一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法
阅读说明：本技术 一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法 (Method for evaluating health state of energy storage device of high-voltage circuit breaker based on energy storage current analysis ) 是由 顾朝敏 董驰 夏彦卫 李晓峰 李天辉 贾伯岩 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法,将开口式电流传感器卡在储能电机电源线上,采集电机运行的整个过程中的电流,开口式电流传感器所采集的电流值传输到机械特性测试仪,机械特性测试仪对电机电流波形进行记录。本发明采用在线监测的方式,测量装置直接布置在断路器储能装置上,不需要拆卸弹簧即可实现；测量装置在断路器运行过程中进行布置,不影响断路器正常运行；实时监测断路器储能电机的电流,保证检测数据的完整性和连续性,从而对储能装置缺陷的趋势进行分析判断,既做到了设备更换的经济性,又避免了缺陷的扩大。(The invention discloses a method for evaluating the health state of an energy storage device of a high-voltage circuit breaker based on energy storage current analysis. The invention adopts an on-line monitoring mode, the measuring device is directly arranged on the energy storage device of the circuit breaker, and the on-line monitoring can be realized without disassembling a spring; the measuring device is arranged in the running process of the circuit breaker, so that the normal running of the circuit breaker is not influenced; the current of the energy storage motor of the circuit breaker is monitored in real time, and the integrity and the continuity of detection data are guaranteed, so that the trend of the defects of the energy storage device is analyzed and judged, the economical efficiency of equipment replacement is realized, and the defects are prevented from being enlarged.)
技术领域
本发明属于高压断路器运行状态检测技术，涉及高压断路器储能装置健康状态检测领域，具体涉及一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法。
背景技术
高压断路器作为电力系统中的开断装置，是发电厂和变电所配电装置中必不可少的设备。正常运行时，用来进行倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用。当设备和线路发生故障时能快速切除，保证无故障部分正常运行，起着保护作用。高压断路器在电力系统中肩负着控制和保护双重任务，其状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行。
高压断路器的开断性能与灭弧室灭弧能力、操动机构性能密切相关，断路器操动机构的健康状态对于能否成功开断系统故障电流至关重要。在高压乃至特高压断路器中，配用的操动机构有三种：液压、气动和弹簧。其中，弹簧操动机构结构小巧，操动灵活，无漏油漏气之虑，可靠性高。其优点主要包括：
①要求电源容量小；
②交、直流电源均可适用；
③暂时失去电源时仍可操作一次；
④不受天气和电压变化影响。
其缺点也很明显，一是结构复杂，零部件数量多；二是对零部件精度、性能要求高，特别是弹簧和储能系统对于开断性能影响较大。
近年来高压断路器操动机构越来越多的使用弹簧操动机构，其储能装置主要是指将合闸或分闸弹簧进行拉伸，使之具有相应的势能。储能装置的好坏，直接影响断路器能否正常完成合/分动作。
在高压断路器弹簧操动机构中，其涉及的弹簧数量和类型较多，其可靠性对设备及电力系统的安全运行具有重要影响。如果弹簧输出功较小，会导致断路器分、合闸速度过小，导致分、合闸不到位，甚至造成断路器分、合闸失败。弹簧的性能会影响到断路器的开合性能，导致断路器事故的发生。所以说定期对弹簧的性能进行检测，进而保证弹簧的疲劳可靠度，对操动机构的性能至关重要。目前，国网公司推行的状态检修工作的检测重点在主变以及重要的一次设备，对断路器储能机构并没有有效的检测办法。
因此，亟需提供一种解决上述问题的一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法，适用于弹簧操动机构的高压断路器储能装置状态评估，旨在通过储能电机电流变化的分析，发现断路器储能装置存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法，将开口式电流传感器卡在储能电机定子绕组一个相线的电源线上，采集电机运行的整个过程中电流，开口式电流传感器所采集的电流值传输到机械特性测试仪，机械特性测试仪对电机电流波形进行记录。
作为本发明的进一步改进，所述开口式电流传感器布置在断路器的储能电机上，当断路器动作时，储能电机工作，所述开口式电流传感器感应到储能电机电源线的电流，开口式电流传感器将电流波形记录并上传到机械特性测试仪。将测得的电流波形与储能电动机电流标准波形进行对比，判断储能装置的健康状态；
所述标准波形是指从大量该类型储能电机正常状态下电流波形中提取的标准特征波形。
作为本发明的进一步改进，储能电动机电流标准波形分为下列四个阶段：
阶段一：t＝t0-t1，电机启动过程
t0时刻开始通电，储能电机上电，接通电源后开始电机做无负载启动，到t1时刻电动机起动阶段结束，电机开始平稳工作。这一阶段的特点是有较大的起动电流Ist；
阶段二：t＝t1-t2，平稳工作过程
这一阶段处于电机电流平稳过程，电机开始转动，但尚未拉伸弹簧做功，故而电机处于无负载转动状态，电动机处于平稳工作状态，其电流趋于稳定，基本不变，电动机电流为Ia；
阶段三：t＝t2-t3，负荷力矩增大
该阶段储能电机做功，带动合闸弹簧使之储能，该阶段电流的大小和负载变化相关，在t3时刻，电动机负荷力矩最大，电动机电流达到最大值Im；
阶段四：t＝t3-t4，辅助开关切断
在t4时刻，辅助开关分断，电流被切断。
作为本发明的进一步改进，开口式电流传感器测得的电流波形t0-t5各个阶段与储能电动机电流标准波形进行对比，判断储能装置的健康状态。
具体的，当开口式电流传感器采集不到储能电机电流波形时，判断为储能电机烧毁或电机供电回路故障。
具体的，当开口式电流传感器采集到储能电机电流平稳，且不存在t2-t4阶段的电流波动时，判断为储能电机的链条断裂，造成储能电机空转运行，电机启动后输出功率恒定，电流保持一恒定值。
具体的，当开口式电流传感器采集到储能电机电流在t2-t4阶段不稳定时，判断为储能机构打滑，电机启动后输出功率不稳定。
具体的，当开口式电流传感器采集到储能电机电流在t2-t4阶段的幅值偏小时，判断为电机的输出功率变小，储能弹簧产生疲劳。
进一步的，通过分析判断储能弹簧疲劳后，通过计算储能过程电机的输出功，从而推导出弹簧倔强系数k的变化，进而确定储能弹簧是否存在疲劳。
进一步的，上述计算推导过程如下：
电机的电源电压为U、功率因数为
整个储能过程电机所做的功为W，则
假设投运初期，储能弹簧正常工作，储能电机所做的功为W0,当储能弹簧疲劳时，倔强系数K变小，则压缩或拉伸同样位移的弹簧所需的功变小，即：W＜W0，具体的，普遍采用W<W0*96％作为疑似弹簧疲软告警，W<W0*92％作为弹簧疲软故障告警。
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
1.安装检测方便：可在断路器运行过程中布置、安装和检测，不需要停电，不会影响电网正常运行；
2.状态评价简洁：通过电流变化判断设备的状态，不需要拆卸断路器上的部件，甚至可以远程进行评价；
3.在线采集，避免信息丢失：电流可实时在线采集，避免离线状态下的信息丢失。
4.可进行趋势预判，避免故障发生：传统检测手段只对当前设备状态进行检测，无法对设备缺陷的变化趋势进行预测，本发明对每次采集的电流波形与标准波形进行比对，从中找出电流的变化趋势，从而判断设备缺陷的变化趋势，可有效避免缺陷的扩大，避免故障发生。
5.通过采集电流的方式替代直接测量弹簧本体，无需拆解断路器即可进行，且电流传感器采用开口式传感器，不会解列原电路，操作简便；
6.在断路器动作过程中，通过采集储能电机电流波形判断电机输出功的变化，进而判断弹簧是否存在疲劳，不会对弹簧造成损坏。
附图说明
附图1是本弹簧操作机构原理图；
附图2是储能电机电流标准曲线图；
附图3是电机电流测试原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
本发明给出了一种通过储能电机电流波形评价高压断路器储能装置健康状态的方法。
如图1-3所示，操动机构储能电机电流波形表征了电机运行的全过程，该过程包括电机启动过程、平稳工作过程、负荷力矩增大、辅助开关切断等阶段，从微观上分析电机运行的全过程。
储能电动机电流波形可以分为下列四个阶段：
(1)阶段一：t＝t0-t1，电机启动过程
t0时刻开始通电，储能电机上电，接通电源后开始电机做无负载启动，到t1时刻电动机起动阶段结束，电机开始平稳工作。这一阶段的特点是有较大的起动电流Ist；
(2)阶段二：t＝t1-t2，平稳工作过程
这一阶段处于电机电流平稳过程，电机开始转动，但尚未拉伸弹簧做功，故而电机处于无负载转动状态，电动机处于平稳工作状态，其电流趋于稳定，基本不变，电动机电流为Ia；
(3)阶段三：t＝t2-t3，负荷力矩增大
该阶段储能电机做功，带动合闸弹簧使之储能，该阶段电流的大小和负载变化相关，在t3时刻，电动机负荷力矩最大，电动机电流达到最大值Im；
(4)阶段四：t＝t3-t4，辅助开关切断
在t4时刻，辅助开关分断，电流被切断。
分析电流波形时，可以把t0、t1、t2、t3、t4、Ia、Im作为特征参数，对比这些电流特征参数的变化，可以判断断路器相应设备状态的改变。如果知道储能电动机的类型和电动机及相关机构的参数和尺寸，还可以估算出弹簧力—行程特性。
此外，通过监测比较每次的启动电流和稳定工作电流的大小，可以反映出储能电机和负载的工作情况；通过每一次储能电机的运行时间的变化，就可以判断出储能电机出力下降等问题。
本发明采用开口式电流传感器对电机运行的整个过程的电流进行采集，将开口式电流传感器卡在储能电机电源线上，将电流传感器信号传至机械特性测试仪，机械特性测试仪对电机电流波形进行记录。
测量装置有以下特点：
(1)测量装置直接布置在断路器上，不需要拆卸弹簧即可实现。
(2)检测装置在断路器运行过程中进行布置，不影响断路器正常运行。
(3)检测为实时监测，当断路器储能电机运行时，即可采集数据，保证了数据的完整性。
(4)数据具有连续性，能够反映弹簧疲劳程度及变化趋势，既保证了检测的经济性，又能及时发现缺陷，防止缺陷进一步恶化。
具体测试中，当断路器动作时，储能电机工作，这时电源线有电流流过，电流传感器感应到电流后，将电流波形记录，并上传到机械特性测试仪。将测得的电流波形t0-t5各个阶段与标准波形进行对比，判断储能装置健康状态。
电机电流波形的变化反映了储能电机、传动装置以及负载的变化情况，本发明通过对储能电机电流波形的分析，提取波形表征的参数特征，发现电机电流的变化趋势，从而评价断路器储能装置的健康状态。
一种基于储能电流分析的高压断路器储能装置健康状态评估方法，包括检测和评估两个环节，包含以下步骤：
首先测试断路器操动机构储能电机电流。测试步骤：
(1)将开口式电流传感器卡在储能电机电源线上；
(2)将电流传感器信号线连接到机械特性测试仪上；
(3)连接机械特性测试仪电源线；
(4)接通机械特性测试仪；
(5)当断路器动作时，储能电机工作，这时电源线有电流流过，电流传感器感应到电流后，将电流波形记录，并上传到机械特性测试仪。
(6)将测得的电流波形t0-t5各个阶段与标准波形进行对比，判断储能装置健康状态。
储能装置的常见故障部位包括：储能电机烧毁、链条断裂、储能机构打滑等。
采集不到电机电流波形：储能电机烧毁或电机供电回路故障；
储能电机电流平稳，不存在t2-t4阶段的电流波动：链条断裂，储能电机空转运行，电机启动后输出功率恒定，电流保持一恒定值；
储能电机电流在t2-t4阶段不稳定：储能机构打滑，电机启动后输出功率不稳定，时大时小，表现在电机电流上为存在波动。
储能电机电流在t2-t4阶段的幅值偏小：说明电机的输出功率变小，储能弹簧产生疲劳。
具体的，假设电机的电源电压为U、功率因数为则储能电机功率为P＝UI
假设投运初期，断路器储能弹簧正常工作，断路器操动机构储能过程中储能电机所做的功为W0。如果随着使用年限的增加，操动机构储能弹簧产生疲劳，其倔强系数K会相应的变小，此时压缩或拉伸同样位移的弹簧所需的功将变小，即：W＜W0。
那么，当W相较于投运初期变小时，则表示电机所做的功变小，排除传动系统的故障，则储能弹簧发生疲劳。
具体在应用中，普遍采用W<W0*96％作为疑似弹簧疲软告警，W<W0*92％作为弹簧疲软故障告警，在实际运维过程中可视实际情况调整告警阈值和停运排查检修的依据。
另外Ia的变化适用于识别储能电机自身的缺陷和故障。储能电机自身比较难以发现的缺陷是内部线圈匝间绝缘损坏造成的匝间短路问题。内部匝间短路导致线圈匝数变小，导致转矩常数增加(获得相同转矩所需的电流增加)。Ia系电机空载平稳转动的稳态电流，因此可以用Ia的增大用来作为电机自身内部线圈绝缘问题的识别方法。
本发明采用在线监测的方式，实时监测断路器储能电机的电流，保证检测数据的完整性和连续性，从而对储能装置缺陷的趋势进行分析判断，既做到了设备更换的经济性，又避免了缺陷的扩大。
以上所述实例表达了本发明的优选实施例，描述内容较为详细和具体，但并不仅仅局限于本发明；特别指出的是，对于本领域的研究人员或技术人员来讲，在不脱离本发明的结构之内，系统内部的局部改进和子系统之间的改动、变换等，均属于本发明的保护范围之内。