高壓開(kāi)關(guān)柜故障診斷技術(shù)

日期：2025-09-27 23:58

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摘要：

高壓開(kāi)關(guān)柜故障診斷技術(shù)

高壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，相應(yīng)地對(duì)高壓開(kāi)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(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)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(kāi)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(kāi)關(guān)柜分戶(hù)內(nèi)式和戶(hù)外式兩種，10kV及以下多采用戶(hù)內(nèi)式，根據(jù)一次線(xiàn)路方案的不同，可分為進(jìn)出線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)柜、母線(xiàn)分段柜等。10kV進(jìn)出線(xiàn)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)柜的故障主要有以下幾類(lèi)：

　　（1）拒動(dòng)、誤動(dòng)故障：這種故障是高壓開(kāi)關(guān)柜*主要的故障，其原因可分為兩類(lèi)：一類(lèi)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(lèi)是因電氣控制和輔助回路造成。

　?。?）開(kāi)斷與關(guān)合故障：這類(lèi)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(kāi)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(guò)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。

　?。?）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(kāi)關(guān)柜隔離插頭接觸**導(dǎo)致觸頭燒融。

　?。?）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(kāi)關(guān)柜的監(jiān)測(cè)與診斷方法

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

　?。?）機(jī)械特性在線(xiàn)檢測(cè)，其監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有：合、分閘線(xiàn)圈回路，合、分閘線(xiàn)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(xiàn)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。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(lái)判斷斷路器是否故障及故障類(lèi)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(lái)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(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*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

　?。?）電氣性能在線(xiàn)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(xiàn)，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(mǎn)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)。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(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，該方法考慮了各相實(shí)際的開(kāi)斷過(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(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(xiàn)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。

　?。?）溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)包括母線(xiàn)連接處的溫度及斷路器觸頭溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。用于母線(xiàn)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。文獻(xiàn)〔 13〕介紹了Fabry-perot光微薄硅溫度傳感器在線(xiàn)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(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。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(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。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)。

　?。?）絕緣性能在線(xiàn)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**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(kāi)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〕?？梢?jiàn)，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(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(xiàn)監(jiān)測(cè)和介質(zhì)損耗角正切在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，文獻(xiàn)〔16〕使用射頻法對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的絕緣和接觸**的在線(xiàn)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(kāi)關(guān)柜的狀態(tài)參量和有關(guān)信號(hào)的波形。由于高壓開(kāi)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(guò)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(kāi)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(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。

　　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(mén)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(lèi)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(shù)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(zhuān)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(kāi)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(kāi)關(guān)柜實(shí)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)成為可能，為高壓開(kāi)關(guān)柜的在線(xiàn)故障診斷提供了前提條件。隨著高壓開(kāi)關(guān)柜故障在線(xiàn)診斷技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)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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