南网昆明供电局 袁 峻

在电力网络系统中，高压真空断路器是十分关键的设施，如常用的10kV断路器，可以对电路进行保护和管理。随着国民经济的发展，电力系统稳定成为关乎国计民生的重要问题。然而伴随高压真空断路器运用范围的增大，高压真空断路器的故障数量也渐渐增多。断路器是否正常对于电力系统的安全程度有重大影响，立足于架构层面剖析，高压真空断路器包括支架、真空灭弧室、操动机构等因素。根据国际大电网会议调查，高压真空断路器故障中80%为机械故障，因此可针对高压真空断路器机械特性进行在线监测，结合其机械特性信号为在线监测与故障诊断提供依据[1]。

基于该背景，本论文深入剖析了高压真空断路器在机械层面的特点、在线监测技术成功应用所需的条件，基于高压真空断路器机械特性和在线监测技术使用的现实情况，阐述其将来的发展态势。

1 高压真空断路器机械特性在线监测内容

1.1 高压真空断路器构成

对于电力系统而言，高压真空断路器是不可缺少的重要设备，用来对电气设备进行保护与管理。高压真空断路器组主要由导电部分、绝缘部分、操动系统以及灭弧装置和接触系统构成，其中导电部分能确保高压真空断路器长时间通电；绝缘部分能确保高压真空断路器对地绝缘、断口绝缘以及相间绝缘；操动系统能控制高压真空断路器的分合闸、控制器动静触头的隔断；灭弧和接触系统大多使用在电路接通与断开等方面。对于高压真空断路器而言操动系统是最关键的组成因素，可保证高压真空断路器稳定运行，保证长期动作灵活。

1.2 高压真空断路器故障类型

高压真空断路器所出现的故障类型能分成误动故障与拒动故障。拒动故障主要是由于机械原因和电气原因引发的分合闸故障，操动系统及其传动系统所引发的故障占拒动故障的60%以上，主要包括机械卡涩、轴销松断、部件变形移位等故障类型；电气故障是由于电气控制所引发的拒动故障，包括保险丝熔断、二次接线失败等类型。引发误动故障的主因包括弹簧操动机构故障、液压机构故障及二次回路故障等类型。从高压真空断路器的故障看，操动系统所引发故障占80%以上，且其操动系统运行时会引发相应的振动信号。通过监测操动系统的机械特性信号，能够实现对操动系统的在线监控，为其故障检测与诊断提供依据。

1.3 在线监测基本内容

依托机械系统，高压真空断路器有效进行开闸与合闸等操作，进而对电路进行保护与管理。对于电路系统而言，高压真空断路器机械系统的稳定性是确保其稳定工作的基础。高压真空断路器机械特性在线监测系统是以断路器机械性信号为根基，搜集有关信号且进行精准提取，进而为科学评估系统运行情况提供可靠根据。高压真空断路器机械特性在线监测是故障诊断的基础。

高压真空断路器机械特性在线监测的主要内容包括其机械构件的信号，分合闸及储能线圈电流的波形、分合闸操作产生的振动信号、分合闸操作的时动曲线等。高压真空断路器机械特性在线监测系统能通过不同的信号综合分析分合闸的运行情况，做出准确判断。

2 高压真空断路器机械特性在线监测技术应用

2.1 信号特征

高压真空断路器在运行过程中，由于各个部件受到撞击、摩擦，从而产生不同频率及持续时间的机械运动，导致断路器内部构件产生振动信号。振动信号能反映高压真空断路器的机械结构及运动状态，从而反映其运行情况。由于高压真空断路器分合闸的时间很短，内部构建不间断运动，都会产生相应的振动子波，相互叠加就能够产生振动信号。在检测过程中，通过分析高压真空断路器振动信号的波形与运动特性的关系，从而能够判断机械特性状态。

2.2 信号采集

要想让高压真空断路器的功能得到全面发挥，首先要进行振动信号的搜集。常用高压真空断路器的振动信号传感器包括光电传感器、差动变压器式位移传感器以及电阻式位移传感器。光电传感器是通过光电转换原理将振动信号转换成为数字量，从而显示振动信号的波动与数值，该型采集器具有体积小、精度高等特点，但成本相对较高。差动变压器式位移传感器主要是利用感应式位移传感器的方式，通过自动移动的活动铁芯感应高压真空断路器的振动，并通过电磁感应转变成为电压信号，该种信号采集方式具有线性度好、抗干扰能力强等优点，但体积较大、运行难度较大。

电阻式位移传感器主要是通过测量电阻两端电流及电压情况，从而判断高压真空断路器触头的运动情况，电阻式传感器中的加速度传感器方法具有精度较高、使用寿命长的优点，成本也相对较低，综合效果较好。采用金属固持胶将加速度位移传感器粘贴于断路器上，能在不破坏高压真空断路器结构的情况下获得较好的振动信号。通常选择高压真空断路器振动源部位作为安装位置。

2.3 振动信号的监测

高压真空断路器振动信号具有丰富的信息，能通过振动信号综合了解设备状态。高压真空断路器振动信号的频率通常在10kHz以内，选用采集频率为20kHz以上的采集卡。经过使用加速度传感器进行振动信号的搜集，得到高压真空断路器的有关数据。在检测过程中能分析振动信号相应的振动过程，对产生振动过程的部件及相应的运动关系进行分析。因为高压真空断路器振动事件发生的顺序相对固定，因此可通过振动信号提取振动特征，识别振动事件。

2.4 振动信号分析

由于高压真空断路器的内部激励源的多样性，振动信号的表现形式十分复杂。因此需采用有效方法对高压真空断路器振动信号进行分析。相关研究显示，高压真空断路器的振动信号属于非周期性的一次动作，持续时间短且属于非平稳瞬变信号。正常状态下断路器振动响应曲线相似。

高压真空断路器振动信号可通过时域和频域两个方面进行分析。时域分析是对时间域内的振动信号进行提取，从而分析其振动信号的时域波动特性，分析其峰值、均值等参数，从而判断机械特性。频域分析是采用傅里叶变换将原始信号进行频谱分解，从而对振动信号进行分析。单纯的时域分析和频域分析重复性较差，分散度大，综合时域分析和频域分析的时频方法能更好地分析振动信号。通过短时傅里叶变换分析每一个时间窗内的频率，以此获知频率在总体时间的变化。采用小波分析的方法将信号分解到不同频带中，能在不同分辨率下观察振动信号。综合各种方法，小波分析法是高压真空断路器振动信号分析的常用方法，其中母小波的选择是其应用难点[2]。

3 高压真空断路器机械特性在线监测技术实现与展望

高压真空断路器机械特性在线监测一方面要对振动信号进行采集和剖析，另一方面还离不开相关软硬件的支撑。高压真空断路器机械特性在线监测技术实现需要：基于嵌入式下位机系统，采用其能准确获取高压真空断路器的电流、行程以及振动信号；虚拟仪器系统，其是现代测量技术，通过计算机与仪器硬件相结合将嵌入式下位机的数据采集，并输入虚拟仪器的软件系统有效分析振动信号；网络通信技术，利用其能实现远程控制与检验，采用无线物联网技术、现场总线技术以及工业以太网技术，能够实现在线监测并对断路器情况进行在线分析。

随着相关技术的发展，高压真空断路器机械特性在线监测技术会向着智能化、网络化方向发展。从高压真空断路器机械特征在线监测来看，在线监测系统的继承性和通用性将会提升，且其产品化进程加快，提升高压真空断路器机械特性在线监测的应用价值。

4 结语

综上，高压真空断路器广泛应用于电力系统中，机械特性是高压真空断路器可靠性的关键因素。高压真空断路器机械特性在线监测能对其机械性能进行分析，从而了解其机械构件故障，为高压真空断路器的故障预警和检修提供支持，提升高压真空断路器运行可靠性。