中压真空断路器的模糊—证据理论在线状态评估模型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学光电信息与计算机工程学院 作者:李海英

  中压真空断路器在线状态评估是实施状态维修的基础。笔者提出一种中压真空断路器的模糊-DS 证据理论在线状态评估模型,在分析真空断路器构造和常见故障基础上建立评估指标体系;依据模糊隶属度函数原理确定断路器各指标证据的基本信任分配;运用DS 证据理论中的规则合成原理融合各指标证据,采用改进的Levre 合成规则弥补DS 规则合成存在的缺陷;然后基于置信度准则决策规则给出断路器的状态评估结论。实例证明该模型是正确和有效的。

  引言

  中压真空断路器是电力系统中重要的电气设备之一,在保护用电设备和隔离故障方面起到关键作用。中压真空断路器检修是电力设备检修的重点,检修费用超过总检修费用一半以上。断路器的检修从最初事后检修,到后期计划检修,虽然解决了被动性问题,但仍存在盲目性和经济性差等突出问题,计划检修还有检修过程中易引入新故障的弊端。为此提出状态检修,即基于断路器在线监测获得的指标参数对中压断路器运行状态进行评估, 然后针对存在问题确立检修方案和检修时间。因此断路器的状态评估在国内外相继展开,文提出的模糊综合评判法是利用模糊隶属度函数和层次分析法构建多因素集评估模型,但层次分析法确定权重主观臆断性太强,易导致评估结果不一致,为此文运用灰度理论对层次分析法确定的权重进行拓展,有效提高了评估结果可信度;文取缔常规方法中权重的概念,将突变理论和模糊隶属度函数结合起来,很好地解决了主观因素对评判结果的影响,使得评估结果更准确;文采用物元理论中的关联函数确定指标数据与某状态等级间的关系,根据物元大小判断状态等级。

  文评估方法中评估指标体系均采用型式试验指标集,包含电气特性、运行参数、绝缘介质等4 大部分数10 种指标,指标过于繁杂,计算量大,特别是某些指标在线不可监测,不适用在线状态评估,而且评估结果也仅为指标隶属度或关联度简单的线性相加。笔者针对上述问题,首先根据12~40.5 kV中压真空断路器的结构特点和操作机构失灵、导电触头烧蚀、灭弧室真空度劣化及隔离触头接触不良等常见故障,建立了包含振动信号相似性、剩余电寿命、真空度和触头温度4 个指标的中压真空断路器评估指标体系,极大优化指标数量,在保证指标能够囊括故障特征的同时确保其在线可监测性;然后提出一种运用模糊理论和DS 证据理论相结合的在线评估模型。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该模型将模糊隶属度函数作为DS 证据理论中的基本信任分配函数,采用改进的Levre 合成规则弥补DS 合成规则存在的缺陷,不同于模糊理论简单线性叠加,DS 证据理论在进行指标参数融合过程中,剔除冲突证据影响,最后根据置信度准则决策规则给出评估结果。

  1、中压真空断路器指标系分析

  中压真空断路器是一个结构复杂的整体,主要由机械操动机构及传动部件、电气控制和真空灭弧室3 大部分构成。据统计,由真空灭弧室真空度引起的故障占真空断路器总故障的18.1%,电气控制及其辅助回路故障占9.5%,机械故障占67.6%,其他故障4.8%。可见,要实现真空断路器状态的全面评估,所选指标必须能够正确而有效地描述这3 大部分的运行状态。

  国内外有关断路器机械和电气控制的故障诊断和状态评估主要是通过监测、分析处理分合闸线圈电流波形或振动信号实现。分合闸线圈电流波形是一条带有若干拐点的平滑曲线,这些拐点分别对应着断路器分合闸操作过程中部件的动作时刻,然后将现场监测到的电流波形与标准状态下波形进行比较,观察其中异常点,即可判断出断路器机械操动机构、传动部件以及电气控制部分存在的故障或所处的运行状态等级;振动信号监测是一种非侵入式监测手段,断路器的一个完整分合闸动作由若干具有固定顺序的子动作组成,每个子动作都是振动信号的激励源,因而振动信号同样能够有效全面地反映断路器机械操动机构、传动部件以及电气控制的运行状态。目前有关振动信号的分析处理存在多种方法,比如小波包、短时能量等,文利用小波包算法对振动信号进行分解、重构,提取其中有用信息,然后再运用相似性原则对各层重构信号进行波形辨识,从而确定断路器运行状态。

  真空灭弧室是真空断路器核心机构,真空度是描述真空灭弧室的重要指标之一。真空灭弧室受其制造材料、生产条件和工艺水平限制,内部压力随着时间推移真空度逐渐降低,这将在一定程度上影响断路器的开断和绝缘性能,若不及时处理,容易造成断路器丧失工作能力。有关真空灭弧室真空度在线监测方法和装置的研究近年来备受关注,主要有融合电容法、光电变换法、工频耐压法等。

  真空灭弧室的电寿命是断路器性能的另一个重要指标,触头又是灭弧室的核心部分,因此触头的电寿命成为关注点。断路器触头的电磨损取决于开断时的燃弧能量,而燃弧能量则是由燃弧电流和时间决定的,又燃弧时间具有统计平均值,因而只需监测开断电流大小,再根据相关算法就可获得触头的电磨损。文给出了中压真空断路器电寿命的详细算法及监测技术。

  真空断路器运行一段时间后,磨损和氧化会使断路器隔离触头的接触电阻变大,进而引起触头温升,若超过触头材料临界温度,触头的耐电能力将显著下降。目前触头温度监测技术主要有接触式和非接触式两种。文介绍了一种利用光纤温度传感器测量真空断路器触头温度的在线监测系统。

  综上所述,笔者基于故障发现全面、合理以及可在线监测等原则选取了振动信号相似性、剩余电寿命、真空度和触头温度4 项指标描述断路器的健康状态。中压真空断路器的状态评估是一个多指标决策问题, 建立科学完备的指标体系是构建中压真空断路器状态评估模型的基础。

  4、结语

  笔者针对中压真空断路器的结构及常见故障,选取了振动相似性、真空度、剩余电寿命和触头温度4 个指标描述断路器的健康状况,在简化指标数量同时也确保了指标可在线监测;基于此构建中压真空断路器的模糊—DS 证据理论评估模型;运用DS合成规则原理合成各指标证据, 在各指标证据间存在强冲突导致DS合成规则不适用时,采用改进的Levre 合成规则融合指标证据;有别于常规的证据理论决策方法, 运用基于置信度准则决策规则给出断路器的状态评估结果。文中实例充分证明了该模型的正确性和有效性。

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