一种用于高压断路器故障诊断的振动检测装置设计

        摘要：本文设计了一种振动检测装置，该装置基于电磁变化与感应原理，结合机械结构的合理设计，实现了对机械振动信号的短时检测。实验证明：本装置工作性能可靠，检测精度高，可运用于中型及大型高压断路器的故障诊断系统，为系统提供振动模态。

　　引言

高压断路器是电力系统中重要、典型的电气设备，有着巨大的市场需求和容量，断路器发生故障造成的损失，远超出其本身的价值。有关统计表明，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60% 又是用于断路器的小修和例行检修上，而且断路器的解体修理既费时间，费用也很高，另外解体和重新装配会引起很多新的缺陷。可见，高压断路器可靠性的提高、维修费用的降低，对电力设备产业将会有非常明显的带动与促进作用，并将推动机械制造业、检测仪表业等相关行业的飞速发展，克服高压断路器定期检修的盲目性，从现行的计划检修向故障预测检修转变已成为必然趋势。利用振动分析对发电机和感应电动机等大型连续旋转设备进行故障诊断，国内外已有大量的研究成果和应用实例。振动指纹分析在高压断路器中的应用尚处于探索阶段，但国内外学者普遍认为该方法是极具潜力的一种新的研究思路。

1 基于振动分析结合人工免疫算法的高压断路器故障诊断、预测系统介绍

一般来说，断路器发生故障都是由两方面原因造成的，一方面是电气故障，另一方面是机械故障[1]。高压断路器分、合闸操作时，产生的一系列振动信号中含有设备工作状态信息，且对同一位置相同情况下的操作，高压断路器的振动信号具有重复性和独特性，所以目前高压断路器的故障诊断方法大多以振动信号为特征信号。实验已经表明同类型的断路器动作时所产生的振动信号相似，这就使通过比较同种类型不同断路器的振动信号检测断路器故障成为可能，使基于振动信号所进行的断路器状态检测和故障诊断推广性与实用性得到进一步提高[2]。

针对电力系统中高压断路器的故障诊断、预测，笔者提出了一种针对不同断路器的机械特性和振动信号的特点，通过选用适合的振动检测装置及其它外围电路，利用上位计算机和下位机(信息采集卡)的数据处理能力，采取必要的、有效的抗干扰算法，提取振动信号，然后采用人工免疫算法，对高压断路器振动指纹信号进行识别，实现高压断路器故障诊断、预测的有效可行的系统设计方法[3]。本系统能及时了解断路器的工作状态和缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性。

在系统设计实现时，短时机械振动检测又是其核心检测内容。目前，振动检测多用压电式加速度传感器，背景噪声较大，且压电材料的输出对温度的响应除受材料本身特性影响之外，也受到生产工艺的直接影响，故压电式加速度传感器的输出对环境温度较敏感，灵敏度温度系数通常为0.02%～0.5%/℃;另外，尽管压电式加速度传感器测量量程范围较大，但由于是测量振动的加速度值，在相同的位移幅值条件下，加速度值与信号的频率平方成正比，不同频段的加速度信号大小相差甚大，大型结构的低频振动的振动量的加速度值可能会相当小，故低频时传感器的信噪比会显著下降;而且由于压电材料自身特性，传感器在测试时具有明显的方向性，不可避免地对横向振动也产生输出信号，这些因素使得压电式加速度传感器的测量精度有限。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型(IEPE型)为50~100mV/g，电荷输出型为10~50pC/g。

为了解决“基于振动分析结合人工免疫算法的高压断路器故障诊断、预测系统”设计中提出的高压断路器振动信号提取的现有技术问题，本文设计了一种短时机械振动检测装置，该装置基于电磁变化与感应原理，结合机械结构的合理设计，实现振动信号检测功能。

2 振动检测装置设计

在振动腔体中设置含有相互垂直两个绕组的定板，及含有两对相互垂直绕组的动板，定板固定于腔体上，动板安装于惯性块上。通过检测定板和动板之间的相对运动，可测得断路器在X和Z方向的振动模态。在进行故障诊断时，定板输入被放大了的正弦信号，用于激励，而动板依据振动强弱和模态，在其两对绕组上感应出相应的正弦和余弦两相输出信号。输出信号被电路板上的功率放大电路放大，可直接输出至专用仪器、单片机和计算机等设备。

本振动检测装置还在机械结构上采用如下设计方案，以保证振动信号的有效传递和采集，同时降低系统的背景噪声：设置空心弹性连杆，其一