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

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

　　0引言

　　高壓開關(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)。柜中安裝有高壓開關(guān)電器(斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘)、保護(hù)電器、監(jiān)測儀表、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。目前國內(nèi)應(yīng)用的高壓開關(guān)柜大量為10KV電壓級，35KV者較少，63KV的小車柜剛起步。

　　開關(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)和檢修的辦法來保證開關(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，迫切需要對開關(guān)柜實(shí)行狀態(tài)檢修，對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)和定時(shí)的在線監(jiān)測，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高壓開關(guān)柜的故障類型及特點(diǎn)

　　要進(jìn)行狀態(tài)檢修對設(shè)備實(shí)行在線檢測，必須對故障的類型特點(diǎn)進(jìn)行分析從而確定檢測的項(xiàng)目。由于高壓開關(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)理千差萬別，因此要對開關(guān)柜進(jìn)行在線監(jiān)測并做出較準(zhǔn)確的故障判斷乃至故障預(yù)測，必須了解開關(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，對于母線，其故障表現(xiàn)為連接處的接觸電阻過大從而引起異常升溫;對于絕緣拉桿，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)用場合，開關(guān)柜的工作狀態(tài)有很大差別。例如對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)要多次開斷短路電流，而有的則一次都不用開斷。這種工作狀態(tài)上的差異性給斷路器的在線監(jiān)測和故障診斷帶來了困難。例如通過斷路器動(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，長期不執(zhí)行分?jǐn)嚓P(guān)合動(dòng)作，則無法獲取行程曲線。

　　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。

　　通過對近10年來全國高壓開關(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高壓開關(guān)柜的監(jiān)測項(xiàng)目

　　根據(jù)上述分析開關(guān)柜狀態(tài)檢修，應(yīng)根據(jù)開關(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)測項(xiàng)目。當(dāng)前普遍認(rèn)為應(yīng)監(jiān)測以下幾項(xiàng):

　　(1)溫度監(jiān)測:開關(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)測的部位。

　　(2)絕緣監(jiān)測: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)作過程中的機(jī)械振動(dòng)，緩沖器性能，運(yùn)動(dòng)過程中有無碰撞、零件脫落等。

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

　　3高壓開關(guān)柜的監(jiān)測方法

　　針對高壓開關(guān)柜的不同故障類型，相應(yīng)有不同的故障監(jiān)測方法。

　　(1)溫度在線監(jiān)測包括母線連接處的溫度及斷路器觸頭溫度在線監(jiān)測。用于母線連接處溫升測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題。由于高壓開關(guān)觸頭處于高電壓、高溫度、強(qiáng)磁場以及極強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)對觸頭的測溫，必須解決電子測量裝置在上述惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)性。目前測溫工作方式基本上采用被動(dòng)式測溫或主動(dòng)式測溫兩種形式。被動(dòng)式測溫采用接收被測量點(diǎn)幅射出的遠(yuǎn)紅外波，通過判斷遠(yuǎn)紅外波長來確定測量點(diǎn)溫度;而主動(dòng)式測溫則是通過埋設(shè)在測量點(diǎn)的溫度傳感器直接測量溫度。一種采用紅外光電隔離及高壓供電方式測量觸頭溫度的方法，通過選擇適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施及元器件能使監(jiān)測儀既有較好的技術(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)測包括斷路器開斷電流加權(quán)值、滅弧室真空度等的監(jiān)測。利用不同開斷電流下的等效磨損曲線，累計(jì)每次電流開斷所對應(yīng)的相對電磨損，每臺(tái)斷路器的允許電磨損總量由其額定短路開斷電流及允許開斷滿容量次數(shù)來標(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)測方法有很多，目前，國內(nèi)外真空滅弧室真空度的在線檢測方法主要有: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。一種通過測量屏蔽罩的直流電位，即屏蔽罩上積聚的靜電荷數(shù)量來在線檢測真空度的新方法。該方法使用了旋轉(zhuǎn)式電場探頭，在電場探頭離開屏蔽罩125mm時(shí)，仍具有較高的測量靈敏度。

　　(3)機(jī)械特性在線檢測，其監(jiān)測的內(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)測主要有行程和速度的監(jiān)測，操作過程中振動(dòng)信號的監(jiān)測等。斷路器操作時(shí)的機(jī)械振動(dòng)信號監(jiān)測是根據(jù)每個(gè)振動(dòng)信號出現(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)間差是相對穩(wěn)定的。振動(dòng)信號是否發(fā)生變化的判別依據(jù)是對新斷路器或大修后的斷路器進(jìn)行多次分、合閘試驗(yàn)測試，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)測是指通過光電傳感器，將連續(xù)變化的位移量變成一系列電脈沖信號。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)過程中的最大和平均速度。因此測得斷路器主軸連動(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。高壓開關(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，故可以通過對放電的監(jiān)測得到相關(guān)的信息。通常采用的監(jiān)測方法有交流泄露電流在線監(jiān)測和介質(zhì)損耗角正切在線監(jiān)測方法，而使用射頻法對開關(guān)柜內(nèi)的絕緣和接觸不良的在線監(jiān)測技術(shù)尚在探索中。

　　4結(jié)束語

　　由于高壓開關(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)理千差萬別，因此，應(yīng)該采用多種方法結(jié)合來進(jìn)行故障診斷。

　　(1)高壓開關(guān)柜常見的故障有拒動(dòng)/誤動(dòng)故障、開斷與關(guān)合故障、絕緣故障、載流故障等等，在線監(jiān)測應(yīng)針對這些故障確定監(jiān)測項(xiàng)目。

　　(2)根據(jù)監(jiān)測項(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)測和故障診斷的難度。

　　(4)通過在線監(jiān)測實(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關(guān)柜的特殊情況結(jié)合起來，有助于高壓開關(guān)柜的在線監(jiān)測逐步走向應(yīng)用。

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