本文结合国内外研究状况，叙述了开展成套电器设备在线状态检测研究的必要性和需检测的主要故障类型；并从劣化规律的研究、特征物理量的信号提取、故障诊断方法、非平稳振动信号分析、在线状态检测专用集成电路设计、专家系统的建立、开关设备特征物理量检测概述等几个方面讨论了成套电器设备在线检测研究中的几个问题。 一、成套电器设备状态检测的必要性 国外的研究工作 国际大电网会议CIGRE第13.06工作组共进行了两次高压开关设备的可靠性调查： 第一次调查是1971～1985年15年间的高压开关设备可靠性。 第二次调查从1988年1月起至1991年12月31日止，主要针对单压SF6断路器。 调查高压开关设备的可靠性同时，还研究了诊断技术。他们认为： 1)操动机构引起的高压开关设备故障比率最高，如下令后拒分、闭锁等。在这方面使用诊断技术以提高断路器的可靠性是最重要的。 2)电气击穿故障也较严重，应当鼓励在电气绝缘领域开发和使用诊断技术。 3)关合和开断电流方面的故障很少发生，似乎无理由去开发和使用诊断技术。 2001年，国际电气电子工程师协会开关设备委员会出台了C37.10.1标准：断路器检测指导原则。该标准指出，断路器检测方法应分为5个步骤： 1)故障类型和故障影响分析； 2)确定正确的监测对象来发现最可能发生的故障； 3)对设备可能发生的故障进行风险分析； 4)采用成本一利益分析来明确是采用在线监测还是周期检测； 5)决策制定。 该标准指出：SF6断路器的检测包括以下三个方面：工作电压下的各组件的检测，包括SF6气体密度和压力、触头温度的红外检测、触头磨损的检测；控制电路和辅助电路的检测，包括分、合闸线圈电流的检测以及辅助触头状态的检测；操作机构的检测，包括触能电机电流、机构运动情况、机构温度的检测。 ABB公司开发的GIS及式SF6断路器局部放电监测装置，日本明电舍公司开发的中压真空断路器真空度在线监测装置，ABB公司中压开关柜母线温度检测装置均已挂网运行。另外，国外跨国公司还正在研发开关设备多种状态检测技术。 国内的研究工作 我国国家电力公司电力科学研究院统计： 到1999年底，全国电力系统中运行的6~220kV配电开关共27万余台(273153台)，比1990年翻了一番。整个90年代中国电力系统配电电压等级开关事故类型分布如下：机械故障(拒分、拒合、误动)33.3%，绝缘故障37.3%。温升故障(载流)8.9%，其它20.5%。 机械故障中因操动机构及传动系统的机械故障造成具体表现为机构卡涩、部件变形、位移或损坏、分合闸铁心松动等；因电气控制和辅助回路造成表现为二次接线接触不良、端子松动、操作电源、微动开关等。 绝缘故障表现为外绝缘对地闪络击穿，内绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管、电容套管闪络、污闪、击穿、爆炸，提升杆闪络、击穿、爆炸，瓷瓶断裂等。 7.2~12kV电压等级发生载流故障的主要原因是开关柜隔离插头接触不良导致触头烧熔。 其它故障包括异物撞击、自然灾害、小动物短路等。 开关设备故障带来的后果是十分严重的。其直接的危害是被开关设备所保护的线路、设备受损，电量损失；间接的危害则造成用户大面积停电，影响正常的生活、生产甚至社会稳定。因而，对开关设备实施在线状态检测，及时发现事故隐患，避免事故发生；并根据工作状态，变开关设备的定期检测为状态检修，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。上述研究已成为世界范围内电力工业运行及制造部门愈来愈关注的热点问题。 应当承认，对开关设备实施状态检测的研究已有很长一段时间，但由于其技术的复杂性、交叉性及高成本的制约，已实际投入运行的不多。近年来，随着传感器技术、计算机技术、信息技术、微电子技术的飞速发展，如同其它电力主设备(变压器、发电机等)一样，开关设备的状态检测获得了快速发展。国内高压开关行业归口单位-西安高压电器研究所及一些科研院所正在研发机械特性在线检测技术。西安交大对开关设备的机械特性、绝缘特性、温升情况实现在线检测进行全面的研究开发，并已取得了一定的进展。总的来说，开关设备的在线状态检测，国内外都在研究开发。生产运行安全可靠的智能化开关设备适应了电力工业发展的需求，已成为开关行业发展的趋势。 二、状态在线检测研究的技术路线 在线检测研究的技术路线为：各类性能劣化规律的试验、仿真研究→特征物理量的确定→特征物理量信号的提取→信息的传输技术→信息处理技术专家系统的建立。 本文的研究路线可以用图l直观地表示： 三、劣化规律的研究 1．环氧套管外绝缘劣化规律的研究 对现场运行的开关柜环氧套管的表面污秽状况进行实验室模拟，在额定工作电压下，研究不同灰尘污秽条件下泄漏电流的变化规律以及不同空气湿度条件下泄漏电流的变化规律。同时研究不同外施电压下(最高加压到额定电压的四倍)的泄漏电流的变化规律。试验测量可用HP公司的六位半数字万用表(HP34401A)读取泄漏电流值和HP公司的60M：Hz的示波器(HP 54603B)观察所测波形。根据大量的实验数据，最后可以确定其闪络前的泄漏电流的两个临界值(经验值)，作为我们检测报警的阈值。 2．机械劣化规律的仿真研究 利用ADAMS建立的VSl型真空断路器动力学模型如图2所示，图中左上、右上、左下、右下分别为轴侧图、右视图、正视图和顶视图。 利用建立的操动机构模型，对断路器开断短路电流的过程也进行了仿真分析。图3给出了有电流和无电流时的动触头位移以及在电动力作用下三相动触头的位移情况。图4给出了t2=0.052s(t2为触头分离时刻)时的电动力及动触头位移。 从上述图中可以归纳出如下结论： 1)对不同的t：值，短路电流所产生的电动力有较大的变化，各相电动力的大小各不相同，并且电动力的波形也有较大差异。 2)大约在断路器脱扣之后的3.5ms左右，动静触头分离，在触头分离前的瞬间，由于触头间接触力的变化，因电流线收缩产生的霍尔姆力FH有一阶跃变化，形成一个冲击力，冲击力的大小跟触头分离速度和电流大小有关，当动静触头完全分离后，FH为零。 3)洛仑兹力FL的作用时间主要决定于燃弧时间，其大小主要取决于流过各相动触头的电流以及动触头的位移。 4)虽然加在三相动触头上的电动力有较大差异，但由于触头弹簧的缓冲作用和断路器结构上的原因，三相动触头的位移几乎没有差别。 5)电动力会影响分闸速度，开断短路电流比空载分闸时的平均分闸速度和刚分速度都有所提高。但电动力对分闸速度的影响程度则跟多种因素有关，在短路相角山一定的情况下，动静触头分离时刻对分闸速度的影响很大，在本文的仿真条件下，t2=0.043s时比t2=0.052s时对分闸速度的影响要明显一些(参见图3a和图4d)。 。 1)关合短路电流过程中产生的电动力跟短路相角巾有关，不同的巾角所产生的电动力的起始波形有较大的差异，由于仅有触头接触之前的预击穿阶段产生的电动力才会影响合闸速度，所以不同的中角对合闸速度的影响也有较大差异。在本文的仿真条件下，Ψ角越小，电动力对合闸速度的影响越明显，这是因为在较小的Ψ角下获得了较大的短路电流。 2) 电动力对动触头的运动产生阻碍作用，使得合闸速度有所降低。由于关合的短路电流较大，在瞬间产生了较大的电动力，所以刚合速度有明显的降低。但由于预击穿时间较短，所以电动力对平均合闸速度的影响相对小些。在本文的仿真条件下，若以空载合闸时的速度为基准，则关合短路时刚合速度可降低约40%，平均合闸速度可降低约20%。因此，在断路器的机械特性状态检测中，如果采取检测合闸速度来判断机械状态的方法，则需要综合考虑电动力对合闸速度的影响。 通过建立断路器操动机构动力学模型，并对断路器开断短路电流的过程进行了仿真分析，分析结果对于断路器的优化设计和状态检测都有一定的指导意义。
该标准指出：油断路器的检测包括以下三个方面：工作电压下的各组件的检测，包括绝缘套管的检测、油状况的周期性检测、套管温度的红外检测、触头磨损的检测；控制电路和辅助电路的检测，包括分、合闸线圈电流的检测以及辅助触头状态的检测；操动机构的检测，包括压缩机电流、机构运动情况、油压状况、开关柜温度的检测。
6)针对电力系统中可能发生的严重短路事故所进行的仿真分析表明，在断路器机械部分正常运行的情况下，由短路电流所产生的电动力对分闸速度的影响程度不等，但总的来说，电动力加速了动触头的运动，使分闸速度有所提高，就平均分闸速度而言，偏差可达0.2m/s，若取空载时的平均分闸速度1.22m/s为基准，则电动力导致的平均分闸速度的相对偏差可达16%。所以在断路器机械特性的状态检测中，应该综合考虑短路电流的影响。
对于电动力对合闸速度的影响而言，由于霍尔姆力FH是在触头接触之后才产生的，它对合闸速度没有影响；而洛仑兹力是在发生预击穿后就产生了，它将影响合闸速度(尤其是刚合速度)的大小。当触头接触上之后，电动力(包括FH和FL)持续存在，但对合闸速度已经没有影响了，故上表中并未给出电动力的数值。实际上，对合闸速度有影响的电动力仅为预击穿阶段的洛仑兹力。为了对合闸过程中的电动力及其对断路器机械特性的影响有定量的了解，图5给出了当Ψ=0时，A相触头上总的电动力(图a)及洛仑兹力FL(图b)的图形。图6分别给出了Ψ=π/3和Ψ=π/2下的洛仑兹力。图7给出了Ψ=0时的动触头位移曲线及空载合闸时的位移曲线。图8给出了不同电动力作用下的主轴转角曲线。
从上述及大量仿真结果中，可以归纳出以下结论：
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