1)。基于参考文献[5]和[7]的信息，计时偏差超过了4 ms，频率偏差为15 dB，这些被视为是关键的“报警极限”。
4 结果
本节叙述的是三个试验装置的振动分析结果，部分是并联运行的。三台被研究的断路器分别来自不同的制造厂家，全用弹簧操动机构操作并对1000多个振动图像进行了分析。
第一个试验装置
第一个试验装置已使用近三年。断路器每相有单独的操动机构，因此，三个振动图像是用该装置在断路器每次操作时测得的。前置放大器到记录器的距离是80 m。断路器是在145 kv双架空线系统中运行的。期间，它每天都在操作。被开断的电流是十分有限的。因为它随时都会被切换到能量恒定的平行供电线路上。
该断路器相A的参考振动波形曲线如图3所示。这两个结果含有一系列明显的变化。对比这两个振动波形曲线时包含了第一个100ms的合闸和90ms的分闸操作。对于其它两相(相B和相c)，使用了类似的参考值。
总共收集和分析了断路器118次操作时的共322个振动图像(一些是操作初期时的图像，仅有两个加速器在运行)。十三种情况导致了“报警极限”之外的最大偏差。其中两个是由电噪声引起的，其余的大概是由断路器的实际偏差引起的。
在试验周期的第一年中，由于在相A的主轴处出现了重大故障，断路器曾在受命后拒分一次。该故障可在先F图4所示的故障之前的两次操作振动波形曲线中看出来。
在图4中我们发现，参考类型中的最终故障显然是没有的。分析程序将此作为在终点展开的、引起报警的极大时延展现出来，如图5所示。频率偏差中没有显示出报警值，这意味着故障确实存在，不过是在减小和延时。下一次合闸操作对整个时问间隔有10％的延时，这是弹簧松动造成的典型故障。因此断路器受命后拒分。打开断路器机构箱后发现，一个控制制动主轴旋转的部件折断。
在试验装置第一年使用中，一些最初的实际问题导致了装置的低可靠性。软件缺陷和随之的断路器操佧时间间隔太短通常会产生一些问题，这将在以后讨论在此时间阶段后，可确定最大偏差曲线的趋势，如图6所示。振动分析的最大偏差作为断路器操作次数的函数。室外温度被记录以便于显示振动波形曲线与计时偏差的相关性。
在合闸操作过程中，断路器相A和相c中存在着明显的、大得不可接受的计时偏差。在寒冷天气或者以后的操作时间间隔很大时，操作似乎缓慢一屿，断路器相A和相c操作也趋于缓慢。在分闸操作中，计时偏差与参考值相比不超过3 ms。
在第70次合闸操作中，偏差升为最大，这是振动图像中的三个较大噪声峰值造成的，如图7所示。噪声源不明，但不是最初怀疑的故障电流造成的。在这种情况下，频率偏差实际上很大，远远超过分析程序误判的分闸操作的偏差。与合闸操作参考值(手动获得的)对比的偏差示于图8。由于图4和图5所示的故障原因，更换了断路器的整台操作机构，所以，参考值与图3相比有所不同。
在试验过程中，更换过断路器相A和相c的操作机构。断路器相A的操作机构故障是试验装置识别出来的，见图4和图5。此外，每次试验开始，脱扣线圈损坏，而且整个操作加速。
机构在试验后立刻完全损坏，这两种情况都发生在断路器相C。断路器相c修理后的相间操作时间测量有很大的差异。合闸时，与其它相相比，相A约慢10 ms，而分闸时，修理加速[9]
后的相C与其它相相比慢8ms。试验进行两年之后，该断路器相A爆炸(合闸操作后)，不知何故。
B、第二个试验装置
第二个试验装置使用了近两年。断路器各极各配一台普通操作机构，操作了33 kv系统中的电容器组。对断路器每次操作的单个振动图像进行了测量。试验装置安装在户内，前置放大器和记录器／PC之间的距离约为5m。
该断路器用的参考振动波形曲线如图9所示。这两个波形含有一系列明显的故障。对比时包含了第-个120 ms的合闸操作和60ms的分闸操作。
从图9可以看出，在该断路器操作过程中测得的振动振幅较大(分闸过程中约2000g)。这要求一个强大的测量装置。
总共收集和分析了146个振动图形。有7种情况出现了“报警极限”之外的最大偏差。其巾两种情况是电气噪声引起的，其余的好象是断路器性能方面存在的实际偏差。合闸振动图形常常具有一些约62 ms的噪声尖峰，这是山于同轴电缆长度不足造成的。这些尖峰十分的陡，并且是由分析程序滤出的。
图10示出了最大时间趋势曲线以及最后一年的操作频率偏差。合闸操作时的计时偏差大多是因操作结束时的延时造成的。对该断路器而言，这是很典型的，而且，这在图11中80～100ms之后可观察出来。图11也示出了约62 ms的噪声尖峰。该尖峰十分的狭窄，而且几乎都是由分析程序滤出的。图12显示的是计时偏差在120 ms分析结束时是如何发展的。在该点，主轴的运动趋于完全停止，因此，任何计时偏差的发展对于状态监
视都是不重要的。
对第二个试验装置的主要问题是在分闸操作过程中的振幅过高。这就要求一个与地绝缘、固定牢靠的加速器，因为在接地系统中有较高的电位差。断路器的自然计时偏差似乎有些大，因此，4 ms报臀极限设置应该增加。断路器在整个试验过程中操作良好。
c、第三个试验装置
第三个试验装置使用了近一年半。断路器每极配用了单独的操作机构，在该装置的每次操作过程中测量了三个振动图像。前置放大器到记录器的距离为100 m。断路器安装在300kV滤波器组中，每口有规律地操作两次。对室外温度也进行了测量，但是，在这里没有介绍，因为未发现与计时相关的情况。在试验周期的中问阶段，试验装置因脱扣装置中光偶合器击穿产生过电压指令信号而退出了运行。
该断路器相A的参考振动波形曲线如图13所示。
与分闸操作信号相比，合闸操作中数种情况的振动波形曲线意义明确。分闸操作有几种情况，由于持久的低频(ring—down)，结尾更为模糊不清。所选择的分析长度，合闸为200 ms，分闸为50 ms。与其它断路器相比，该断路器是最新型的，分闸操作速度更快，合闸操作速度更慢。
总共收集和分析了585个振动波形。图13示出了第三个试验装置中的两个主要问题。在合闸操作中140 ms附近，噪声尖峰较大，而分闸操作的振动波形模糊不清。比较这些差异时，这经常导致合闸操作140 ms附近的高频偏差，如图14和图15所示。对于模糊的振动波形，分析运算法则不能如实地反映出较大的计时偏差，使分析周期增长。
合闸和分闸的趋势曲线分别示于图16和17。操作150和200之间的空白阶段是脱扣装置衰弱造成的。
对于合闸操作，在某些情况下，噪声会引起计时偏差，但是没有大于报警极限的情况发生。对于分闸操作，频率偏差十分有限。合闸操作中出现的噪声尖峰致了较大的频率偏差。模糊的分闸操作振动波形导致十分大的计时偏差。
第三个试验装置中的断路器似乎十分精确，实际上没有发生机械振动。噪声尖蜂及模糊的振动波形在下·节中讨论。发现噪声尖峰在时间上与断路器附近的放射性电磁(EM)场同步，正如用环形天线测量的那样。该放射性电磁场会感应传感器和单端记录系统之间时间[9]
100 m长同轴电缆中的电雎。放射性电磁场的来源大概是．300 kV滤波器中电容器的充电电流。在分闸操作过程中未发现有放射性电磁噪声。噪声尖峰的效应很容易在人为检查时被忽视，因此，这是一个只有自动控制能解决的问题。
5 讨论
第一个试验装置识别出了断路器状态方面的偏差，这种偏差造成断路器受命后分闸失败。断路器相A和相c被认为性能不良。断路器的这两相在试验研究完成后就出现了数个故障。第二个试验装置识别出了可靠的断路器，但其计时偏差要比预期的大。因此，计时偏差报警极限应增大。第三个试验装置中的断路器操作十分可靠，未发现任何机械问题。 连续诊断技术的基本要求是可靠性。从长远角度说误报警是不允许的。这三种试验装置鉴别出了两个断路器连续振动分析的重大难题，就是记录中的电气噪声和模糊扩散的振动波形的含义。
A振动渡形曲线中的电气噪声。这是第三个试验装置在最高电压水平和最复杂EM(电磁)环境时的主要问题。在140 ms时发现有大量的噪声尖峰。十分重要的一点就是：在所有的合闸操作巾，噪声按时局限在较短时期的同一区域。这可得出两个解决办法：一个是修改分析程序，以便忽略预先确定了噪声位置的振动波形曲线。另一个是改进在三个试验装置中的(单端)检测技术。在第三个试验装置上成功地试验了微分放大器和信号传输系统。同轴电缆的长度也是重要的一环，电
缆长度越长，所引起的噪声就越大。同样，较长的电缆可降低噪声脉冲的陡度，因此，分析程序不能将其过滤掉。这在第二个试验装置中可以看出，一根5 m长的电缆与第三个试验装置上用的100 m长的电缆相比，引起的问题相对较少。
B振动波形曲线的性质。振动波形曲线对比运算法则取决于所拥有的故障清晰的信号。在操作完成后分析结束时，残余振铃效应(回声)及故障不清晰可能引起较大的、错误的计时偏差。谨慎地选择分析时间、将振动波形曲线与其故障清晰的参考值进行对比是唯一解决问题的办法。获得高质量的振动波形曲线是当代断路器分闸的一个主要问题。这个问题在该试验工作中得到了研究，在某些方面改进了分析并忽略频率反应较低的部分。但要完全解决问题，还有大量的工作要做。解决这个问题的最简单的办法是不计所有的分闸故障，仅把合闸诊断作为基础。尽管如此，振动分析仍然能提供断路器状态的信息。
这两个主要问题都是与参考值自动对比和试验结果整理分析相关的。
一些更实用且仍非常重要的附带问题在这项工作中也进行了验证，对各种情况都有简单的解决办法。这办法是：
a)指令信号中的噪声在某些情况下会引起记录器在没有振动信号时触发。对此的解决办法是对记录的信号使用一个积分标准。如果记录的信号u(l)就是不合格的。其中elim是基于正常操作而预先确定的常数，T是总的记录时间。该判断标准也要排除一些如当信号居高不下、而且是一种在测量系统中常常遇到的情况。
b)当第一个试验装置中的断路器合闸并在电机驱动主弹簧储能数秒后分闸时，我们发现时间偏差较大。在这种情况下，分闸操作后电机继续驱动弹簧储能。结果是分闸速度有点慢，原因是主弹簧储能比通常的少。该种操作机构配用的主弹簧有助于分闸。而且，同一原因，下次合闸操作比通常的要快一些(10％的计时偏差)。为解决这一问题，间隔时间太短的震动波形应该被放弃。对于弹簧电动储能的操作机构来说，仅有助于合闸操作，而第二个弹簧(合闸本身储能)提供分闸操作所需的所有机械能。间隔时间太短的操作不成为问题。
c)记录系统中可能会出现过电压。为了防止损坏设备，每个记录器通道应该安装过电压保护装置。加速器应与操作机构接地部分绝缘隔离，最后，为了将指令信号(110～220V)转换成TTL触发信号，应使用绝缘水平足够高的光偶合器。
D)强大的设备要求耐受超时的大的振动。图9示出了2000g以上的加速度。加速器需要固定牢靠。
断路器开断大的短路电流时对振动波形有多大影响尚不确定。仅基于试验室测量[10]的初步的结论是振动波形曲线与电弧噪声无关。在试验期间，没有一台断路器开断任何故障电流。
一些读数信息显示，断路器在一段无动作时间之后操作较慢。因此，必须谨慎设置报警极限，而且还要考虑断路器的操作频率。
无信息显示室外温度对断路器操作有重大影响。但是，对于极寒冷的气候，要做进一步的研究。在极寒冷的气候下，如果安装了加热器，应该测量机构内的温度。
分析振动波形曲线所用的软件具有配置文件。在这个配置文件中设置有报警值和警告极限值、要分析的振动波形曲线长度以及设定elim值。所设置的这些值是基于最初的振动波形曲线记录以及对存在问题的断路器的分析。计算机程序的运算法则不必改变。
6 结论
对于重要断路器的机械运动分析来说，连续振动分析似乎是一种值得进一步研究的方法。第一个试验装置发现了受命后拒分断路器的状态偏差。振动波形曲线很少受环境条件和开断电弧所产生的噪声的影响。在某些时候，电磁(EM)噪声与仪器导线相耦合，而在这种情况下，要求有一个微分测量装置。记录下来的振动波形曲线必须具有数个明显的故障，以便于诊断分析。可靠性十分重要，而且还要进行专门的测量，以便防止误报警。
