高壓開關柜在線監測與故障分析

斯鷹

【摘要】介紹了高壓開關拒的故障類型及特點，分析了開關柜的特性及其與故障的關系，并指出了開關柜狀態檢修進行在線監測的對象及開關拒在線監測的方法。

【關鍵詞】 高壓開關柜 在線監測 故障分析

0引言

高壓開關柜是按一定的線路方案將有關一、二次設備組裝而成的一種高壓成套配電裝置。在發電廠和變配電所中用于控制和保護發電機、變壓器、和高壓線路，也可用于啟動和保護大型高壓交流電動機。柜中安裝有高壓開關電器(斷路器、隔離開關、接地刀閘)、保護電器、監測儀表、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。目前國內應用的高壓開關柜大量為10KV電壓級，35KV者較少，63KV的小車柜剛起步。

開關柜發生故障，直接的危害是被電器設備所保護的線路、設備受損，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和檢修的辦法來保證開關柜正常運行。定期檢修增加了電力設備的運行費用和停電時間，甚至于增加了設備的故障率，并且在檢修的間隔還是有故障發生。因此，迫切需要對開關柜實行狀態檢修，對設備運行狀況進行實時和定時的在線監測，根據設備的運行狀態和絕緣的劣化程度，確定檢修時間和措施，減少停電時間和事故的發生，提高電力系統運行的安全可靠性及自動化程度。

1高壓開關柜的故障類型及特點

要進行狀態檢修對設備實行在線檢測，必須對故障的類型特點進行分析從而確定檢測的項目。由于高壓開關柜是多個電氣設備的組合，其內部涉及電、磁、溫度等多種物理現象，故障的表現形式和產生機理千差萬別，因此要對開關柜進行在線監測并做出較準確的故障判斷乃至故障預測，必須了解開關柜的工作特性和故障特點。

1.1元件的多樣性

元件的多樣性導致了故障形式的多樣性，開關柜內存在多個電氣元件，不同的元件有不同的故障表現。例如，對于母線，其故障表現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、數量和安裝部位將直接關系到診斷的可信度。

1.2狀態的多樣性

在不同的應用場合，開關柜的工作狀態有很大差別。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斷，而有些斷路器則在投運后，幾乎不動作，有些在壽命期限內要多次開斷短路電流，而有的則一次都不用開斷。這種工作狀態上的差異性給斷路器的在線監測和故障診斷帶來了困難。例如通過斷路器動觸頭的行程曲線，可以獲知斷路器操動機構的運行情況，但如果斷路器投運后，長期不執行分斷關合動作，則無法獲取行程曲線。

1.3故障的隨機性和模糊性

電氣設備的故障不僅取決于設備的當前狀態，還跟它的歷史狀態有關系;同一種故障可能是由不相關的多種原因造成的，而同一種原因又可能造成不同的故障。對于同樣的狀態參數，故障可能發生也可能不發生，故障的嚴重程度也會有差別。所有這些都表明，開關柜的狀態變量與故障特征變量之間存在復雜的時變非線性映射關系，這種映射關系也反映了故障發生的隨機性和模糊性。

通過對近10年來全國高壓開關設備運行情況的調查和數據統計，將高壓開關柜的主要故障分為以下幾類:

(1)拒動、誤動故障。

(2)開斷與關合故障。

(3)絕緣故障。

(4)載流故障。

(5)外力及其他故障。

2高壓開關柜的監測項目

根據上述分析開關柜狀態檢修，應根據開關柜的主要故障并結合當前的技術水平和產品成本等因素綜合考慮監測項目。當前普遍認為應監測以下幾項:

(1)溫度監測:開關柜內母線室、電纜室、手車室和隔離觸頭都是應重點監測的部位。

(2)絕緣監測: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:監測內容有控制回路及電源、分合閘線圈電壓電流等。

(4)斷路器機械特性:包括監測動觸頭總行程，動觸頭超行程，動觸頭彈跳等;分合閘速度，合閘彈簧壓縮工況。動作過程中的機械振動，緩沖器性能，運動過程中有無碰撞、零件脫落等。

(5)斷路器電氣性能:開斷電流加權值、滅弧室真空度和主觸頭電阻等。

3高壓開關柜的監測方法

針對高壓開關柜的不同故障類型，相應有不同的故障監測方法。

(1)溫度在線監測包括母線連接處的溫度及斷路器觸頭溫度在線監測。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、硅片及玻璃構成的Fabryperot槽和GaAs晶體作為感溫元件，以光纖作為傳輸介質，這就有效地解決了電磁干擾問題。由于高壓開關觸頭處于高電壓、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾環境中，要實現對觸頭的測溫，必須解決電子測量裝置在上述惡劣環境條件下的適應性。目前測溫工作方式基本上采用被動式測溫或主動式測溫兩種形式。被動式測溫采用接收被測量點幅射出的遠紅外波，通過判斷遠紅外波長來確定測量點溫度;而主動式測溫則是通過埋設在測量點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，通過選擇適當的抗干擾措施及元器件能使監測儀既有較好的技術性能，成本又能保持在較低的水平上。

(2)電氣性能在線監測包括斷路器開斷電流加權值、滅弧室真空度等的監測。利用不同開斷電流下的等效磨損曲線，累計每次電流開斷所對應的相對電磨損，每臺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來標定，采用觸頭累積磨損量作為判斷其電壽命的依據。真空度的在線監測方法有很多，目前，國內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、電阻應變片法、微型冷陰極磁控計法、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量來在線檢測真空度的新方法。該方法使用了旋轉式電場探頭，在電場探頭離開屏蔽罩125mm時，仍具有較高的測量靈敏度。

(3)機械特性在線檢測，其監測的內容有:合、分閘線圈回路，合、分閘線圈電流、電壓，斷路器動觸頭行程，斷路器觸頭速度，合閘彈簧狀態，斷路器動作過程中的機械振動，斷路器操作次數統計等。目前，斷路器機械狀態監測主要有行程和速度的監測，操作過程中振動信號的監測等。斷路器操作時的機械振動信號監測是根據每個振動信號出現時間的變化、峰值的變化，結合分、合閘線圈電流波形來判斷斷路器的機械狀態。機械性能穩定的斷路器，其分、合閘振動波形的各峰值大小和各峰值間的時間差是相對穩定的。振動信號是否發生變化的判別依據是對新斷路器或大修后的斷路器進行多次分、合閘試驗測試，記錄穩定的振動波形，作為該斷路器的特征波形“指紋”，將以后測到的振動波形，與“指紋”比較，以判別斷路器機械特性是否正常。行程一時間特性監測是指通過光電傳感器，將連續變化的位移量變成一系列電脈沖信號。記錄該脈沖的個數，就可以實現動觸頭全行程參數的測量;同時，記錄每一個電脈沖產生的時刻值，就可計算出動觸頭運動過程中的最大和平均速度。因此測得斷路器主軸連動桿的分合閘特性，即可反映動觸頭的特性。監測儲能電機負荷電流和啟動次數可反映負載(液壓操作機構)的工況，也可判斷電機是否正常，同時反映液壓操作機構密封狀況。

(4)絕緣性能在線監測。高壓開關設備內部絕緣部分的缺陷或劣化、導電連接部分的接觸不良都使安全運行受到威脅。在絕緣上述情況下，在事故潛伏期都可能產生放電現象，故可以通過對放電的監測得到相關的信息。通常采用的監測方法有交流泄露電流在線監測和介質損耗角正切在線監測方法，而使用射頻法對開關柜內的絕緣和接觸不良的在線監測技術尚在探索中。

4結束語

由于高壓開關柜是多個電氣設備的組合，其內部涉及電、磁、溫度等多種物理現象，故障的表現形式和產生機理千差萬別，因此，應該采用多種方法結合來進行故障診斷。

(1)高壓開關柜常見的故障有拒動/誤動故障、開斷與關合故障、絕緣故障、載流故障等等，在線監測應針對這些故障確定監測項目。

(2)根據監測項目選擇合適的傳感器，是故障診斷準確與否的關鍵。

(3)開關柜自身結構的多樣性、工作狀態的多樣性及故障的隨機性和模糊性決定了在線監測和故障診斷的難度。

(4)通過在線監測實施狀態檢修功能實現的可能性在很大程度上取決于信號處理方法的先進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柜的特殊情況結合起來，有助于高壓開關柜的在線監測逐步走向應用。

參考文獻

【1】袁大陸.全國電力系統高壓開關設備十年運行狀況述評[J].高壓開關行業通訊，1999(5)

【2】黃琦瓏，關永剛.徐國政，等.高壓開關柜智能化狀態監測裝置的研制[J].電工技術雜志，2000(7)

【3】徐東茂，許一聲.高壓開關柜觸頭溫度在線監測的研究[J]高壓電器，2001(1)