基于在线监测的高压断路器机械特性故障几率监测方法及系统

摘要

本发明具体公开了一种基于在线监测的高压断路器机械特性故障几率监测方法及系统，包括步骤，1）在线监测系统读取断路器正常情况下的机械特性曲线；2）断路器现场投运时，在线监测系统实时读取断路器动作情况下的机械特性曲线，3）在线监测系统分别计算各特征值所表征的故障几率，包括储能电机故障几率、分闸故障几率、合闸故障几率；4）计算断路器在线监测总故障几率，断路器在线监测总故障几率为步骤(3)计算出的故障几率之和：F＝FM+FF+FH；5）在线监测系统根据故障几率大小，判断是否报警；当故障几率≥报警阈值时，则在线监测系统产生故障报警信号，当故障几率＜报警阈值时，则在线监测系统不产生故障报警信号。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种基于在线监测的高压断路器机械特性故障几率监测方法及系统。

背景技术

断路器在电网中起着至关重要的作用，是对电力系统进行有效控制的关键设备，随着社 会和经济的发展，对电力系统的安全性、可靠性提出了更高的要求，但是在供、配电系统中 由于断路器故障所导致的非计划停电事故约占电力系统停电事故总量的60%以上，是影响电 力系统安全性、可靠性的主要因素之一。高压断路器机械特性故障概括起来可分为三类（不 包括绝缘系统故障）：

1）储能系统故障，包括储能机构故障和储能电机故障。

2）合闸系统故障，包括误合、拒合或卡滞（合闸机构故障、合闸二次回路故障）、触头 磨损过大、合闸时间或速度异常、三相不同期等。

3）分闸系统故障，包括误分、拒分或卡滞（分闸机构故障、分闸二次回路故障）、分闸 时间或速度异常、三相不同期等。

提高断路器的可靠性除加强设计制造环节外，研究机械特性故障的预测方法也是十分必 要的，然而在传统变电站领域，由于没有足够的断路器机械特性监测数据，因此无法进行有 效的故障预测，对断路器进行计划检修是各级电力公司主要的应对措施。近年来，随着智能 电网的建设，变电站实现了智能化，在智能变电站中一次设备在线监测系统得到了广泛应用， 其中断路器机械特性在线监测装置能够采集储能电机电流曲线、分合闸线圈电流曲线、分合 闸行程曲线等数据，这也为断路器机械特性故障预测提供了可能性。随着在线监测系统的应 用，人们对所获得的机械特性数据进行了各种算法研究，包括断路器震动声波的EMD和SVM 算法分析、机械特性数据的D-S证据理论分析等，这些方法主要是对故障发生后的机械特性 数据进行研究，并未给出故障早期的判断和预警。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺点，本发明提供了一种基于在线监测的高压断路器机械特性 故障几率监测方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于在线监测的高压断路器机械特性故障几率监测方法，包括以下步骤：

1）断路器出厂检验时，在线监测系统读取断路器正常情况下的机械特性曲线，并计算正 常特征值，包括储能电机启动延时、储能电机电流峰值、平均值、储能时间、分合闸线圈电 流平均值、分合闸线圈电流持续时间、分合闸行程、三相分合闸行程启动最大时间差、分合 闸速度，正常特征值存储在实时数据库和文件系统中。

2）断路器现场投运时，在线监测系统实时读取断路器动作情况下的机械特性曲线，计算 断路器动作时在线监测各特征值，包括储能电机启动延时、储能电机电流峰值、平均值、储 能时间、分合闸线圈电流平均值、分合闸线圈电流峰值个数、分合闸线圈电流持续时间、分 合闸行程、三相分合闸行程启动最大时间差、分合闸速度。

3）在线监测系统分别计算各特征值所表征的故障几率，包括储能电机故障几率、分闸故 障几率、合闸故障几率。

4）计算断路器在线监测总故障几率，断路器在线监测总故障几率为步骤(3)计算出的故障 几率之和：

F＝F_M+F_F+F_H

其中：F为断路器在线监测总故障几率，F_M、F_F、F_H分别为储能电机、分闸、合闸的故障 几率。

5）在线监测系统根据步骤4)得到的故障几率大小,判断是否报警；当故障几率≥报警阈值 时，则在线监测系统产生故障报警信号，当故障几率＜报警阈值时，则在线监测系统不产生 故障报警信号。

步骤(3)所述的储能电机故障几率包括A相、B相、C相储能电机故障几率，其中单相储 能电机故障几率的监测方法：

$F_{\mathrm{MX}}=\left\{\right\{(T_{\mathrm{MS}}-T_{\mathrm{MSD}}-2)\times 0.3{\}}_{+}^1+\left\{\right(|T_{\mathrm{MA}}-T_{\mathrm{MAD}}|)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{\left(\right|I_{\mathrm{MA}}-I_{\mathrm{MAD}}|-I_{\mathrm{MAD}}/4){\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

其中：X可取A、B、C，分别代表A相、B相、C相的储能电机故障几率，取储能电机综 合故障几率为：

F_M＝MAX{F_MA,F_MB,F_MC}

其中：F_M为储能电机综合故障几率，F_MA、F_MB、F_MC分别为A、B、C三相的储能电机故障 几率；

步骤(3)所述的分闸故障几率包括A相、B相、C相分闸故障几率，其中单相分闸故障几 率的监测方法：

$F_{\mathrm{FX}}=\left\{\right\{|N_{\mathrm{FP}}-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|I_{\mathrm{FA}}-I_{\mathrm{FAD}}|-I_{\mathrm{FAD}}/3){\}}_{+}^1+\{(T_{\mathrm{FT}}-1.3T_{\mathrm{FTD}})\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{(T_{\mathrm{FS}}-1.3T_{\mathrm{FSD}})\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(S_{\mathrm{FAD}}-1.2S_{\mathrm{FA}})\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

其中：X可取A、B、C，分别代表A相、B相、C相的分闸故障几率，取分闸综合故障几 率为：

其中：F_F为分闸综合故障几率，F_FA、F_FB、F_FC分别为A、B、C三相的分闸故障几率。

步骤(3)所述的合闸故障几率包括A相、B相、C相合闸故障几率，其中单相合闸故障几 率的监测方法：

单相合闸故障几率为：

$T_{\mathrm{HX}}=\left\{\right\{|N_{\mathrm{HP}}-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|I_{\mathrm{HA}}-I_{\mathrm{HAD}}|-I_{\mathrm{HAD}}/3){\}}_{+}^1+\{(T_{\mathrm{HT}}-1.3T_{\mathrm{HTD}})\times 0.1{\}}_{+}^1$

$(T_{\mathrm{HS}}-1.3T_{\mathrm{HSD}})\times {\}}_{+}^1+\{(S_{\mathrm{HAD}}-1.2S_{\mathrm{HA}})\times {\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

其中：X可取A、B、C，分别代表A相、B相、C相的合闸故障几率，取合闸综合故障几 率为：

$F_H=\mathrm{MAX}\{F_{\mathrm{HA}},F_{\mathrm{HB}},F_{\mathrm{HC}}\}+\{(\Delta T_{H\max }-6)\times 0.2{\}}_{+}^1$

其中：F_H为合闸综合故障几率，F_HA、F_HB、F_HC分别为A、B、C三相的合闸故障几率。

基于在线监测的高压断路器机械特性故障几率的监测系统，包括采集高压断路器信号的 储能电机传感器、合闸传感器、分闸传感器、行程传感器，且所述的储能电机传感器、合闸 传感器、分闸传感器和行程传感器均与机械特性检测装置相连，所述的机械特性检测装置与 计算机监控系统相连。

所述的储能电机传感器、合闸传感器、分闸传感器均采用的是电流传感器，型号为HEC 15-LX(V5,±12)。

所述的行程传感器为角位移传感器，型号：KSJ-1-360-V-05。

本发明产生的有益效果是：通过对高压断路器机械特性在线监测数据的特征值分析，给 出高压断路器机械特性的故障几率（取值范围0～1之间），从而可以实时掌握断路器工况， 预测断路器的可能故障，制定合理的检修计划，为电力系统的安全可靠运行提供一种新的技 术手段，因而具有重要的应用价值。本发明不涉及复杂的理论公式，已经得到了规模化应用。

附图说明

图1 为实验系统框图；

图2 为断路器正常的储能电机电流曲线(A相)；

图3 为断路器正常的分闸线圈电流曲线(A相)；

图4 为断路器正常的分闸行程曲线(A相)；

图5 为断路器正常的合闸线圈电流曲线(A相)；

图6 为断路器正常的合闸行程曲线(A相)；

图7 为故障模拟实验断路器储能电机电流曲线(A相)；

图8 为故障模拟实验断路器分闸线圈电流曲线(A相)；

图9 为故障模拟实验断路器分闸行程曲线(A相)；

图10 为故障模拟实验断路器合闸线圈电流曲线(A相)；

图11 为故障模拟实验断路器合闸行程曲线(A相)。

实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

图1为实验系统框图，其中：液压式高压断路器(泰开电气，型号：ZF16-252)额定电压 为252KV、额定短时耐受电流为50KA；断路器传感器均为三相独立输入；嵌入式机械特性 监测装置(泰开电气，型号：IEM-610)具有数据采集、显示、波形文件存储（COMTRADE格式）、 通信（DL/T860标准）、告警等功能。

基于在线监测的高压断路器机械特性故障几率监测方法，表示方法：设对于表达式，给 定f(x₁x₂...)时取值为F，并且：

，则记f(x₁x₂...)为

以下说明均包括A相、B相、C相。

1）读取断路器正常情况下的在线监测曲线（见图2～图6），计算断路器机械特性在线监 测正常特征值如下表3：

表3：实验断路器机械特性在线监测正常特征值

2）运行监控状态下（本例为故障模拟状态下：通过调整油压开关和安全阀来模拟漏油）， 实时读取断路器动作时的机械特性在线监测曲线（见图7～图11）。

3）计算断路器动作时在线监测特征值，见表4。

表4：故障模拟状态下实验断路器机械特性在线监测特征值

4）机械特性在线监测故障几率计算。

A）：储能电机在线监测故障几率计算。储能电机在线监测特征值有：电机起动延时T_MS（以分合闸线圈电流为参考点）、电机平均电流I_MA、电机储能时间T_MA。对于特定的储能电机， I_MA应在合理的范围之内，数值过小反映电机电气回路故障，数值过大对电机线圈有损害或烧 损，同样由于T_MS、T_MA受储能机构开关控制，T_MS、T_MA数值超限，反映了储能系统/操动机构 故障。

单相储能电机故障几率为：

$F_{\mathrm{MX}}=\left\{\right\{(T_{\mathrm{MS}}-T_{\mathrm{MSD}}-2)\times 0.3{\}}_{+}^1+\left\{\right(|T_{\mathrm{MA}}-T_{\mathrm{MAD}}|)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{\left(\right|I_{\mathrm{MA}}-I_{\mathrm{MAD}}|-I_{\mathrm{MAD}}/4){\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

其中：X可取A、B、C，分别代表A相、B相、C相的储能电机故障几率，取储能电机综 合故障几率为：

F_M＝MAX{F_MA,F_MB,F_MC}

其中：F_M为储能电机综合故障几率，F_MA、F_MB、F_MC分别为A、B、C三相的储能电机故障 几率。

b）分闸在线监测故障几率计算。分闸在线监测特征值有：分闸电流峰值数量N_FP、分闸 电流平均值I_FA、分闸电流持续时间T_FA、分闸行程起动延时T_FS（以检测到分闸线圈电流为起 点）、分闸平均速度S_FA（或分闸时间）。正常情况下N_FP=2，如果N_FP≠2则反映了线圈铁心故 障；I_FA数值过小反映分闸电气回路故障，数值过大对分闸线圈有损害或烧损；T_FA数值数值过 大反映分闸辅助触点故障或拒跳；T_FS数值过大反映了储能系统/操动机构卡滞或拒跳，S_FA数 值过小反映了储能系统/操动机构卡滞。

单相分闸故障几率为（公式已经考虑拉断大电流时的曲线特征）：

$F_{\mathrm{FX}}=\left\{\right\{|N_{\mathrm{FP}}-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|I_{\mathrm{FA}}-I_{\mathrm{FAD}}|-I_{\mathrm{FAD}}/3){\}}_{+}^1+\{(T_{\mathrm{FT}}-1.3T_{\mathrm{FTD}})\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{(T_{\mathrm{FS}}-1.3T_{\mathrm{FSD}})\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(S_{\mathrm{FAD}}-1.2S_{\mathrm{FA}})\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

其中：X可取A、B、C，分别代表A相、B相、C相的分闸故障几率，取分闸综合故障几

率为：

其中：F_F为分闸综合故障几率，F_FA、F_FB、F_FC分别为A、B、C三相的分闸故障几率。

c）合闸在线监测故障几率计算。合闸在线监测特征值有：合闸电流峰值数量N_HP、合闸 电流平均值I_HA、合闸电流持续时间T_HA、合闸行程起动延时T_HS（以检测到合闸线圈电流为起 点）、合闸平均速度S_HA（或合闸时间）。正常情况下N_HP=2，如果N_HP≠2则反映了线圈铁心故 障；I_HA数值过小反映合闸电气回路故障，数值过大对合闸线圈有损害或烧损；T_HA数值数值 过大反映合闸辅助触点故障或拒合；T_HS数值过大反映了储能系统/操动机构卡滞或拒合，S_HA数值过小反映了储能系统/操动机构卡滞。

单相合闸故障几率为：

$F_{\mathrm{HX}}=\left\{\right\{|N_{\mathrm{HP}}-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|I_{\mathrm{HA}}-I_{\mathrm{HAD}}|-I_{\mathrm{HAD}}/3){\}}_{+}^1+\{(T_{\mathrm{HT}}-1.3T_{\mathrm{HTD}})\times 0.1{\}}_{+}^1$

$(T_{\mathrm{HS}}-1.3T_{\mathrm{HSD}})\times {\}}_{+}^1+\{(S_{\mathrm{HAD}}-1.2S_{\mathrm{HA}})\times {\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

其中：X可取A、B、C，分别代表A相、B相、C相的合闸故障几率，取合闸综合故障几 率为：

$F_H=\mathrm{MAX}\{F_{\mathrm{HA}},F_{\mathrm{HB}},F_{\mathrm{HC}}\}+\{(\Delta T_{H\max }-6)\times 0.2{\}}_{+}^1$

其中：F_H为合闸综合故障几率，F_HA、F_HB、F_HC分别为A、B、C三相的合闸故障几率。

d）断路器在线监测总故障几率计算。断路器在线监测总故障几率为上述1）、2）、3）步 计算出的故障几率之和：

F＝F_M+F_F+F_H

其中：F为断路器在线监测总故障几率，F_M、F_F、F_H分别为储能电机、分闸、合闸的故障 几率。

带入具体数据后的监测方法如下：

A）：储能电机在线监测故障几率计算：

$F_{\mathrm{MA}}=\left\{\right\{(0.5-0.5-2)\times 0.3{\}}_{+}^1+\left\{\right(|27.2-24.6|)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{\left(\right|1.15-1.18|-1.18/4){\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0.26$

$F_{\mathrm{MB}}=\left\{\right\{(0.5-0.5-2)\times 0.3{\}}_{+}^1+\{\left(\right|27.8-25\left|\right)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{\left(\right|1.16-1.19|-1.19/4){\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0.28$

$F_{\mathrm{MC}}=\left\{\right\{(0.5-0.5-2)\times 0.3{\}}_{+}^1+\{\left(\right|27.5-24.1\left|\right)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{\left(\right|1.2-1.22|-1.18/4){\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0.34$

F_M＝MAX{0.26,0.28,0.34}＝0.34

b）分闸在线监测故障几率计算：

$F_{\mathrm{FA}}=\left\{\right\{|2-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|0.7-0.75|-0.75/3){\}}_{+}^1+\{(20-1.3\times 19)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{(10-1.3\times 10)\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(9.2-1.2\times 8.6)\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$+\{(10-1.3\times 11)\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(9.1-1.2\times 8.5)\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0$

$F_{\mathrm{FC}}=\left\{\right\{|2-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|0.69-0.79|-0.79/3){\}}_{+}^1+\{(20-1.3\times 20)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{(11-1.3\times 11)\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(9.0-1.2\times 8.3)\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0$

$T_F=\mathrm{MAX}\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}+\{(3-6)\times 0.2{\}}_{+}^1=0$

c）合闸在线监测故障几率计算：

$F_{\mathrm{HA}}=\left\{\right\{|2-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|0.85-0.88|-0.88/3){\}}_{+}^1+\{(44-1.3\times 40)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\left\{\right(8-1.3\times 7)\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(4.2-1.2\times 3.3)\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0.12$

$F_{\mathrm{HA}}=\left\{\right\{|2-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|0.89-0.91|-0.91/3){\}}_{+}^1+\{(44-1.3\times 41)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\left\{\right(9-1.3\times 8)\times 0.1{\}}_{+}^1+\left\{\right(44.1-1.2\times 3.2)\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0.13$

$F_{\mathrm{HA}}=\left\{\right\{|2-2|{\}}_{+}^1+\{\left(\right|0.87-0.89|-0.89/3){\}}_{+}^1+\{(44-1.3\times 41)\times 0.1{\}}_{+}^1$

$+\{(9-1.3\times 8)\times 0.1{\}}_{+}^1+\{(4.0-1.2\times 3.0)\times 0.5{\}}_{+}^1{\}}_{+}^1$

$=0.20$

$F_H=\mathrm{MAX}\left\{\mathrm{0.12,0.13,0.2}\right\}+\{(4-6)\times 0.2{\}}_{+}^1=0.2$

d）断路器在线监测总故障几率计算：

F＝0.34+0+0.2＝0.54

5）报警阈值为0.3，故障几率>阈值，IEM-610在线监测装置产生了报警信号。