高压开关柜的在线监测和故障诊断

高压开关柜的在线监测和故障诊断杨　武　丁　丹　荣命哲　陈德桂　贾申利(西安交通大学电气工程学院　710049)

摘　要　介绍了高压开关柜的故障表现及其原因,指出了在线监测的对象和方法,分析了开关柜的特性及其与故障的关系,并介绍了几种故障诊断方法。 关键词　高压开关柜　在线监测　故障诊断

1　前言高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备。由于各种原因,引起开关柜运行状态恶化从而引发电力系统出现故障,因此对开关柜的运行状态进行在线监测,及时发现故障隐患对累积性故障做出预测,对于保证开关柜的正常运行,减少维修次数,提高电力系统的运行可靠性和自动化程度都有重要意义。高压开关柜分户外式和户内式两种,10kV及以下多采用户内式。根据一次线路方案的不同,可分为进出线开关柜、联络油开关柜、母线分段柜等。10kV进出线开关柜内多安装少油断路器或真空断路器,断路器所配的操动机构多为弹簧操动机构或电磁操动机构,也有配手动操动机构或永磁操动机构的。不同的开关柜在结构上有较大差别,这将影响到传感器的选择和安装。2　高压开关柜的故障表现及其原因分析通过对近10年来全国高压开关设备运行情况的调查和数据统计,可以知道高压开关柜的故障主要有以下几类[1]:(1)拒动、误动故障　这种故障是高压开关柜最主要的故障,其原因可分为两类。一类是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、卡涩,轴销松断,脱扣失灵等。另一类是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,接线错误,分合闸线圈因机构卡涩或转换开关不良而烧损,辅助开关切换不灵,以及操作电源、合闸接触器、微动开关等故障。(2)开断与关合故障　这类故障是由断路器本体造成的,对少油断路器而言,主要表现为喷油短路、灭弧室烧损、开断能力不足、关合时爆炸等。对于真空断路器而言,表现为灭弧室及波纹管漏气、真空度降低、切电容器组重燃、陶瓷管破裂等。(3)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,CT闪络、击穿、爆炸,瓷瓶断裂等。(4)载流故障　712～12kV电压等级发生的载流故障主要原因是开关柜隔离插头接触不良导致触头烧融。(5)外力及其他故障　包括异物撞击,自然灾

害,小动物短路等。

3　高压开关柜的监测项目开发在线监测装置,应该根据开关柜的主要故障并结合当前的技术水平和产品成本等因素综合考虑监测项目。当前普遍认为应监测以下几项[2]:

①合闸及分闸线圈回路———监测控制回路是否完好,有无断线。②合闸及分闸线圈电流———监测电磁铁及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头在操作过程中的工作情况。③合闸及分闸线圈电压———监测控制回路与电压是否正常。④断路器动触头行程———监测合/分闸过程的动触头行程曲线。⑤断路器动触头速度———监测断路器运动速度,包括速度曲线刚分/合速度、平均速度、最大速度。⑥合闸弹簧状态———监测弹簧机构的弹簧压缩状态。⑦断路器动作过程中的机械振动———监测机械部分的卡涩,机构运动零件脱落,缓冲器性能,运动过程中有无非正常碰撞等。⑧断路器操作次数统计———监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进—02—

《电工技术杂志》2001年第3期・电网建设/改造・行维修的次数。⑨开断电流加权值———间接监测断路器灭弧室及弧触头(包括灭弧介质)烧损状况是否达到制造厂规定值。⑩导电接触部分温度———监测发热程度。在上述各监测项目中,①～⑦都是针对机械故障的,⑧和⑨是针对开断与关合故障的,⑩是针对载流故障的。对于发生较多的绝缘故障则没有考虑,笔者认为对于高压开关柜绝缘特性的监测,应参照《电力设备预防性试验规程》确定监测参数,考虑到开关柜内元件(断路器、电流互感器、套管等)的多样性,应针对最容易发生故障的电器元件监测其绝缘参数如绝缘电阻、泄漏电流、tgδ等。由于这些物理量跟温度和湿度有密切关系,因此应同时测量被测对象的温度和环境温度及湿度。采用这种方案,传感器的数目较多,但由于有较多的经验和历史数据,故对故障的判别相对容易。由于各类绝缘缺陷发展到最终击穿,酿成事故之前,往往先经过局部放电阶段,局部放电的强弱能够在一定程度上反映绝缘的状态[3],因此通过在线监测局部放电来判断绝缘状态不失为一种好的方案,但如何从采集的信号中提取特征量,并据此做出较准确的判断,目前还没有成熟的方法,需要做大量深入细致的研究。4　高压开关柜的监测方法高压开关柜监测方法的主要内容在于各种传感器的合理选择。跟上述监测项目有关的传感器主要有以下几种:(1)温度传感器　用于母线连接处温升测量的常用传感器有石英传感器、光微薄硅温度传感器和吸收型光纤温度传感器,它们分别以石英晶体、硅片及玻璃构成的Fabry2perot槽和GaAs晶体作为感温元件,以光纤作为传输介质,这就有效地解决了电磁干扰问题。(2)感应式位置传感器　用于监测断路器分合位置。这种传感器只能安装于操动机构的可动部分,通过判断操动机构的位置间接推断断路器动触头位置,这种推断是不可靠的,并且只能测平均速度,无法测得包含大量信息的断路器动触头行程曲线,但它可以作为断路器开断次数统计的依据。(3)位移传感器　测量直线位移的传感器有很多,如差动变压器式,差动电容器式,霍尔效应式等。如果直接测量断路器动触头的行程曲线,首先要考虑的问题是安装,以上所述的位移传感器都需要将传感器在位移方向上与动触头导杆相连,安装上比较困难。解决方案是寻求间接的方法,一种设想是在可动部分贴上或加工上对光线敏感的条码状线条或图案,通过光电发射和接收来感知位置,以此来测得行程曲线。据此可得到断路器动触头的速度特性(包括瞬时速度、最大速度、平均速度等)。(4)压力传感器　用于测量合闸弹簧压力值大

小,判断弹簧压缩状态,但这种方法需要在机构上安装压力传感器,很不方便。另一种方案是测量储能电动机的工作电流波形,据此来间接判断合闸弹簧的状态。(5)振动传感器　用于监测振动,由于需监测

的振动强弱范围很广,从局部放电引起的微弱振动到故障引起的强大振动都在其中,需根据振动频率来选择监测参数和相应的传感器。以压电晶体做敏感元件的加速度传感器,带宽可达200kHz,紧贴被测设备表面,可用于监测局部放电。对于其他振动的监测,选择低频(如10Hz～1kHz)振动加速度传感器即可。

5　高压开关柜的特性及其与故障的关系由于高压开关柜是多个电气设备的组合,其内部涉及电、磁、温度等多种物理现象,故障的表现形式和产生机理千差万别,因此要对开关柜进行在线监测并做出较准确的故障判断乃至故障预测,必须了解开关柜的工作特性和故障特点。(1)结构的多样性　结构的多样性导致了故障

形式的多样性。开关柜内存在多个电气元件,不同的元件有不同的故障表现。例如,对于母线,其故障表现为连接处的接触电阻过大从而引起异常升温;对于绝缘拉杆,其故障表现为绝缘性能下降。故障形式的多样性给传感器的选择带来了困难,所选传感器的类型、性能、数量和安装部位将直接关系到诊断的可信度。(2)工作状态的多样性　在不同的应用场合

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开关柜的工作状态有很大差别。例如对于其中的断路器而言,有些断路器需要频繁接通与分断,而有些断路器则在投入运行后,几乎不动作,有些在寿命期限内要多次开断短路电流,而有的则一次都不用开断。这种工作状态上的差异性给断路器的在线—12—

高压开关柜的在线监测和故障诊断《电工技术杂志》2001年第3期监测和故障诊断带来了困难。例如通过断路器动触头的行程曲线,可以获知断路器操动机构的运行情况,但如果断路器投入运行后,长期不执行分断关合动作,则无法获取行程曲线。(3)故障的随机性和模糊性　电气设备的故障不仅取决于设备的当前状态,还跟它的历史状态有关系;同一种故障可能是由不相关的多种原因造成的,而同一种原因又可能造成不同的故障。对于同样的状态参数,故障可能发生也可能不发生,故障的严重程度也会有差别。所有这些都表明,开关柜的状态变量与故障特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系,这种映射关系也反映了故障发生的随机性和模糊性。6　故障诊断方法611　依据规则的诊断方法设备的特征可由若干个选定的特征变量表示,设备的状态可由若干个选定的状态变量表示,由于设备的特征与状态不是一一对应的,因而要对问题进行仔细的考察,建立一套诊断规则。根据诊断规则的不同,可将诊断分成三种类型:(1)逻辑诊断　这种诊断简单明了,应用较广,但它把问题过于简化,诊断准确率较低。(2)模糊诊断　故障初期的诊断数据有某些不确定性,即具有随机性和模糊性。模糊性可以用模糊集合论方法来解决。模糊诊断中,用隶属度表示故障的严重程度,诊断规则由模糊关系矩阵体现,此矩阵反映了故障状态和特征之间的因果关系。模糊诊断方法目前已应用于大型机械的机械故障和电力变压器的绝缘故障诊断,取得了较好的效果,准确度较高。(3)统计诊断　这种方法需要大量实验数据,并且是基于图形的诊断,不适用于在线诊断。612　依据样板的诊断方法依据样板的诊断过程包括如下步骤:①通过传感器取得最能表征设备状态的信号,这些信息被称为初始模式。②抑制混入有用信号中的干扰,提取特征,形成待检模式。③将待检模式与样板模式(故障档案)对比,确定故障类型。根据所用样板模式的不同,可将诊断分为:(1)阈值诊断　按照特征量是否超过阈值来判断设备状态,我国电力系统实行的预防性试验制度就属于阈值诊断,这种方法比较简单,但判断不够全面,容易发生误报。(2)时域波形诊断　将测得的物理量随时间变

化的曲线与样板对照来判断设备状态。(3)频域波形诊断　将测得的物理量的频谱与

样板对照进行判断。(4)指纹诊断　对测得的数据进行处理,将得

到某种特殊图形与样板对照进行判断,这种方法也是基于图形的,不适合做在线诊断。故障诊断方法经历了从传统到现代的过渡,传统的诊断方法是利用各种化学和物理的原理和方法,直接检测故障并进行判断,它较多地依赖操作人员积累的经验。在传统故障诊断方法的基础上,

将人工智能的理论用于故障诊断,发展智能化和自动化的诊断方法,成为故障诊断的主要方向。设备故障诊断技术是一门多学科交叉的新兴学科,需要借助各种有效的数学工具,如模糊数学、神经网络、小波变换、分形几何等,此外根据故障的某些特征进行识别并加以分类的模式识别技术,根据故障与其特征量之间的数学表达式进行分析的函数识别法,对故障及其原因进行统计分析的概率统计法,根据故障发生、发展的继承和因果关系进行分析的故障树分析法,在数据不完整条件下的灰色识别方法在某些场合下也有应用。在各种智能诊断方法中,常用的是模糊诊断方法和人工智能专家诊断系统,它们都是以对故障与征兆之间的因果关系进行正确分析为前提的[4]。当然,各种诊断方法都有其优缺点,并不是智能化程度越高理论越先进就越好,根据故障诊断的特点和本质去改变现有的方法,成为故障诊断技术发展的关键。考虑到各种诊断方法的优缺点,结合开关柜的具体情况,笔者认为应该采用多种方法进行诊断。对于特征与状态具有明确的对应关系的故障,如合闸及分闸线圈断路故障、导电接触部分温升故障,可采用域值诊断方法;而对于特征与状态不具有明确关系的故障(开关柜的大部分故障属于此类),可采用模糊诊断、时域波形诊断或频域波形诊断等方法。