高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究李平詩 徐 澄（中國長(zhǎng)江長(zhǎng)江電力有限股份公司檢修廠） 摘 要 提出了高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一般框架，以SF6斷路器為例，說明了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體模式：通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷路器及其操作機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的有關(guān)電氣、機(jī)械和化學(xué)參量，利用邏輯判斷或閥值范圍判斷及有關(guān)波形分析方法診斷其故障部位，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和檢修工作，提高了設(shè)備的安全運(yùn)行水平。關(guān)鍵詞 斷路器 在線監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)中圖分類號(hào) TM70 前言目前對(duì)運(yùn)行中的高壓斷路器一般是按規(guī)程要求定期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)1，通過對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)備的狀況作出判斷，進(jìn)行針對(duì)性的檢修，它與檢修試驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)手段密切相關(guān)。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用人工智能的專家系統(tǒng)的方法可以綜合許多專家的知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)工程師的經(jīng)驗(yàn)，提高判斷分析的準(zhǔn)確性，避免設(shè)備的意外故障發(fā)生。即在事先得到控制。國內(nèi)進(jìn)行此項(xiàng)研究的大專院校、科研院所已有不少，雖各有側(cè)重點(diǎn)，但真正達(dá)到生產(chǎn)單位目的并投入實(shí)際應(yīng)用的不多。有的過于龐大，如從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)到專家診斷到壽命評(píng)估，由于其中涉及的領(lǐng)域非常廣泛，有的尚在基礎(chǔ)研究階段，因而往往難以實(shí)現(xiàn)；有的過于簡(jiǎn)單，尚不能判斷設(shè)備的健康狀況。本文提出的斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，易于實(shí)現(xiàn)，并便于擴(kuò)展。1 系統(tǒng)構(gòu)架系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)構(gòu)架框圖1.1數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫包括斷路器的歷史狀況：設(shè)計(jì)的出廠參數(shù)、出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)及有關(guān)試驗(yàn)波形圖，歷次大小修的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、檢修情況。設(shè)備基本管理包括設(shè)備的基本臺(tái)帳、變更換型等情況，以及歷史數(shù)據(jù)曲線查詢、試驗(yàn)檢修報(bào)告生成等。它既反映了電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中的內(nèi)容，并對(duì)規(guī)程中規(guī)定的數(shù)值范圍進(jìn)行界定，綜合領(lǐng)域?qū)＜遥òㄖ圃鞆S工程師、科研機(jī)構(gòu)、研究人員、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢修工程師等等）的經(jīng)驗(yàn)，以規(guī)程的形式描述出來，又將離線和在線的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，被數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)診斷程序相互調(diào)用。數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)診斷的結(jié)果又進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，隨著知識(shí)的積累、設(shè)備類型的變化，知識(shí)庫可以隨時(shí)擴(kuò)充，定期維護(hù)、修改，并能進(jìn)行自學(xué)習(xí)。所以數(shù)據(jù)庫同時(shí)又知識(shí)庫，在使用過程中進(jìn)行完善。1.2數(shù)據(jù)分析通過對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的提取，結(jié)合規(guī)程、制造廠和現(xiàn)場(chǎng)檢修運(yùn)行的規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)，利用邏輯診斷、模糊評(píng)判、相關(guān)分析或統(tǒng)計(jì)方法對(duì)設(shè)備健康情況分類，當(dāng)有緊急情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，引起運(yùn)行值班人員注意，以確定是否需要停電作檢查和維修。1.3狀態(tài)診斷 系統(tǒng)通過對(duì)開關(guān)典型的時(shí)間-位移曲線、速度-位移曲線、輔助接點(diǎn)動(dòng)作曲線、分合閘線圈電流曲線、電機(jī)電流曲線和剛分合時(shí)間、剛分合速度、最大速度、同期、超程等參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，從而診斷開關(guān)運(yùn)行的機(jī)械狀態(tài)。通過監(jiān)測(cè)操作機(jī)構(gòu)壓縮油的壓力、SF6氣體的溫度、濕度、密度、氣壓和氣體微水量，來分析有無泄漏或受潮等缺陷。其中，SF6氣體的有關(guān)參量與斷路器的絕緣性能密切相關(guān)。將分析結(jié)果及時(shí)反映給數(shù)據(jù)庫，用戶可以及時(shí)得到監(jiān)視狀態(tài)或警示。1.4采用分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)3分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)面向多臺(tái)設(shè)備或整個(gè)變電站、發(fā)電廠，采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)的分級(jí)管理形式，功能強(qiáng)大的的主計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理、控制和診斷，各輔助計(jì)算機(jī)分別承擔(dān)不同類型斷路器的數(shù)據(jù)采集及初步處理、診斷。即現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)單元（LC）將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換傳送到數(shù)據(jù)收集模塊，與數(shù)據(jù)庫（計(jì)算機(jī)主站）相連，主計(jì)算機(jī)與輔助計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，系統(tǒng)用戶可通過該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行查詢和日常維護(hù)管理。2 綜合診斷系統(tǒng)4以SF6斷路器性能診斷為例，診斷時(shí)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫搜索該斷路器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的有關(guān)信息，與知識(shí)庫中的規(guī)則及知識(shí)橫向分析和比較，若不能得到確切的診斷結(jié)論，則自動(dòng)調(diào)出臺(tái)帳及歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)一步縱向分析比較。如變化過大，則指示是否有必要停電檢修或采取其他預(yù)防措施。2.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)框圖如圖2所示：圖2 SF6斷路器在線監(jiān)測(cè)原理框圖M油泵電機(jī)，TQ分閘電磁鐵線圈，HQ合閘電磁鐵線圈，JD輔助開關(guān)，UHF高頻天線，DLQ斷路器，CT電流互感器 其監(jiān)測(cè)單元主要包括壓縮電機(jī)（儲(chǔ)能電機(jī)）、分合閘線圈、輔助接點(diǎn)、甚高頻發(fā)射和接受、斷路器的工作電流或開斷電流、速度行程等機(jī)械特性、溫度濕度等化學(xué)參量。2.2分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。LC單元和離線測(cè)量的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)入診斷系統(tǒng)服務(wù)器，診斷信息和相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)與工作站及企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)（MIS）實(shí)行互聯(lián)。用戶在各終端或工作站可以進(jìn)行查詢，也可以將故障報(bào)警信息發(fā)到相關(guān)人員的移動(dòng)電話上，以便及時(shí)進(jìn)行處理。 圖3 分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2.3診斷分析首先是對(duì)該斷路器的操動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，主要參數(shù)有：油泵電機(jī)的電流、電壓及電機(jī)工作時(shí)間間隔，如工作電流過大則可能是電機(jī)故障、操作機(jī)構(gòu)或液壓油路有機(jī)械故障，如電機(jī)啟動(dòng)頻繁則可能是電路故障或油路失壓，可結(jié)合油壓、氣壓檢測(cè)進(jìn)行綜合分析；斷路器輔助開關(guān)的位置監(jiān)測(cè)，當(dāng)斷路器分閘操作后合閘回路輔助開關(guān)應(yīng)接通，當(dāng)斷路器合閘操作后分閘回路輔助開關(guān)應(yīng)接通，否則會(huì)導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)或拒動(dòng)。對(duì)于此類故障(開關(guān)量)，該系統(tǒng)采用一般的邏輯判斷或閥值范圍規(guī)則依據(jù)出廠數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的技術(shù)條件或初次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。其次是監(jiān)測(cè)斷路器的分、合閘電流的大小及波形等，見圖4：圖4 分、合閘電磁鐵及其電路圖和電流波形圖（a）電磁鐵結(jié)構(gòu)；（b）電路原理圖；（c）分、合閘線圈電流-時(shí)間波形1分、合閘線圈；2電磁鐵鐵芯；S鐵芯行程；K1控制開關(guān)；K2斷路器輔助開關(guān)；R線圈電阻；L線圈電感斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一控制單元，圖4（a）是其結(jié)構(gòu)圖。分、合閘線圈通常用220v直流電源供電，其電路圖如圖4（b）所示。分、合閘線圈的典型的電流波形如圖4（c）所示，即從t1時(shí)刻給出動(dòng)作信號(hào)，t1t2階段電流由于電感作用而電流上升；t2t3階段鐵心在電磁力作用下克服重力、彈簧力等阻力開始運(yùn)動(dòng)，是電磁鐵鐵芯運(yùn)動(dòng)行程時(shí)間；t4時(shí)刻電磁鐵作功完成，t5時(shí)刻斷路器輔助開關(guān)斷開。引起線圈電流變化的因素很多，如電壓、鐵芯空行程、磨擦阻力、卡滯以及操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作狀況。線圈電流的變化反映了鐵芯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及其它機(jī)械狀態(tài)的變化。 從分析線圈電流波形出發(fā)，可以計(jì)算出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)鎖閂以及輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)。利用歷年曲線相關(guān)性可以分析出操動(dòng)機(jī)構(gòu)多種狀態(tài)漸變信息，從而預(yù)測(cè)事故的前兆。 因此其波形中含有可作為診斷操作機(jī)構(gòu)機(jī)械故障用的豐富信息。其典型的故障電流波形如圖5所示：圖 5 分、合閘回路故障電流波形圖（a）電磁鐵鐵芯卡澀；（b）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)缺陷；（c）輔助開關(guān)未斷開當(dāng)t1t3時(shí)間內(nèi)操作電流波形有明顯的抖動(dòng)時(shí)，即顯示電磁鐵鐵芯有卡澀現(xiàn)象，可能是鐵芯經(jīng)過多次動(dòng)作后有歪曲變形，從而運(yùn)動(dòng)不暢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電磁鐵線圈燒毀或斷路器拒動(dòng)，造成停電事故；當(dāng)t3t4時(shí)間內(nèi)操作電流波形有明顯的抖動(dòng)時(shí)，表明電磁鐵的下級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或脫扣器有機(jī)構(gòu)缺陷；如到t5時(shí)刻后仍有I2的電流，則意味著斷路器輔助開關(guān)沒有轉(zhuǎn)換過來或轉(zhuǎn)換不到位，容易導(dǎo)致分、合閘線圈燒毀或斷路器的誤動(dòng)。對(duì)于該類故障，由于模糊識(shí)別的計(jì)算工作量極大，本系統(tǒng)采用相關(guān)性分析方法進(jìn)行圖象識(shí)別，并與標(biāo)準(zhǔn)波形（初次測(cè)量波形或出廠試驗(yàn)波形）進(jìn)行比較，從而判斷故障部位。再其次是測(cè)量斷路器的機(jī)械動(dòng)作特性，包括開關(guān)行程、動(dòng)作速度、分合閘時(shí)間和分合閘同期性。機(jī)械方式利用旋轉(zhuǎn)式角位移光柵行程傳感器，將圓形光柵安裝在斷路器的轉(zhuǎn)軸上，發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過圓形光柵為接收元件所接收，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到斷路器操作過程中的行程和速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，由此可計(jì)算出有關(guān)斷路器的機(jī)械動(dòng)作特性的參數(shù)，以此與知識(shí)庫的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，作出相應(yīng)決策。電氣方式可以從斷路器側(cè)CT（電流互感器）的二次側(cè)測(cè)量其動(dòng)作時(shí)的電流變化曲線，經(jīng)濾波、放大、變換處理后可以得到斷路器動(dòng)作時(shí)的起弧、滅弧時(shí)間、行程等參數(shù)。UHF（高頻）測(cè)量主要是針對(duì)GIS中的局部放電而設(shè)置的，下限頻率在300MHz以上，上限頻率在1000MHz或以上，因而能把電暈放電引起的干擾排除，它根據(jù)相鄰耦合器達(dá)到的信號(hào)之間的時(shí)間差對(duì)故障準(zhǔn)確定位，只要測(cè)得相鄰耦合器之間的距離，就可通過計(jì)算求出故障的位置。然后是液壓系統(tǒng)和氣系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)有液壓油的壓力或流量、SF6氣體的溫度、濕度、密度、氣壓（檢漏）和氣體微水量。這些參量已有成熟的傳感器，只需處理與系統(tǒng)的接口。其中，SF6氣體的有關(guān)參量與斷路器的絕緣性能密切相關(guān)，而且當(dāng)SF6氣體中含水達(dá)到一定限度時(shí)，會(huì)使電解氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕性極強(qiáng)的酸性氣體，加速設(shè)備腐蝕。3 結(jié)語 a 高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于高壓斷路器在線和離線數(shù)據(jù)的分析而進(jìn)行故障診斷，旨在提高其安全運(yùn)行水平。b 研究了斷路器及其操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)參量的檢測(cè)判斷方法，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明：該系統(tǒng)能夠有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱性早