低溫環(huán)境下高壓斷路器故障模擬

01故障仿真分析1.1

溫度對(duì)分合閘時(shí)間影響仿真分析1.1.1

液壓彈簧機(jī)構(gòu)的建模與仿真運(yùn)用AMESim建立液壓彈簧機(jī)構(gòu)的模型如圖1所示。仿真中分別設(shè)置液壓源模塊溫度為–5

℃、–10℃、–15℃、–20℃和–25℃，得到相應(yīng)溫度下的液壓油黏度如圖2所示。可以看出，液壓油黏度隨著溫度降低而升高。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)模型中，得到液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同溫度下的機(jī)械曲線分合閘時(shí)間，如表1所示。圖1

液壓彈簧機(jī)構(gòu)模型Fig.1

Hydraulicspringmechanismmodel

圖2

液壓油黏度曲線Fig.2

Hydraulicoilviscositycurve表1

不同低溫點(diǎn)的分合閘時(shí)間Table1

Openingandclosingtimeofdifferentlowtemperature由表1可知，溫度降低時(shí)，分閘時(shí)間變化比較小，這是由于分閘操作對(duì)動(dòng)作速度要求較高，需要的儲(chǔ)能出力比較大，故低溫環(huán)境造成的影響較小。而合閘操作需要的儲(chǔ)能出力比較小，受低溫環(huán)境的影響較大，合閘時(shí)間變化明顯。1.1.2

溫度對(duì)分合閘時(shí)間影響機(jī)理液壓彈簧斷路器通過高低壓油路的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而借助高壓油產(chǎn)生的油壓力，完成分合閘操作。通過牛頓液體內(nèi)摩擦規(guī)律，液壓油在流動(dòng)時(shí)相鄰液層的內(nèi)摩擦力Ft為式中：μ為液壓油黏度；A為接觸面積；v為液壓油流速；y為沿著流速變化方向。油路中的壓力損失為式中：?p為油路中的油壓損失；λ為沿程阻力系數(shù)；l為油路長(zhǎng)度；d為油管直徑；ρ為液壓油密度；v為油路中液壓油流速；ζ為阻力系數(shù)?；钊麠U的運(yùn)動(dòng)方程為式中：Fd為總作用力；Ac為活塞面積；pc為高壓油腔內(nèi)的油壓；Cc為阻尼系數(shù)；xc為活塞行程；t為時(shí)間；fc為缸內(nèi)阻力；mc為活塞質(zhì)量。當(dāng)溫度降低時(shí)，液壓油黏度增大。結(jié)合式（1）~（3），液壓油黏度增大導(dǎo)致液壓油內(nèi)摩擦力增大、液壓油壓力損失增大、總出力減小，斷路器的分合閘速度變慢，分合閘時(shí)間變長(zhǎng)。1.2

分合閘線圈電流仿真分析1.2.1

分合閘線圈建模利用SolidWorks軟件進(jìn)行電磁鐵三維建模，模型如圖3所示。將模型導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行仿真，相關(guān)參數(shù)如表2所示。圖3

分合閘線圈模型Fig.3

Dataacquisitionplatform表2

仿真參數(shù)設(shè)置Table2

Simulationparametersetting正常情況下測(cè)得的分合閘標(biāo)準(zhǔn)電流波形如圖4所示。圖4

線圈電流標(biāo)準(zhǔn)波形Fig.4

Standardwaveformofcoilcurrent可以看出，線圈電流曲線的變化過程可分為以下3個(gè)階段。1）當(dāng)t=0時(shí)，分合閘命令發(fā)出，對(duì)應(yīng)的分合閘線圈通電，線圈電流值以指數(shù)的形式上升，通電線圈產(chǎn)生的電磁力還不能夠使合閘電磁閥內(nèi)的鐵芯動(dòng)作，鐵芯處于預(yù)動(dòng)狀態(tài)；2）當(dāng)t=t1時(shí)，線圈電流達(dá)到波峰值I1，通電線圈產(chǎn)生的電磁力剛好能夠使電磁閥內(nèi)的鐵芯動(dòng)作，由楞次定律可知，鐵芯動(dòng)作將會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)使線圈電流值減??；3）當(dāng)t=t2時(shí)，線圈電流達(dá)到波谷值I2，電磁閥內(nèi)的鐵芯動(dòng)作到位，反電動(dòng)勢(shì)消失，線圈電流值以指數(shù)的形式上升到穩(wěn)定值I。令?t=t2–t1，?I=I1–I2，X=(t1,

I1,

t2,

I2,

?t,

?I,

I

)作為特征參數(shù)，當(dāng)斷路器發(fā)生故障時(shí)，X中的特征參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而將故障信息表現(xiàn)出來。1.2.2

分合閘線圈電壓不穩(wěn)仿真分析正常情況下，線圈兩端電壓為220V。為了模擬電源電壓在一定范圍內(nèi)變化，設(shè)置電壓分別為200V、210V、220V、230V和240V，得到仿真電流曲線如圖5所示，特征參數(shù)如表3所示。圖5

不同電壓線圈電流曲線Fig.5

Coilcurrentcurvesofdifferentvoltages

表3

不同電壓線圈電流參數(shù)Table3

Coilcurrentparametersofdifferentvoltages由圖5和表3可知，I1、I2、I隨著線圈電壓的增大而增大，t1、t2隨之有不同程度的減小，?t、?I隨著電壓的增大而逐漸減小。當(dāng)線圈通電后，動(dòng)鐵芯所受電磁力F為式中：i為線圈電流；L

為線圈電感；x為動(dòng)鐵芯位移。當(dāng)線圈電阻一定時(shí)，線圈電流與線圈電壓是正相關(guān)的，電壓越大電流越大，通電線圈產(chǎn)生的電磁力越強(qiáng)，受到電磁力作用的電磁閥鐵芯動(dòng)作速度越快，因此分合閘結(jié)束時(shí)間以及電流曲線到達(dá)波峰、波谷的時(shí)間提前。1.2.3

分合閘線圈接觸不良仿真分析線圈以及連接處出現(xiàn)松動(dòng)或者腐蝕等會(huì)造成接觸不良。這種故障對(duì)外可以表現(xiàn)為線圈回路電阻增大，仿真時(shí)回路中增加串聯(lián)電阻，阻值分別為25

Ω、50Ω、75Ω、100Ω和125Ω，仿真結(jié)果如圖6和表4所示?？梢钥闯?，I1、I2、I隨著串入電阻的增大而減小，t1、t2隨之有不同程度的增大，?t、?I隨著串入電阻的增加而增大。圖6

不同電阻線圈電流曲線Fig.6

Coilcurrentcurvesofdifferentresistances

表4

不同電阻線圈電流參數(shù)Table4

Coilcurrentparametersofdifferentresistances當(dāng)線圈電壓一定時(shí)，線圈電流與線圈電阻是負(fù)相關(guān)的，回路電阻越大，線圈電流越小，通電線圈產(chǎn)生的電磁力越弱，受到電磁力作用的電磁閥鐵芯動(dòng)作速度越慢，因此分合閘結(jié)束時(shí)間以及電流曲線到達(dá)波峰、波谷的時(shí)間延后。02故障模擬實(shí)驗(yàn)2.1

低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為了滿足實(shí)驗(yàn)低溫環(huán)境的需求，在漠河某變電站內(nèi)搭建了低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為L(zhǎng)W30-252L型高壓交流瓷柱式斷路器。斷路器可實(shí)現(xiàn)三相聯(lián)動(dòng)，配有CTY-10型液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用儲(chǔ)能電機(jī)對(duì)碟簧進(jìn)行儲(chǔ)能，通過分合閘線圈控制換向閥進(jìn)行高低壓油路的轉(zhuǎn)換來完成分合閘操作。通過動(dòng)特性測(cè)試儀來獲取分合閘時(shí)間，使用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，利用示波器測(cè)量斷路器分合閘電流曲線，設(shè)備布置情況如圖7所示。圖7

試驗(yàn)設(shè)備布置示意Fig.7

Experimentalequipmentarrangement

2.2

試驗(yàn)方案2.2.1

無故障條件下的低溫實(shí)驗(yàn)為了研究低溫對(duì)斷路器機(jī)械性能的影響，與模擬故障條件下的斷路器分合閘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，需要對(duì)沒有故障情況下動(dòng)作的斷路器進(jìn)行低溫分合閘實(shí)驗(yàn)。設(shè)置斷路器動(dòng)特性測(cè)試儀的標(biāo)準(zhǔn)充電電壓為220V，在–5℃、–10℃、–15℃、–20℃和–25℃共5個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)下，分別對(duì)液壓彈簧斷路器進(jìn)行10次分合閘試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)獲取分合閘時(shí)間、分合閘電流和振動(dòng)信號(hào)，分合閘時(shí)間取B相數(shù)據(jù)。2.2.2

線圈電壓不穩(wěn)定條件下的低溫實(shí)驗(yàn)斷路器在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)分合閘線圈電壓不穩(wěn)定的故障情況。分合閘線圈兩端電壓過小可能導(dǎo)致操動(dòng)機(jī)構(gòu)無法動(dòng)作，過大可能會(huì)燒毀線圈。本著不損壞斷路器的原則，設(shè)置動(dòng)特性測(cè)試儀的充電電壓為200V、210V、220V、230V和240V5個(gè)等級(jí)，分別在–5℃、–10℃和–20℃3個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)下對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘試驗(yàn)，每個(gè)溫度點(diǎn)下的每個(gè)電壓等級(jí)進(jìn)行分合閘操作10次。2.2.3

線圈回路接觸不良條件下的低溫實(shí)驗(yàn)斷路器在運(yùn)行過程中，分合閘線圈及其兩端的連接點(diǎn)可能會(huì)被腐蝕而導(dǎo)致回路接觸不良的故障情況，線圈回路接觸不良可采用在線圈回路中串入電阻的方法模擬故障。經(jīng)測(cè)量，斷路器固有線圈電阻為127Ω。使用滑動(dòng)變阻器來得到不同阻值的電阻，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)立25Ω、50Ω、75Ω、100Ω和125Ω共5個(gè)等級(jí)的串入電阻值，線圈電壓設(shè)置為220V，分別在–5℃、–10℃和–20℃3個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)下對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘試驗(yàn)，每個(gè)溫度點(diǎn)下的每個(gè)電阻等級(jí)進(jìn)行分合閘操作10次。2.2.4

碟簧儲(chǔ)能不到位條件下的低溫實(shí)驗(yàn)碟簧是液壓彈簧斷路器的儲(chǔ)能部件，碟簧儲(chǔ)能狀態(tài)關(guān)系到斷路器動(dòng)作的正常與否。經(jīng)過測(cè)量，碟簧完全儲(chǔ)能時(shí)其壓縮量為87mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過卸能手桿將碟簧儲(chǔ)存的能量全部放掉，在斷路器能夠動(dòng)作的前提下，通過匯控箱內(nèi)控制碟簧儲(chǔ)能的計(jì)時(shí)器設(shè)定不同時(shí)間，使碟簧儲(chǔ)能時(shí)的壓縮量分別為87mm、77mm、67mm、57mm和47mm共5個(gè)等級(jí)，分別在–5℃、–10℃和–20℃3個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)下對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘試驗(yàn)，每個(gè)溫度點(diǎn)下的每個(gè)碟簧壓縮量等級(jí)進(jìn)行分合閘操作10次。2.3

振動(dòng)信號(hào)處理方法加速度傳感器測(cè)得的典型分閘振動(dòng)信號(hào)波形如圖8所示。圖8

典型分閘振動(dòng)信號(hào)波形Fig.8

Typicalopeningvibrationsignalwaveform直接對(duì)波形進(jìn)行分析比較困難，可以將復(fù)雜波形分解為有限個(gè)本征模函數(shù)（intrinsicmodefunction，IMF），再對(duì)IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換，得到瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，進(jìn)而得到信號(hào)的希爾伯特邊際譜。分閘振動(dòng)信號(hào)的邊際譜能量如圖9所示。圖9

分閘振動(dòng)信號(hào)的邊際譜能量Fig.9

Marginalspectralenergyofopeningvibrationsignal03實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1

無故障情況正常情況下測(cè)得不同低溫等級(jí)下的分合閘時(shí)間如表5所示?？梢钥闯?，低溫對(duì)液壓彈簧斷路器的開斷性能存在一定影響，隨著溫度的降低，分合閘時(shí)間均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，與仿真結(jié)果相同。表5

不同低溫點(diǎn)的分合閘時(shí)間Table5

Opening/closingtimeofdifferentlowtemperaturegrades正常情況下測(cè)得的不同低溫等級(jí)的特征參數(shù)平均值如表6所示?？梢钥闯觯蜏貙?duì)線圈電流的特征參數(shù)影響較小。表6

不同低溫點(diǎn)的電流特征參數(shù)Table6

Characteristicparametersofdifferentlowtemperaturegradesundernormalconditions線圈電阻隨溫度變化關(guān)系式為式中：R為銅線電阻值；l為銅線長(zhǎng)度；ρ為銅線電阻率；A為銅線截面積；Tk為溫度，K。由式（5）（6）可知，由于ρ的單位為nΩ·m，20℃的溫度變化對(duì)電阻率影響很小，當(dāng)其余參數(shù)不變時(shí)，線圈電阻變化不超過2Ω，相較于127Ω的線圈電阻來說，不會(huì)對(duì)線圈電流造成大的改變，因此后續(xù)對(duì)于線圈故障分析不再考慮溫度的影響。正常情況下測(cè)得不同低溫等級(jí)下的邊際譜能量平均值如圖10所示?？梢钥闯?，振動(dòng)信號(hào)的邊際譜能量主要包含在IMF1中。當(dāng)溫度在–5

℃~–10℃范圍時(shí)，分閘信號(hào)的IMF1的邊際譜能量發(fā)生了較大改變，IMF2分量也有小幅度的增加，其他分量的變化不大，而在更低的溫度下幾乎沒有變化。圖10

不同低溫點(diǎn)的邊際譜能量3.2

線圈電壓不穩(wěn)定條件因不同低溫點(diǎn)下不同故障等級(jí)的特征參數(shù)變化趨勢(shì)相同，只是各項(xiàng)數(shù)值大小有所差異，故將–20℃環(huán)境溫度下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為典型來提取特征參數(shù)并分析其變化規(guī)律。–20℃低溫點(diǎn)下施加不同線圈電壓等級(jí)的合閘電流曲線如圖11所示，特征參數(shù)如表7所示，其中T為合閘時(shí)間，220

V電壓所在行對(duì)應(yīng)正常情況的數(shù)值。圖11

不同線圈電壓等級(jí)的電流曲線表7

不同線圈電壓等級(jí)的電流特征參數(shù)可以看出，特征參數(shù)X中的I1、I2、I隨著線圈電壓的增大而增大，t1、t2、T隨之有不同程度的減小。其中I1變化了8.6%，I2增大了25.4%，I增大了19.9%；t1減小了15.6%，t2減小了17.4%；T減小了1.7%，與仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)一致。圖12為–20℃低溫下不同線圈電壓時(shí)的分閘邊際譜能量?？梢钥闯?，分合閘振動(dòng)信號(hào)中各IMF分量的邊際譜能量值在小范圍內(nèi)波動(dòng)。圖12

不同線圈電壓等級(jí)的邊際譜能量Fig.12

Marginalspectralenergyofdifferentcoilvoltagelevels3.3

線圈回路接觸不良條件–20℃低溫點(diǎn)下串入不同電阻的合閘電流曲線如圖13所示，特征參數(shù)如表8所示，其中5Ω電阻所在行對(duì)應(yīng)正常情況的數(shù)值。圖13

串入不同電阻的電流曲線Fig.13

Currentcurveofdifferentseriesresistors

表8

不同串入電阻的電流特征參數(shù)Table8

Characteristicparametersofdifferentseriesresistors可以看出，特征參數(shù)X中的I1、I2、I隨著串入電阻的增大而減小，t1、t2、T隨之有不同程度的增大。其中I1減小了14.6%，I2減小了30.9%，I減小了46.3%；t1增加了43.4%，t2增大了55.2%；T增加了4.3%，與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致。對(duì)比表7和表8可以看出，線圈電壓減小與回路電阻增加造成的電流變化趨勢(shì)一致。原因是這2種變化都造成了線圈電流的減小，導(dǎo)致通電線圈產(chǎn)生的電磁力減小，受到電磁力作用的電磁閥鐵芯動(dòng)作速度降低，因此分合閘結(jié)束時(shí)間以及電流曲線到達(dá)波峰、波谷的時(shí)間推遲。圖14為–20

℃下不同串入電阻的分閘邊際譜能量。可以看出，分閘振動(dòng)信號(hào)中各IMF分量的邊際譜能量值幾乎不隨電阻的變化而變化。綜合分析線圈故障發(fā)現(xiàn)其對(duì)振動(dòng)信號(hào)的邊際譜能量影響很小，可以忽略。這是由于線圈主要控制機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)刻，對(duì)本體的動(dòng)作出力等特性沒有影響。圖14

不同串入電阻的邊際譜能量Fig.14

Marginalspectralenergyofdifferentseriesresistors

3.4

碟簧儲(chǔ)能不到位條件–20℃低溫點(diǎn)下不同碟簧壓縮量的合閘電流曲線如圖15所示，特征參數(shù)如表9所示，其中x為碟簧壓縮量，87mm壓縮量所在行對(duì)應(yīng)正常情況的數(shù)值。圖15

不同碟簧壓縮量的電流曲線Fig.15

Currentcurvesofdifferentdiscspringcompression

表9

不同碟簧壓縮量的特征參數(shù)Table9

Characteristicparametersofdifferentdiscspringcompression可以看出，這5組碟簧壓縮量對(duì)應(yīng)的線圈電流曲線基本是重合的，線圈電流的特征參數(shù)相差不大，但合閘時(shí)間隨著碟簧壓縮量的增大而減小。這是由于碟簧壓縮量表明碟簧儲(chǔ)存的能量，它在分合閘過程中代表油路中液壓油的油壓力，與線圈電流無關(guān)。碟簧壓縮量越大，分合閘時(shí)儲(chǔ)能出力越大，則斷路器動(dòng)作速度越快，分合閘時(shí)間越小。圖16為–20

℃下不同儲(chǔ)能的分閘邊際譜能量。可以看出，隨著碟簧儲(chǔ)能的增加，IMF1的邊際譜能量隨之增大。IMF2~IMF5分量隨碟簧儲(chǔ)能的變化規(guī)律不明顯