1、.高壓開(kāi)關(guān)柜的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷論文摘要 介紹了高壓開(kāi)關(guān)柜的故障表現(xiàn)及其原因指出了在線監(jiān)測(cè)的對(duì)象和方法，分析了開(kāi)關(guān)柜的特性及其與故障的關(guān)系，并介紹了幾種故障診斷方法。關(guān)鍵詞 高壓開(kāi)關(guān)柜 在線監(jiān)測(cè) 故障診斷1前言高壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備。由于各種原因,引起開(kāi)關(guān)柜運(yùn)而引發(fā)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障,因此對(duì)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患對(duì)累積性故障做出預(yù)測(cè),對(duì)于保證開(kāi)關(guān)柜的正常運(yùn)行,減少維修次數(shù),提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和自動(dòng)化程度都有重要意義。高壓開(kāi)關(guān)柜分戶外式和戶內(nèi)式兩種,10kV及以下多采用戶內(nèi)式。根據(jù)一次線路方案的不同,可分為進(jìn)出線開(kāi)關(guān)柜、聯(lián)絡(luò)油開(kāi)關(guān)柜、母線分段柜等。1

2、0kV進(jìn)出線開(kāi)關(guān)柜內(nèi)多安裝少油斷路或真空斷路器,斷路器所配的操動(dòng)機(jī)構(gòu)多為彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)或電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),也有配手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)或永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的。不同的開(kāi)關(guān)柜在結(jié)構(gòu)上有較大差別,這將影響到傳感器的選擇和安裝。2高壓開(kāi)關(guān)柜的故障表現(xiàn)及其原因分析通過(guò)對(duì)近10年來(lái)全國(guó)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況的調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),可以知道高壓開(kāi)關(guān)柜的故障主要有以下幾類(lèi):(1)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障這種故障是高壓開(kāi)關(guān)柜最主要的故障,其原因可分為兩類(lèi)。一類(lèi)是因操動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械故障造成,具體表現(xiàn)為機(jī)構(gòu)卡澀,部件變形、位移或損壞,分合閘鐵心松動(dòng)、卡澀,軸銷(xiāo)松斷,脫扣失靈。另一類(lèi)是因電氣控制和輔助回路造成,表現(xiàn)為二次接線接觸不良,端子松動(dòng),接線

3、錯(cuò)誤,分合閘線圈因機(jī)構(gòu)卡澀或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)不良而燒損,輔助開(kāi)關(guān)切換不靈,以及操作電源、合閘接觸器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等故障。(2)開(kāi)斷與關(guān)合故障這類(lèi)故障是由斷路器本體造成的,對(duì)少油斷路器而言,主要表現(xiàn)為噴油短路、滅弧室燒損、開(kāi)斷能力不足、關(guān)合時(shí)爆炸等。對(duì)于真空斷路器而言,表現(xiàn)為滅弧室及波紋管漏氣、真空度降低、切電容器組重燃、陶瓷管破裂等。(3)絕緣故障 表現(xiàn)為外絕緣對(duì)地閃絡(luò)擊穿,內(nèi)絕緣對(duì)地閃絡(luò)擊穿,相間絕緣閃絡(luò)擊穿,雷電過(guò)電壓閃絡(luò)擊穿,瓷瓶套管、電容套管閃絡(luò)、污閃、擊穿、爆炸,提升桿閃絡(luò),CT閃絡(luò)、擊穿、爆炸,瓷瓶斷裂等。(4)載流故障7.212kV電壓等級(jí)發(fā)生的載流故障主要原因是開(kāi)關(guān)柜隔離插頭接觸不良導(dǎo)致觸

4、頭燒融。(5)外力及其他故障包括異物撞擊,自然災(zāi)害,小動(dòng)物短路等。3高壓開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)在線監(jiān)測(cè)裝置,應(yīng)該根據(jù)開(kāi)關(guān)柜的主要故障并結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)水平和產(chǎn)品成本等因素綜合考慮監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。當(dāng)前普遍認(rèn)為應(yīng)監(jiān)測(cè)以下幾項(xiàng):合閘及分閘線圈回路監(jiān)測(cè)控制回路是否完好,有無(wú)斷線。合閘及分閘線圈電流監(jiān)測(cè)電磁鐵及所控制的鎖閂或閥門(mén)以及連鎖觸頭在操作過(guò)程中的工作情況。合閘及分閘線圈電壓監(jiān)測(cè)控制回路與電壓是否正常。斷路器動(dòng)觸頭行程監(jiān)測(cè)合/分閘過(guò)程的動(dòng)觸頭行程曲線。斷路器動(dòng)觸頭速度監(jiān)測(cè)斷路器運(yùn)動(dòng)速度,包括速度曲線剛分/合速度、平均速度、最大速度。合閘彈簧狀態(tài)監(jiān)測(cè)彈簧機(jī)構(gòu)的彈簧壓縮狀態(tài)。斷路器動(dòng)作過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)械部

5、分的卡澀,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零件脫落,緩沖器性能,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有無(wú)非正常碰撞等。斷路器操作次數(shù)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)斷路器是否達(dá)到規(guī)定機(jī)械壽命次數(shù)或達(dá)到需要進(jìn)行維修的次數(shù)。開(kāi)斷電流加權(quán)值間接監(jiān)測(cè)斷路器滅弧室及弧觸頭(包括滅弧介質(zhì))燒損狀況是否達(dá)到制造廠規(guī)定值。導(dǎo)電接觸部分溫度監(jiān)測(cè)發(fā)熱程度。在上述各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中,都是針對(duì)機(jī)械故障的,和是針對(duì)開(kāi)斷與關(guān)合故障的,是針對(duì)載流故障的。對(duì)于發(fā)生較多的絕緣故障則沒(méi)有考慮,筆者認(rèn)為對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣特性的監(jiān)測(cè),應(yīng)參照電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程確定監(jiān)測(cè)參數(shù),考慮到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)元件(斷路器、電流互感器、套管等)的多樣性,應(yīng)針對(duì)最容易發(fā)生故障的電器元件監(jiān)測(cè)其絕緣參數(shù)如絕緣電阻、泄漏電流、tg等。由于這

6、些物理量跟溫度和濕度有密切關(guān)系,因此應(yīng)同時(shí)測(cè)量被測(cè)對(duì)象的溫度和環(huán)境溫度及濕度。采用這種方案,傳感器的數(shù)目較多,但由于有較多的經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù),故對(duì)故障的判別相對(duì)容易。由于各類(lèi)絕緣缺陷發(fā)展到最終擊穿,釀成事故之前,往往先經(jīng)過(guò)局部放電階段,局部放電的強(qiáng)弱能夠在一定程度上反映絕緣的狀態(tài),因此通過(guò)在線監(jiān)測(cè)局部放電來(lái)判斷絕緣狀態(tài)不失為一種好的方案,但如何從采集的信號(hào)中提取特征量,并據(jù)此做出較準(zhǔn)確的判斷,目前還沒(méi)有成熟的方法,需要做大量深入細(xì)致的研究。4高壓開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)方法高壓開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)方法的主要內(nèi)容在于各種傳感器的合理選擇。跟上述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有關(guān)的傳感器主要有以下幾種:(1)溫度傳感器 用于母線連接處溫升測(cè)量

7、的常用傳感器有石英傳感器、光微薄硅溫度傳感器和吸收型光纖溫度傳感器,它們分別以石英晶體、硅片及玻璃構(gòu)成的Fabry2perot槽和GaAs晶體作為感溫元件,以光纖作為傳輸介質(zhì),這就有效地解決了電磁干擾問(wèn)題。(2)感應(yīng)式位置傳感器 用于監(jiān)測(cè)斷路器分合位置。這種傳感器只能安裝于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可動(dòng)部分,通過(guò)判斷操動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置間接推斷斷路器動(dòng)觸頭位置,這種推斷是不可靠的,并且只能測(cè)平均速度,無(wú)法測(cè)得包含大量信息的斷路器動(dòng)觸頭行程曲線,但它可以作為斷路器開(kāi)斷次數(shù)統(tǒng)計(jì)的依據(jù)。(3)位移傳感器測(cè)量直線位移的傳感器有很多,如差動(dòng)變壓器式,差動(dòng)電容器式,霍爾效應(yīng)式等。如果直接測(cè)量斷路器動(dòng)觸頭的行程曲線,首先要考慮的

8、問(wèn)題是安裝,以上所述的位移傳感器都需要將傳感器在位移方向上與動(dòng)觸頭導(dǎo)桿相連,安裝上比較困難。解決方案是尋求間接的方法,一種設(shè)想是在可動(dòng)部分貼上或加工上對(duì)光線敏感的條碼狀線條或圖案,通過(guò)光電發(fā)射和接收來(lái)感知位置,以此來(lái)測(cè)得行程曲線。據(jù)此可得到斷路器動(dòng)觸頭的速度特性(包括瞬時(shí)速度、最大速度、平均速度等)。(4)壓力傳感器 用于測(cè)量合閘彈簧壓力值大小,判斷彈簧壓縮狀態(tài),但這種方法需要在機(jī)構(gòu)上安裝壓力傳感器,很不方便。另一種方案是測(cè)量?jī)?chǔ)能電動(dòng)機(jī)的工作電流波形,據(jù)此來(lái)間接判斷合閘彈簧的狀態(tài)。(5)振動(dòng)傳感器 用于監(jiān)測(cè)振動(dòng),由于需監(jiān)測(cè)的振動(dòng)強(qiáng)弱范圍很廣,從局部放電引起的微弱振動(dòng)到故障引起的強(qiáng)大振動(dòng)都在其中

9、,需根據(jù)振動(dòng)頻率來(lái)選擇監(jiān)測(cè)參數(shù)和相應(yīng)的傳感器。以壓電晶體做敏感元件的加速度傳感器,帶寬可達(dá)200kHz,緊貼被測(cè)設(shè)備表面,可用于監(jiān)測(cè)局部放電。對(duì)于其他振動(dòng)的監(jiān)測(cè),選擇低頻(10Hz1kHz)振動(dòng)加速度傳感器即可。5高壓開(kāi)關(guān)柜的特性及其與故障的關(guān)系由于高壓開(kāi)關(guān)柜是多個(gè)電氣設(shè)備的組合,其內(nèi)部涉及電、磁、溫度等多種物理現(xiàn)象,故障的表現(xiàn)形式和產(chǎn)生機(jī)理千差萬(wàn)別,因此要對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并做出較準(zhǔn)確的故障判斷乃至故障預(yù)測(cè),必須了解開(kāi)關(guān)柜的工作特性和故障特點(diǎn)。(1)結(jié)構(gòu)的多樣性 結(jié)構(gòu)的多樣性導(dǎo)致了故障形式的多樣性。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)存在多個(gè)電氣元件,不同的元件有不同的故障表現(xiàn)。例如,對(duì)于母線,其故障表現(xiàn)為連接處的接

10、觸電阻過(guò)大從而引起異常升溫;對(duì)于絕緣拉桿,其故障表現(xiàn)為絕緣性能下降。故障形式的多樣性給傳感器的選擇帶來(lái)了困難,所選傳感器的類(lèi)型、性能、數(shù)量和安裝部位將直接關(guān)系到診斷的可信度。(2)工作狀態(tài)的多樣性 在不同的應(yīng)用場(chǎng)合,開(kāi)關(guān)柜的工作狀態(tài)有很大差別。例如對(duì)于其中的斷路器而言,有些斷路器需要頻繁接通與分?jǐn)?而有些斷路器則在投入運(yùn)行后,幾乎不動(dòng)作,有些在壽命期限內(nèi)要多次開(kāi)斷短路電流,而有的則一次都不用開(kāi)斷。這種工作狀態(tài)上的差異性給斷路器的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷帶來(lái)了困難。例如通過(guò)斷路器動(dòng)觸頭的行程曲線,可以獲知斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況,但如果斷路器投入運(yùn)行后,長(zhǎng)期不執(zhí)行分?jǐn)嚓P(guān)合動(dòng)作,則無(wú)法獲取行程曲線。(3

11、)故障的隨機(jī)性和模糊性 電氣設(shè)備的故障不僅取決于設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài),還跟它的歷史狀態(tài)有關(guān)系同一種故障可能是由不相關(guān)的多種原因造成的,而同一種原因又可能造成不同的故障。對(duì)于同樣的狀態(tài)參數(shù),故障可能發(fā)生也可能不發(fā)生,故障的嚴(yán)重程度也會(huì)有差別。所有這些都表明,開(kāi)關(guān)柜的狀態(tài)變量與故障特征變量之間存在復(fù)雜的時(shí)變非線性映射關(guān)系,這種映射關(guān)系也反映了故障發(fā)生的隨機(jī)性和模糊性。6故障診斷方法61依據(jù)規(guī)則的診斷方法設(shè)備的特征可由若干個(gè)選定的特征變量表示,設(shè)備的狀態(tài)可由若干個(gè)選定的狀態(tài)變量表示,由于設(shè)備的特征與狀態(tài)不是一一對(duì)應(yīng)的,因而要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行仔細(xì)的考察,建立一套診斷規(guī)則。根據(jù)診斷規(guī)則的不同,可將診斷分成三種類(lèi)型:

12、（1）邏輯診斷 這種診斷簡(jiǎn)單明了,應(yīng)用較廣,但它把問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)化,診斷準(zhǔn)確率較低。（2）模糊診斷 故障初期的診斷數(shù)據(jù)有某些不確定性,即具有隨機(jī)性和模糊性。模糊性可以用模糊集合論方法來(lái)解決。模糊診斷中 ,用隸屬度表示故障的嚴(yán)重程度,診斷規(guī)則由模糊關(guān)系矩陣體現(xiàn),此矩陣反映了故障狀態(tài)和特征之間的因果關(guān)系。模糊診斷方法目前已應(yīng)用于大型機(jī)械的機(jī)械故障和電力變壓器的絕緣故障診斷,取得了較好的效果準(zhǔn)確度較高（3）統(tǒng)計(jì)診斷 這種方法需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并且是基于圖形的診斷不適用于在線診斷。6.2依據(jù)樣板的診斷方法依據(jù)樣板的診斷過(guò)程包括如下步驟:通過(guò)傳感器取得最能表征設(shè)備狀態(tài)的信號(hào),這些信息被稱為初始模式。抑制混入有

13、用信號(hào)中的干擾,提取特征,形成待檢模式。將待檢模式與樣板模式(故障檔案)對(duì)比,確定故障類(lèi)型。根據(jù)所用樣板模式的不同,可將診斷分為:(1)閾值診斷 按照特征量是否超過(guò)閾值來(lái)判斷設(shè)備狀態(tài),我國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)行的預(yù)防性試驗(yàn)制度就屬于閾值診斷,這種方法比較簡(jiǎn)單,但判斷不夠全面,容易發(fā)生誤報(bào)。(2)時(shí)域波形診斷 將測(cè)得的物理量隨時(shí)間變化的曲線與樣板對(duì)照來(lái)判斷設(shè)備狀態(tài)。(3)頻域波形診斷 將測(cè)得的物理量的頻譜與樣板對(duì)照進(jìn)行判斷。(4)指紋診斷 對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將得到某種特殊圖形與樣板對(duì)照進(jìn)行判斷,這種方法也是基于圖形的,不適合做在線診斷。故障診斷方法經(jīng)歷了從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的過(guò)渡,傳統(tǒng)的診斷方法是利用各種化學(xué)

14、和物理的原理和方法,直接檢測(cè)故障并進(jìn)行判斷,它較多地依賴操作人員積累的經(jīng)驗(yàn)。在傳統(tǒng)故障診斷方法的基礎(chǔ)上,將人工智能的理論用于故障診斷,發(fā)展智能化和自動(dòng)化的診斷方法,成為故障診斷的主要方向。設(shè)備故障診斷技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉的新興學(xué)科,需要借助各種有效的數(shù)學(xué)工具,如模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、分形幾何等,此外根據(jù)故障的某些特征進(jìn)行識(shí)別并加以分類(lèi)的模式識(shí)別技術(shù),根據(jù)故障與其特征量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析的函數(shù)識(shí)別法,對(duì)故障及其原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的概率統(tǒng)計(jì)法,根據(jù)故障發(fā)生、發(fā)展的繼承和因果關(guān)系進(jìn)行分析的故障樹(shù)分析法,在數(shù)據(jù)不完整條件下的灰色識(shí)別方法在某些場(chǎng)合下也有應(yīng)用。在各種智能診斷方法中,常用的是模糊診斷方法和人工智能專(zhuān)家診斷系統(tǒng),它們都是以對(duì)故障與征兆之間的因果關(guān)系進(jìn)行正確分析為前提的。當(dāng)然，