一种断路器操动机构综合评价方法与流程

1.本发明实施例涉及断路器故障检测和诊断的技术领域，具体涉及一种断路器操动机构综合评价方法。


背景技术：

2.高压断路器是电力系统重要的保护和控制设备，其运行可靠性直接影响电网运行的可靠性，高压断路器的可靠运行对电力系统的正常运行发挥着至关重要的作用，因此高压短路器的故障检测与诊断就尤为重要。现有高压断路器故障检测与诊断的评估方法是对整个高压断路器的工作环境、对外风险、停运损失、高压断路器内各个结构的运行数据及故障概率、维修费用概率等数据作为输入进行分析，评估输出整个高压断路器的维修建议，这种方法由于需要输入的数据过多，导致出错率高，评估成本超高，不容易实现；而且，其输入的工作环境、对外风险、停运损失、维修费用等因素均是对外因素，由于该对外因素的成立均后于高压断路器自身故障的成立，因此使用对外因素评估断路器的健康状况存在结果的滞后性。
3.高压断路器的主要结构大体分为：导流机构、灭弧机构、绝缘机构及操作机构，其中操作机构是高压断路器的核心执行机构，其余机构均为辅助执行机构。据有关的历史资料对全国电力系统高压开关设备运行中事故类型统计分析，拒分事故占22.67%；拒合事故占6.48%；误动事故占7.02%；开断关合事故占9.07；绝缘事故占35.47%；截流事故占7.95%；外力及其他事故占11.43%。而拒分事故、拒合事故、误动事故均与操动机构有关，上述数据表明各种高压断路器故障中与操动机构有关的故障所占比例高达36％左右，所以操动机构的可靠性是影响高压断路器可靠性的关键因素之一。
4.操作机构使断路器按照指定操作顺序和方式实现接触与脱离。其主要功能包括实现合闸、保持合闸、分闸、自由脱扣、防止跳跃、复位、缓冲和连锁等功能。断路器的操动机构随着使用时间及次数的增加会产生卡涩、变形甚至磨损，导致功能降低或失效，典型表现为分/合闸脱扣器卡涩、分/合闸电磁铁铁芯卡涩、分/合闸电磁铁铁芯未复归、分/合闸线圈绝缘下降等，从而导致断路器分/合闸时间变长，甚至拒动。
5.目前，在不拆解操动机构的情况下，尚无有效的检测手段评价操动机构是否存在故障隐患以及隐患的严重程度。尤其对于操动机构某个部件接近临界指标的断路器，在各项技术指标均未超标的情况下，很难做到对操动机构未来发展趋势作出准确的预判。


技术实现要素：

6.为此，本发明实施例提供一种断路器操动机构综合评价方法，以解决现有技术中由于高压断路器评估参量过多而导致评估不准确、评估结果滞后的问题。
7.为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：一种断路器操动机构综合评价方法，包括制作标准电流曲线，在额定工况下，采集健康状态的断路器分/合闸线圈的标准电流
‑
时间曲线，用极值法将标准电流
‑
时间曲线划
分为多个曲线段，并依次进行离散化处理、求取离散点算数平均值，得到标准电流曲线；处理采样电流曲线，在额定工况下采集工作状态下的断路器分/合闸线圈的采样电流
‑
时间曲线，用极值法将采样电流
‑
时间曲线划分为多个曲线段，并依次进行离散化处理、求取离散点算数平均值，得到采样电流曲线；计算采样电流曲线与标准电流曲线之间的不相关系数，使用层次分析法确定不相关系数与操动机构风险的权重向量，使用不相关系数与权重向量计算操动机构风险评估系数。
8.根据本发明的实施方式，具有如下优点：本发明实施例所述的一种断路器操动机构综合评价方法，使用标准参量的提取采用多组曲线取均值的方法，有效去除了噪声，使得参照物更科学、合理。将电流曲线进行分段，每个电流曲线段作为“评估参量”，比常规的单一参量（比如,时间参量）包含的信息更全面，创造性的提出了利用评估区间t
d
判断脱扣弯板最终位置是否存在变动。
9.本发明实施例所述的一种断路器操动机构综合评价方法对各个曲线段的不相关度进行量化评价，评价模型输入量实为偏差，模型适用于同类型的所有断路器，避免了常规手段对基础参量进行评价而多次建模的繁琐过程。
10.本发明实施例所述的一种断路器操动机构综合评价方法使用层次分析法对曲线的不相关度进行分析，建立实现的标准（不相关度）与衡量目标（断路器操动机构故障风险）之间的相对重要程度，这样得到的权重更加精确，使得评价结果更逼近真实状况，得到的断路器操动机构风险评估系数为预警值，通过试验数据将风险评估系数进行分级，有效预测操动机构未来出现故障的可能性。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
12.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
13.图1为本发明的实施例提供的一种断路器操动机构综合评价方法的方法流程图；图2为本发明的实施例提供的一种断路器操动机构综合评价方法的分/合闸线圈电流
‑
时间曲线图；图3为本发明的实施例提供的一种断路器操动机构综合评价方法的离散化处理后的分/合闸线圈电流
‑
时间曲线图；图4为本发明的实施例提供的一种断路器操动机构综合评价方法的层次结构法流程图；图5为本发明的实施例提供的一种断路器操动机构综合评价方法的层次结构模型示意图。
具体实施方式
14.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
16.如图1所示，本发明实施例所述的一种断路器操动机构综合评价方法，对断路器线圈电流曲线进行采样，选取能反映操动机构性能的典型曲线段作为“评估参量”，求取采样曲线段与理论标准曲线段的不相关度，运用层次分析法建立实现的标准（不相关度）与衡量目标（断路器操动机构故障风险）之间的相对重要程度，求导出不相关度与断路器机构故障风险之间的关系，最终得到操动机构风险评估系数，具体方法如下：1、制定标准曲线。
17.如图2所示，在断路器操动机构的电磁铁线圈控制回路上安装电流传感器，在额定工况下，采集分/合闸线圈电流
‑
时间曲线。
18.用极值法依次得到曲线时刻，并由曲线时刻划分为4个时间区间，从前到后依次记为、、、。4个时间区间与操动机构工作状态对应如下：阶段：时刻，合闸线圈通电，线圈中有电流通过，由于此时电流较小，所产生的磁通也较小，动铁芯受到的电磁力不足以使动铁芯运动，故动铁芯位置保持不变。此时气隙最大，电感最小。该阶段线圈电压越大，其电流上升的斜率越陡，达到电流峰值的时间越短，电流的峰值也就越大；控制回路电阻越大，其时间常数就越小，线圈电流上升斜率将变小，使得达到电流峰值的时间延长，峰值电流将随着变小；空行程越大，动铁芯的电感越小，时间常数也就越小，电流上升的速度也随着加快，电流峰值将增大。
19.阶段：时刻，动铁芯开始运动。随着铁芯的运动，磁路气隙减小，气隙磁阻减小，线圈电感增大，线圈电流逐渐下降。时刻，铁芯触碰到脱扣弯板时刻。
20.阶段：时刻，铁芯运动速度达到最大，铁芯运动到位，撞杆撞击合闸触发器，停止运动。如果动铁芯存在卡涩，将延长～的持续时间；电磁铁的动静铁芯吸合不好(结合平面不干净或结合面不平)将会延长～的持续时间。根据此阶段持续时间及电流波形变化情况可以分析判断动铁芯的运动部件是否存在卡涩、脱扣或释能机械负载变化等故障。
21.阶段：时刻，动铁芯运动到位，撞杆撞击合闸触发器停止运
动，储能机构开始释放储能，进而高压断路器动触头开始动作。此阶段动铁芯不动，磁路气隙不变，磁阻不变，电感为常数。线圈电流按指数规律上升，经过电流上升的暂态过程后，电流不再增加，进入稳流阶段。
22.如图3所示，对所述、、、对应的曲线段进行离散化处理，得到4组标准离散点，分别求取每组标准离散点的算术平均值，并生成4段修正的标准电流曲线，分别记为。为了增加数据的准确性，在额定工况下操动n次断路器操动机构的电磁铁线圈控制回路，并采集线圈控制回路的电流曲线，其中n为自定义的自然数，电流曲线经离散化处理后，每个时间区间内均有n组标准离散点，求取n组标准离散点的算术平均值，得到4段修正的标准电流曲线。
23.2、采集采样曲线。
24.当断路器工作时，在额定工况下操动断路器操动机构，获取分合闸线圈电流
‑
时间曲线，记为采样曲线。用极值法依次得到采样曲线对应的时刻，并得到4个时间区间，分别记为、、、，即得到4个采样曲线段，对所述4个采样曲线段均进行离散化处理，得到4组采样离散点，并生成4段修正的采样电流曲线，分别记为、、、。
25.3、计算采样电流曲线与标准电流曲线之间的不相关度计算采样电流曲线与标准电流曲线之间的不相关系数r，计算公式如下：式中：i（t）为t点标准电流值，t为正整数，取值范围为[1，n]；为t点采样电流值，t为正整数，取值范围为[1，n]；i为标准电流均值；i’为采样电流均值。
[0026]
不相关系数r为0
‑
1之间的数，r值越接近于0，则采样曲线与标准曲线偏差越小，断路器健康状况越好；反之，r值越接近于1，断路器存在缺陷的概率越大。对4组采样电流曲线与标准电流曲线均进行不相关系数的计算，依次记为r1、r2、r3、r4。
[0027]
4、如图4所示，用层次分析法确立不相关系数与断路器操动机构风险间的关系a、建立层次结构模型如图5所示，各个层次的元素分布及元素之间的关联关系，所述建立层次结构模型从上到下依次包括目标层、第一准则层、第二准则层及方案层；所述目标层的元素包括设定
操动机构引起的断路器风险；所述第一准则层的元素包括断路器拒动、线圈烧毁、最低动作电压上升、分/合闸时间超标；所述第二准则层的元素包括铁芯未复位、铁芯卡涩、脱扣器卡涩、脱扣板位置变动、匝间绝缘下降；所述方案层的元素包括采样电流曲线与标准电流曲线之间的不相关系数。图5中的各层内元素的排序方式为本实施例的一个具体实施方案，并非唯一排序，各层内的元素可任意排序，后续的评价矩阵需根据各个元素之间的排序关系确定。
[0028]
其中，目标层为引起操动机构引起的断路器风险。根据iec60694等行业标准中对高压开关故障的定义确定第一准则层与第二准则层元素，其中第一准则层为与操动机构相关的断路器故障，其包括：断路器拒动、线圈烧毁、最低动电压上升、分/合闸时间超标；第二准则层为可能造成断路器故障的操动机构部件缺陷原因，其包括：铁芯未复位、铁芯卡涩、脱扣器卡涩、脱扣板位置变动、匝间绝缘下降；方案层包括4组采样电流曲线与标准电流曲线的不相关系数r1～r4。
[0029]
b、依据层次结构模型分别建立各个元素的判断矩阵由于每个因素对上一层元素的“贡献度”不同，因此采用1
‑
9标度法得到各个元素的评价矩阵。具体的，同一层上各个因素之间两两比较，根据其相对重要程度划分为若干个等级，赋以量化值。例如，比如矩阵c中，阶段的不相关系数r1仅能反映铁芯是否复位以及匝间绝缘的情况，而不能反映铁芯卡涩、脱扣器卡涩、脱扣板位置变动，所以对3者的“贡献”最小。
[0030]1‑
9标度法的判断矩阵标度及含义见表1：表1 判断矩阵标度及含义如根据“断路器操动机构故障统计数据分析结果”建立断路器部件缺陷对断路器故障的评价矩阵。对2006年～2015年间某类型变电站的共208台次的故障统计，断路器拒动
共发生12次，其中，由铁芯未复位造成的有2次，铁芯卡涩的3次，脱扣器卡涩的4次，脱扣板位置变动的1次，匝间绝缘下降的2次。依据上述“断路器操动机构故障统计数据分析结果”得到脱扣器卡涩相对于脱扣板位置变动明显重要，则根据判断矩阵标度取值“5”。
[0031]
b
‑
1、建立断路器故障对断路器风险的评价矩阵a。
[0032]
目标层的评价因素包括断路器拒动、线圈烧毁、最低动作电压上升、分合闸时间超标，得到的评价表格表2所示，其中aij依据专家系统或对统计数据进行分析结果得到，i为行数，j为列数：表2 目标层的评价表格根据表2的目标层的评价表格建立目标层的评价矩阵a：所述a矩阵反映的是断路器故障对断路器风险的“贡献值”，通过断路器故障统计以及各个故障对断路器造成后果的严重程度来确定。
[0033]
比如对某型号断路器故障统计断路器拒动占20%、线圈烧毁占15%、最低动作电压上升占25%、分合闸时间超标占40%。而各个故障对断路器造成的后果按照基本功能停止、辅助功能停止、功能正常但是产生缺陷等级分别赋值5,2,1。断路器拒动、线圈烧毁会造成基本功能停止，最低动作电压上升会造成辅助功能停止，而时间超标则功能正常但是产生缺陷。将故障统计占比与严重程度相乘，则得到断路器故障对断路器风险的“贡献值”：断路器拒动：20%
×
5=100%线圈烧毁：15%
×
5=75%最低动作电压上升：25%
×
2=50%分合闸时间超标：40%
×
1=40%最后，根据“贡献值”确定评价矩阵的各个参量，得到：
b
‑
2、建立第一准则层中元素的评价矩阵b。
[0034]
b矩阵反映的是操动机构部件缺陷对断路器故障的“贡献值”，通过断路器发生该故障的机构部件缺陷统计以及某部件缺陷产生情况下发生该类故障的概率来确定。
[0035]
比如对某型号断路器拒动故障统计，铁芯未复位占20%、铁芯卡涩占15%、脱扣器卡涩占25%、脱扣板位置变动占10%、匝间绝缘下降占30%。而各个部件缺陷导致断路器拒动的概率（统计结果）为：铁芯未复位20%、铁芯卡涩10%、脱扣器卡涩20%、脱扣板位置变动5%、匝间绝缘下降10%。将故障统计占比与部件缺陷导致故障的概率相乘，则得到部件缺陷对断路器故障的“贡献值”：铁芯未复位：20%
×
20%=0.04铁芯卡涩：15%
×
10%=0.015脱扣器卡涩：25%
×
20%=0.05脱扣板位置变动：10%
×
5%=0.005匝间绝缘下降：30%
×
10%=0.03最后，根据“贡献值”确定评价矩阵的各个参量，得到各个元素的评价矩阵b依次为：为：
b
‑
3、建立第二准则层中各个元素的评价矩阵c。
[0036]
c矩阵反映的是各曲线段对断路器操动机构部件缺陷的“贡献值”，通过断路器操动机构部件缺陷的曲线段统计以及曲线段对该断路器该操动机构部件缺陷的影响程度来确定。比如对铁芯未复位的统计，电流曲线段占100%，其余为0%。而各个电流曲线段对该部件缺陷造成的后果按照直接导致、间接影响、无影响分别赋值为5，2,0。电流曲线段对铁芯未复位为直接导致，取5；电流曲线段、 、 为无影响，取0。将该缺陷下各个曲线段的统计与曲线段对该缺陷的影响相乘，则得到该曲线段发生变化对部件缺陷的“贡献值”：：100%
×
5=500%：0%
×
0=0：0%
×
0=0：0%
×
0=0最后，根据“贡献值”确定评价矩阵的各个参量，得到各个元素的评价矩阵c依次为：
对以上各个矩阵进行归一化处理后，为了确定同一层次元素对应于上一层次某元素相对重要性的排序权值，采用方根法计算各个元素的权重系数，具体的，首先求出每一层中n个元素的乘积，再对每一层元素的乘积求n次方根，n为该层元素个数。
[0037]
由此得到权重向量及最大特征值λ，并做一致性检验。
[0038]
计算所有因素的权重向量w对于目标层的相对重要性的权值，即目标层权重向量，做一致性检验，得到各层矩阵对总体目标的影响程度，即不相关系数对断路器风险的权重向量。
[0039]
使用不相关系数与断路器风险的权重向量计算操动机构风险评估系数h，具体如下：对北京慧智神光科技有限公司自2009年到2020年检测的近1000台断路器样本数据进行分析，得到h值与断路器状况有如下关系：如表3所示，h为0
‑
1之间的数，h越大说明断路器操动机构发生故障的可能性越大。
[0040]
当0＜h≤0.005时，操动机构处于正常状况，不存在故障风险，断路器可正常运行。
[0041]
当0.005＜h≤0.05时，操动机构处于注意状态，分合闸时间有轻微超标风险，断路器可正常运行。
[0042]
当0.05＜h≤0.10时，操动机构处于警告状态，分合闸时间有轻微超标、最低动作电压有轻微上升风险，断路器可正常运行，检修时应重点检查分合闸时间及最低动作电压。
[0043]
当h＞0.10时，操动机构处于报警状态，分合闸时间极大可能出现超标，最低动作电压极大可能超标，断路器有极大拒动风险，线圈有极大烧毁风险，断路器应停止运行，进行检修。
[0044]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。