高壓開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)與故障分析

斯鷹

【摘要】介紹了高壓開(kāi)關(guān)拒的故障類型及特點(diǎn)，分析了開(kāi)關(guān)柜的特性及其與故障的關(guān)系，并指出了開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)檢修進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的對(duì)象及開(kāi)關(guān)拒在線監(jiān)測(cè)的方法。

【關(guān)鍵詞】 高壓開(kāi)關(guān)柜 在線監(jiān)測(cè) 故障分析

0引言

高壓開(kāi)關(guān)柜是按一定的線路方案將有關(guān)一、二次設(shè)備組裝而成的一種高壓成套配電裝置。在發(fā)電廠和變配電所中用于控制和保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器、和高壓線路，也可用于啟動(dòng)和保護(hù)大型高壓交流電動(dòng)機(jī)。柜中安裝有高壓開(kāi)關(guān)電器(斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘)、保護(hù)電器、監(jiān)測(cè)儀表、支持絕緣子和母線等。其中高壓斷路器為主體，所用的斷路器有少油斷路器、真空斷路器和SF6斷路器等。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的高壓開(kāi)關(guān)柜大量為10KV電壓級(jí)，35KV者較少，63KV的小車柜剛起步。

開(kāi)關(guān)柜發(fā)生故障，直接的危害是被電器設(shè)備所保護(hù)的線路、設(shè)備受損，電量損失;間接的危害則是造成用戶大面積停電。為確保供電的可靠性，電力部門采取定期試驗(yàn)和檢修的辦法來(lái)保證開(kāi)關(guān)柜正常運(yùn)行。定期檢修增加了電力設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用和停電時(shí)間，甚至于增加了設(shè)備的故障率，并且在檢修的間隔還是有故障發(fā)生。因此，迫切需要對(duì)開(kāi)關(guān)柜實(shí)行狀態(tài)檢修，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)和定時(shí)的在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和絕緣的劣化程度，確定檢修時(shí)間和措施，減少停電時(shí)間和事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性及自動(dòng)化程度。

1高壓開(kāi)關(guān)柜的故障類型及特點(diǎn)

要進(jìn)行狀態(tài)檢修對(duì)設(shè)備實(shí)行在線檢測(cè)，必須對(duì)故障的類型特點(diǎn)進(jìn)行分析從而確定檢測(cè)的項(xiàng)目。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)。

1.1元件的多樣性

元件的多樣性導(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，所選傳感器的類型、性能、數(shù)量和安裝部位將直接關(guān)系到診斷的可信度。

1.2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)啵行嗦菲鲃t在投運(yùn)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，但如果斷路器投運(yùn)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。

1.3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。

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)，將高壓開(kāi)關(guān)柜的主要故障分為以下幾類:

(1)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障。

(2)開(kāi)斷與關(guān)合故障。

(3)絕緣故障。

(4)載流故障。

(5)外力及其他故障。

2高壓開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)上述分析開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)檢修，應(yīng)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):

(1)溫度監(jiān)測(cè):開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線室、電纜室、手車室和隔離觸頭都是應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的部位。

(2)絕緣監(jiān)測(cè):主要有母線絕緣、套管絕緣、支柱絕緣、電纜絕緣和互感器絕緣等。

(3)控制回路:監(jiān)測(cè)內(nèi)容有控制回路及電源、分合閘線圈電壓電流等。

(4)斷路器機(jī)械特性:包括監(jiān)測(cè)動(dòng)觸頭總行程，動(dòng)觸頭超行程，動(dòng)觸頭彈跳等;分合閘速度，合閘彈簧壓縮工況。動(dòng)作過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)，緩沖器性能，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有無(wú)碰撞、零件脫落等。

(5)斷路器電氣性能:開(kāi)斷電流加權(quán)值、滅弧室真空度和主觸頭電阻等。

3高壓開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的不同故障類型，相應(yīng)有不同的故障監(jiān)測(cè)方法。

(1)溫度在線監(jiān)測(cè)包括母線連接處的溫度及斷路器觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)。用于母線連接處溫升測(cè)量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Fabryperot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。由于高壓開(kāi)關(guān)觸頭處于高電壓、高溫度、強(qiáng)磁場(chǎng)以及極強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭的測(cè)溫，必須解決電子測(cè)量裝置在上述惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)性。目前測(cè)溫工作方式基本上采用被動(dòng)式測(cè)溫或主動(dòng)式測(cè)溫兩種形式。被動(dòng)式測(cè)溫采用接收被測(cè)量點(diǎn)幅射出的遠(yuǎn)紅外波，通過(guò)判斷遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)來(lái)確定測(cè)量點(diǎn)溫度;而主動(dòng)式測(cè)溫則是通過(guò)埋設(shè)在測(cè)量點(diǎn)的溫度傳感器直接測(cè)量溫度。一種采用紅外光電隔離及高壓供電方式測(cè)量觸頭溫度的方法，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施及元器件能使監(jiān)測(cè)儀既有較好的技術(shù)性能，成本又能保持在較低的水平上。

(2)電氣性能在線監(jiān)測(cè)包括斷路器開(kāi)斷電流加權(quán)值、滅弧室真空度等的監(jiān)測(cè)。利用不同開(kāi)斷電流下的等效磨損曲線，累計(jì)每次電流開(kāi)斷所對(duì)應(yīng)的相對(duì)電磨損，每臺(tái)斷路器的允許電磨損總量由其額定短路開(kāi)斷電流及允許開(kāi)斷滿容量次數(shù)來(lái)標(biāo)定，采用觸頭累積磨損量作為判斷其電壽命的依據(jù)。真空度的在線監(jiān)測(cè)方法有很多，目前，國(guó)內(nèi)外真空滅弧室真空度的在線檢測(cè)方法主要有:光電變換法、耦合電容法、三相橋法與電弧電壓祛、電阻應(yīng)變片法、微型冷陰極磁控計(jì)法、吸氣劑膜法。一種通過(guò)測(cè)量屏蔽罩的直流電位，即屏蔽罩上積聚的靜電荷數(shù)量來(lái)在線檢測(cè)真空度的新方法。該方法使用了旋轉(zhuǎn)式電場(chǎng)探頭，在電場(chǎng)探頭離開(kāi)屏蔽罩125mm時(shí)，仍具有較高的測(cè)量靈敏度。

(3)機(jī)械特性在線檢測(cè)，其監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有:合、分閘線圈回路，合、分閘線圈電流、電壓，斷路器動(dòng)觸頭行程，斷路器觸頭速度，合閘彈簧狀態(tài)，斷路器動(dòng)作過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)，斷路器操作次數(shù)統(tǒng)計(jì)等。目前，斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要有行程和速度的監(jiān)測(cè)，操作過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)等。斷路器操作時(shí)的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)是根據(jù)每個(gè)振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間的變化、峰值的變化，結(jié)合分、合閘線圈電流波形來(lái)判斷斷路器的機(jī)械狀態(tài)。機(jī)械性能穩(wěn)定的斷路器，其分、合閘振動(dòng)波形的各峰值大小和各峰值間的時(shí)間差是相對(duì)穩(wěn)定的。振動(dòng)信號(hào)是否發(fā)生變化的判別依據(jù)是對(duì)新斷路器或大修后的斷路器進(jìn)行多次分、合閘試驗(yàn)測(cè)試，記錄穩(wěn)定的振動(dòng)波形，作為該斷路器的特征波形“指紋”，將以后測(cè)到的振動(dòng)波形，與“指紋”比較，以判別斷路器機(jī)械特性是否正常。行程一時(shí)間特性監(jiān)測(cè)是指通過(guò)光電傳感器，將連續(xù)變化的位移量變成一系列電脈沖信號(hào)。記錄該脈沖的個(gè)數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)觸頭全行程參數(shù)的測(cè)量;同時(shí)，記錄每一個(gè)電脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻值，就可計(jì)算出動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大和平均速度。因此測(cè)得斷路器主軸連動(dòng)桿的分合閘特性，即可反映動(dòng)觸頭的特性。監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電機(jī)負(fù)荷電流和啟動(dòng)次數(shù)可反映負(fù)載(液壓操作機(jī)構(gòu))的工況，也可判斷電機(jī)是否正常，同時(shí)反映液壓操作機(jī)構(gòu)密封狀況。

(4)絕緣性能在線監(jiān)測(cè)。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良都使安全運(yùn)行受到威脅。在絕緣上述情況下，在事故潛伏期都可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過(guò)對(duì)放電的監(jiān)測(cè)得到相關(guān)的信息。通常采用的監(jiān)測(cè)方法有交流泄露電流在線監(jiān)測(cè)和介質(zhì)損耗角正切在線監(jiān)測(cè)方法，而使用射頻法對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的絕緣和接觸不良的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)尚在探索中。

4結(jié)束語(yǔ)

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，應(yīng)該采用多種方法結(jié)合來(lái)進(jìn)行故障診斷。

(1)高壓開(kāi)關(guān)柜常見(jiàn)的故障有拒動(dòng)/誤動(dòng)故障、開(kāi)斷與關(guān)合故障、絕緣故障、載流故障等等，在線監(jiān)測(cè)應(yīng)針對(duì)這些故障確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

(2)根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇合適的傳感器，是故障診斷準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。

(3)開(kāi)關(guān)柜自身結(jié)構(gòu)的多樣性、工作狀態(tài)的多樣性及故障的隨機(jī)性和模糊性決定了在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的難度。

(4)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)實(shí)施狀態(tài)檢修功能實(shí)現(xiàn)的可能性在很大程度上取決于信號(hào)處理方法的先進(jìn)性和診斷方法的可靠性，如果能夠成功地將目前已有的一些方法跟開(kāi)關(guān)柜的特殊情況結(jié)合起來(lái)，有助于高壓開(kāi)關(guān)柜的在線監(jiān)測(cè)逐步走向應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

【1】袁大陸.全國(guó)電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備十年運(yùn)行狀況述評(píng)[J].高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)通訊，1999(5)

【2】黃琦瓏，關(guān)永剛.徐國(guó)政，等.高壓開(kāi)關(guān)柜智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的研制[J].電工技術(shù)雜志，2000(7)

【3】徐東茂，許一聲.高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)的研究[J]高壓電器，2001(1)