高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

1、高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)研究李平詩 徐 澄（中國長江長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)測系統(tǒng)的一般框架，以SF6斷路器為例，說明了該監(jiān)測系統(tǒng)的具體模式：通過現(xiàn)場監(jiān)測斷路器及其操作機構(gòu)各個部件的有關(guān)電氣、機械和化學參量，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，指導現(xiàn)場維護和檢修工作，提高了設備的安全運行水平。關(guān)鍵詞 斷路器 在線監(jiān)測 系統(tǒng)中圖分類號 TM70 前言目前對運行中的高壓斷路器一般是按規(guī)程要求定期進行預防性試驗1，通過對測得的數(shù)據(jù)進行分析，對設備的狀況作出判斷，進行針對性的檢修，它與檢修試驗者的經(jīng)驗及試驗手段密切相關(guān)。隨著計算機和微電子技術(shù)的

2、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和現(xiàn)場工程師的經(jīng)驗，提高判斷分析的準確性，避免設備的意外故障發(fā)生。即在事先得到控制。國內(nèi)進行此項研究的大專院校、科研院所已有不少，雖各有側(cè)重點，但真正達到生產(chǎn)單位目的并投入實際應用的不多。有的過于龐大，如從設備狀態(tài)監(jiān)測到專家診斷到壽命評估，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，因而往往難以實現(xiàn)；有的過于簡單，尚不能判斷設備的健康狀況。本文提出的斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于現(xiàn)場的技術(shù)經(jīng)濟評價，易于實現(xiàn)，并便于擴展。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：設計的出廠參數(shù)、出廠試驗數(shù)

3、據(jù)及有關(guān)試驗波形圖，歷次大小修的試驗數(shù)據(jù)、檢修情況。設備基本管理包括設備的基本臺帳、變更換型等情況，以及歷史數(shù)據(jù)曲線查詢、試驗檢修報告生成等。它既反映了電力設備預防性試驗規(guī)程中的內(nèi)容，并對規(guī)程中規(guī)定的數(shù)值范圍進行界定，綜合領(lǐng)域?qū)＜遥òㄖ圃鞆S工程師、科研機構(gòu)、研究人員、現(xiàn)場運行檢修工程師等等）的經(jīng)驗，以規(guī)程的形式描述出來，又將離線和在線的數(shù)據(jù)進行收集，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)果又進入數(shù)據(jù)庫，隨著知識的積累、設備類型的變化，知識庫可以隨時擴充，定期維護、修改，并能進行自學習。所以數(shù)據(jù)庫同時又知識庫，在使用過程中進行完善。1.2數(shù)據(jù)分析通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的提取，結(jié)合規(guī)

4、程、制造廠和現(xiàn)場檢修運行的規(guī)則和經(jīng)驗，利用邏輯診斷、模糊評判、相關(guān)分析或統(tǒng)計方法對設備健康情況分類，當有緊急情況時發(fā)出報警信號，引起運行值班人員注意，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)通過對開關(guān)典型的時間-位移曲線、速度-位移曲線、輔助接點動作曲線、分合閘線圈電流曲線、電機電流曲線和剛分合時間、剛分合速度、最大速度、同期、超程等參數(shù)進行重點分析，從而診斷開關(guān)運行的機械狀態(tài)。通過監(jiān)測操作機構(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)果及時反映給數(shù)據(jù)庫，用戶可以及時得到監(jiān)

5、視狀態(tài)或警示。1.4采用分布式遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)3分布式遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)面向多臺設備或整個變電站、發(fā)電廠，采用多臺計算機的分級管理形式，功能強大的的主計算機（服務器）負責整個系統(tǒng)的管理、控制和診斷，各輔助計算機分別承擔不同類型斷路器的數(shù)據(jù)采集及初步處理、診斷。即現(xiàn)場在線監(jiān)測單元（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（計算機主站）相連，主計算機與輔助計算機通過網(wǎng)絡進行聯(lián)絡，系統(tǒng)用戶可通過該網(wǎng)絡進行查詢和日常維護管理。2 綜合診斷系統(tǒng)4以SF6斷路器性能診斷為例，診斷時系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫搜索該斷路器的試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場監(jiān)測的有關(guān)信息，與知識庫中的規(guī)則及知識橫向分析和比較，若不能得到確

6、切的診斷結(jié)論，則自動調(diào)出臺帳及歷史數(shù)據(jù)等進一步縱向分析比較。如變化過大，則指示是否有必要停電檢修或采取其他預防措施。2.1現(xiàn)場監(jiān)測的實施現(xiàn)場監(jiān)測框圖如圖2所示：圖2 SF6斷路器在線監(jiān)測原理框圖M油泵電機，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)測單元主要包括壓縮電機（儲能電機）、分合閘線圈、輔助接點、甚高頻發(fā)射和接受、斷路器的工作電流或開斷電流、速度行程等機械特性、溫度濕度等化學參量。2.2分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。LC單元和離線測量的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)進入診斷系統(tǒng)服務器，診斷信息和相關(guān)的測量數(shù)據(jù)與工作站及企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)

7、（MIS）實行互聯(lián)。用戶在各終端或工作站可以進行查詢，也可以將故障報警信息發(fā)到相關(guān)人員的移動電話上，以便及時進行處理。 圖3 分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖2.3診斷分析首先是對該斷路器的操動結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)進行檢測，主要參數(shù)有：油泵電機的電流、電壓及電機工作時間間隔，如工作電流過大則可能是電機故障、操作機構(gòu)或液壓油路有機械故障，如電機啟動頻繁則可能是電路故障或油路失壓，可結(jié)合油壓、氣壓檢測進行綜合分析；斷路器輔助開關(guān)的位置監(jiān)測，當斷路器分閘操作后合閘回路輔助開關(guān)應接通，當斷路器合閘操作后分閘回路輔助開關(guān)應接通，否則會導致斷路器誤動或拒動。對于此類故障(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)

8、據(jù)及產(chǎn)品的技術(shù)條件或初次測量數(shù)據(jù)進行判斷。其次是監(jiān)測斷路器的分、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時刻給出動作信號，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

9、力開始運動，是電磁鐵鐵芯運動行程時間；t4時刻電磁鐵作功完成，t5時刻斷路器輔助開關(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、卡滯以及操作機構(gòu)的機械動作狀況。線圈電流的變化反映了鐵芯運動狀態(tài)以及其它機械狀態(tài)的變化。 從分析線圈電流波形出發(fā)，可以計算出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動鎖閂以及輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)。利用歷年曲線相關(guān)性可以分析出操動機構(gòu)多種狀態(tài)漸變信息，從而預測事故的前兆。 因此其波形中含有可作為診斷操作機構(gòu)機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

10、動機構(gòu)缺陷；（c）輔助開關(guān)未斷開當t1t3時間內(nèi)操作電流波形有明顯的抖動時，即顯示電磁鐵鐵芯有卡澀現(xiàn)象，可能是鐵芯經(jīng)過多次動作后有歪曲變形，從而運動不暢，嚴重時會導致電磁鐵線圈燒毀或斷路器拒動，造成停電事故；當t3t4時間內(nèi)操作電流波形有明顯的抖動時，表明電磁鐵的下級傳動機構(gòu)或脫扣器有機構(gòu)缺陷；如到t5時刻后仍有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，容易導致分、合閘線圈燒毀或斷路器的誤動。對于該類故障，由于模糊識別的計算工作量極大，本系統(tǒng)采用相關(guān)性分析方法進行圖象識別，并與標準波形（初次測量波形或出廠試驗波形）進行比較，從而判斷故障部位。再其次是測量斷路器的機械動作特性，

11、包括開關(guān)行程、動作速度、分合閘時間和分合閘同期性。機械方式利用旋轉(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間的變化關(guān)系，由此可計算出有關(guān)斷路器的機械動作特性的參數(shù)，以此與知識庫的標準進行比較，作出相應決策。電氣方式可以從斷路器側(cè)CT（電流互感器）的二次側(cè)測量其動作時的電流變化曲線，經(jīng)濾波、放大、變換處理后可以得到斷路器動作時的起弧、滅弧時間、行程等參數(shù)。UHF（高頻）測量主要是針對GIS中的局部放電而設置的，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

12、引起的干擾排除，它根據(jù)相鄰耦合器達到的信號之間的時間差對故障準確定位，只要測得相鄰耦合器之間的距離，就可通過計算求出故障的位置。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SF6氣體中含水達到一定限度時，會使電解氣發(fā)生反應，產(chǎn)生腐蝕性極強的酸性氣體，加速設備腐蝕。3 結(jié)語 a 高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于高壓斷路器在線和離線數(shù)據(jù)的分析而進行故障診斷，旨在提高其安全運行水平。b 研究了斷路器及其操作機構(gòu)的相關(guān)參量的檢測判斷方法，現(xiàn)場運行表明：該系統(tǒng)能夠有效發(fā)現(xiàn)設備的隱性早