基于新型电弧信号与电机功率同步的GIS分断器精确接触故障诊断方法

保持电力供应

现代城市依赖封装在充气金属舱内的复杂高压设备。在这些设备中，气体绝缘开关设备（GIS）分断器在电网中悄然实现连断。当其活动触头不能正确闭合或分开时，可能引发过热、磨损，甚至导致停电。本文提出了一种新方法，结合微小的电气闪络与驱动电机的功率变化来观察这些隐蔽部件的行为，从而及早发现问题，保证电力安全稳定输送。

为何隐蔽开关重要

气体绝缘分断器位于密封腔室内，工程师无法直接观察内部金属触头是否按预期接触或分离。拒不闭合、拒不分开或行程不足等故障，可能导致接触面积变小或产生不安全的间隙，进而增加电阻、升高金属温度并提高故障风险。传统监测方法多关注整体电机功率、振动或转矩，并常将这些量输入机器学习模型。尽管有用，但这些方法难以精确识别触头首次接触或最终分离的瞬间——而这些瞬间对于判断触头行程与分离的安全性至关重要。

聆听微小电弧

作者关注分断器触头接近或拉离时形成的瞬时电弧。闭合过程中，当间隙缩小会出现电弧，并在金属首次实现实接触的瞬间熄灭。开断时则相反：当间隙足够大时电弧点亮，直到分离到安全间距时才消失。罗戈夫斯基线圈（Rogowski coil）等简单传感器能够将这些电弧事件捕捉为尖锐的高频脉冲。将这些脉冲与电机功率曲线在时间上对齐，方法便提供了一个基于物理的直接标记，指示触头何时开始运动、首次接触以及最终分离，而不只依赖模式识别。

清理嘈杂信号

实际电弧信号通常被环境噪声和测量电子噪声掩盖，可能隐藏每次电弧的真实起止。为提取有用信息，研究者采用逐步信号净化流程，称为小波包分解。该方法将信号分解为多个频段，允许在某些频段抑制噪声，同时保留电弧的核心特征。他们使用功率谱熵来评估每个阶段信号的复杂性。随着分解深入，一旦噪声从真实电弧模式中分离出来，熵值会突然下降。此时终止分解，避免滤波不足或过度平滑，从而清晰呈现每次电弧的起止时刻。

发现异常运动

在去噪电弧信号与电机功率精确对齐后，研究者能够诊断若干常见机械故障。如果闭合过程中没有检测到电弧，说明动触头未足够接近，表现为拒不闭合。如果出现电弧但在电机停止前过早熄灭，则首次接触后的额外行程太短，意味着过 travel不足且接触面积较小。开断时，电弧缺失表明拒不分开，而电弧过早结束则暗示触头未分离到足够的安全绝缘间距。对不同分断器型号在真实开关工况下的测试表明，这些模式具有重复性，验证了该方法在多类设备上的可行性。

对电力可靠性的意义

通过将微小电弧的物理现象与更常见的电机功率轨迹结合起来，这项工作把封闭高压设备内部原本隐蔽的运动转化为清晰、可测量的事件。自适应的电弧信号净化使得即便在噪声环境中也能高精度地测定触头的首次接触和最终分离时刻。这使操作者能够在不打开设备的情况下区分健康的开关动作与危险的短行程或卡滞触头，从而支持更早的维护决策并提升电网可靠性。

引用: He, S., Ruan, J., Liu, Y. et al. A novel arc signal and motor power synchronization-based method for precise contact fault diagnosis of GIS disconnector. Sci Rep 16, 15655 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44930-6

关键词: 气体绝缘开关设备, 分断器故障诊断, 电弧信号, 电机功率分析, 电力系统可靠性