高壓開關(guān)柜故障診斷技術(shù)

日期：2025-12-28 20:25

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摘要：

高壓開關(guān)柜故障診斷技術(shù)

高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備。現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，相應(yīng)地對(duì)高壓開關(guān)柜的可靠性也提出了更高的要求。同時(shí)，隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患并對(duì)累計(jì)性故障做出預(yù)測(cè)成為可能。它對(duì)于保證開關(guān)柜的正常運(yùn)行，減少維修次數(shù)，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和自動(dòng)化程度具有重要意義。

　　高壓開關(guān)柜分戶內(nèi)式和戶外式兩種，10kV及以下多采用戶內(nèi)式，根據(jù)一次線路方案的不同，可分為進(jìn)出線開關(guān)柜、聯(lián)絡(luò)開關(guān)柜、母線分段柜等。10kV進(jìn)出線開關(guān)柜內(nèi)多安裝少油斷路器或真空斷路器，斷路器所配的操動(dòng)機(jī)構(gòu)多彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)或電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，也有配手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)或永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的。不同的開關(guān)柜在結(jié)構(gòu)上有很大的差別，這將影響到傳感器的安裝和選擇。

1.高壓開關(guān)柜的故障表現(xiàn)及其原因

　　調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，高壓開關(guān)柜的故障主要有以下幾類：

　　（1）拒動(dòng)、誤動(dòng)故障：這種故障是高壓開關(guān)柜*主要的故障，其原因可分為兩類：一類是因操動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械故障造成；另一類是因電氣控制和輔助回路造成。

　　（2）開斷與關(guān)合故障：這類故障是由斷路器本體造成的，對(duì)少油斷路器而言，主要表現(xiàn)為噴油短路、滅弧室燒損、開斷能力不足、關(guān)合時(shí)爆炸等。對(duì)于真空斷路器而言，表現(xiàn)為滅弧室及波紋管漏氣、真空度降低、切電容器組重燃、陶瓷管破裂等。

　　（3）絕緣故障：表現(xiàn)為外絕緣對(duì)地閃絡(luò)擊穿,內(nèi)絕緣對(duì)地閃絡(luò)擊穿，相間絕緣閃絡(luò)擊穿，雷電過電壓閃絡(luò)擊穿，瓷瓶套管、電容套管閃絡(luò)、污閃、擊穿、爆炸，提升桿閃絡(luò)，ＣＴ閃絡(luò)、擊穿、爆炸，瓷瓶斷裂等。

　　（4）載流故障：7.2～12 ｋＶ電壓等級(jí)發(fā)生載流故障主要原因是開關(guān)柜隔離插頭接觸**導(dǎo)致觸頭燒融。

　　（5）外力及其他故障：包括異物撞擊，自然災(zāi)害，小動(dòng)物短路等。

2.高壓開關(guān)柜的監(jiān)測(cè)與診斷方法

　　針對(duì)高壓開關(guān)柜的不同故障類型，相應(yīng)有不同的故障檢測(cè)方法：

　　（1）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。文獻(xiàn)〔3〕根據(jù)徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)理論(RBF網(wǎng)絡(luò))，將健康振動(dòng)信號(hào)和斷路器實(shí)際振動(dòng)信號(hào)波峰幅值之差形成的殘差以及沖擊事件發(fā)生的時(shí)間作為斷路器故障診斷的特征參數(shù)，來判斷斷路器是否故障及故障類型。文獻(xiàn)〔4〕基于小波變換的信號(hào)奇異性檢測(cè)理論，對(duì)斷路器合閘時(shí)的振動(dòng)信號(hào)首先進(jìn)行小波去噪處理，提純有用信號(hào)。然后利用Hilbert變換提取信號(hào)包絡(luò)，對(duì)包絡(luò)進(jìn)行小波變換取得各尺度上的信號(hào)波形。*后根據(jù)小波變換各尺度上模極大值的傳遞性來計(jì)算信號(hào)包絡(luò)波峰的奇異性指數(shù)，以此作為斷路器故障診斷的一種特征參數(shù)，是一種新穎而比較有效的方法。

　　行程－時(shí)間特性監(jiān)測(cè)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(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)過程中的*大速度和平均速度。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))的工作狀況，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

　　（2）電氣性能在線監(jiān)測(cè)包括斷路器開斷電流加權(quán)值、滅弧室真空度等的監(jiān)測(cè)。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(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)。文獻(xiàn)〔5〕闡述了影響真空斷路器和某些SF6斷路器觸頭壽命的因素，提出了一種改進(jìn)的真空斷路器電壽命在線監(jiān)測(cè)方法，該方法考慮了各相實(shí)際的開斷過程和燃弧時(shí)間，準(zhǔn)確性有較大的提高，可以更加真實(shí)地反映各相的電磨損情況。

　　對(duì)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〔6〕、耦合電容法〔7〕、三相橋法與電弧電壓法〔8〕、電阻應(yīng)變片法〔9〕、微型冷陰極磁控計(jì)法〔10〕、吸氣劑膜法〔11〕。文獻(xiàn)〔12〕提出了一種通過測(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)探頭離開屏蔽罩125mm時(shí)，仍具有較高的測(cè)量靈敏度。

　　（3）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題。文獻(xiàn)〔 13〕介紹了Fabry-perot光微薄硅溫度傳感器在線測(cè)溫技術(shù)，該技術(shù)已在變電站設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)中應(yīng)用。

　　由于高壓開關(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，通過判斷遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)來確定測(cè)量點(diǎn)溫度；而主動(dòng)式測(cè)溫則是通過埋設(shè)在測(cè)量點(diǎn)的溫度傳感器直接測(cè)量溫度。文獻(xiàn)〔14〕介紹了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。該系統(tǒng)已成功地在國(guó)內(nèi)幾個(gè)變電站正常運(yùn)行(如杭州的武林變、廣州市的變電站等)。

　　（4）絕緣性能在線監(jiān)測(cè)。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**都使**運(yùn)行受到威脅。根據(jù)1989～1992年間國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)6～10ｋＶ開關(guān)柜事故統(tǒng)計(jì),絕緣和載流引起的故障占總數(shù)的40.2%，其中由于絕緣部分的閃絡(luò)造成的事故占絕緣事故總數(shù)的79.0%。而由于隔離插頭接觸**造成的事故占載流事故總數(shù)的71.1%〔15〕。可見，由絕緣和接觸**導(dǎo)致的故障所占比率是很高的，宜采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行監(jiān)測(cè)。在上述情況下，在事故潛伏期都可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過對(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，文獻(xiàn)〔16〕使用射頻法對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的絕緣和接觸**的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探索。

利用上述各種監(jiān)測(cè)方法可以較方便地獲取高壓開關(guān)柜的狀態(tài)參量和有關(guān)信號(hào)的波形。由于高壓開關(guān)柜內(nèi)電磁環(huán)境較為惡劣，某些信號(hào)的波形往往含有很多因干擾而產(chǎn)生的"毛刺"，這對(duì)從波形中提取有用信息十分不利。傳統(tǒng)的去除"毛刺"的辦法是低通濾波，由于"毛刺"主要由高頻成分組成，故信號(hào)經(jīng)過低通濾波后"毛刺"便被大大削弱了。但由于波形中可能存在有用的高頻成分，低通濾波會(huì)將這部分高頻成分也不加區(qū)別地除去，使波形發(fā)生失真。文獻(xiàn)〔17〕介紹了一種基于小波變換的高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)信號(hào)消噪方法，小波分析方法是一種窗口大小固定但其形狀可改變，時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，所以被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡。正是這種特性,使小波變換可以用于選擇性地去除信號(hào)中的"毛刺"。

3.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。

　　在傳統(tǒng)故障診斷方法的基礎(chǔ)上，將人工智能的理論用于故障診斷，發(fā)展智能化和自動(dòng)化的診斷方法，成為故障診斷的主要方向。設(shè)備故障診斷技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，需要借助各種有效的數(shù)學(xué)工具，如模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、分形幾何等，此外根據(jù)故障的某些特征進(jìn)行識(shí)別并加以分類的模式識(shí)別技術(shù)，根據(jù)故障與其特征量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析的函數(shù)識(shí)別法，對(duì)故障及其原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的概率統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)故障發(fā)生、發(fā)展的繼承和因果關(guān)系進(jìn)行分析的故障樹分析法，在數(shù)據(jù)不完整條件下的灰色識(shí)別方法在某些場(chǎng)合下也有應(yīng)用。

　　在各種智能診斷方法中，常用的是模糊診斷方法和人工智能專家診斷系統(tǒng)，它們都是以對(duì)故障與征兆之間的因果關(guān)系進(jìn)行正確分析為前提的。

　　高壓開關(guān)柜工作的可靠性直接影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得對(duì)高壓開關(guān)柜實(shí)施在線監(jiān)測(cè)成為可能，為高壓開關(guān)柜的在線故障診斷提供了前提條件。隨著高壓開關(guān)柜故障在線診斷技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)設(shè)備的管理和維修將發(fā)展到狀態(tài)維修的新階段。
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