高压开关柜在线监测与故障分析

斯鹰

【摘要】介绍了高压开关拒的故障类型及特点，分析了开关柜的特性及其与故障的关系，并指出了开关柜状态检修进行在线监测的对象及开关拒在线监测的方法。

【关键词】 高压开关柜 在线监测 故障分析

0引言

高压开关柜是按一定的线路方案将有关一、二次设备组装而成的一种高压成套配电装置。在发电厂和变配电所中用于控制和保护发电机、变压器、和高压线路，也可用于启动和保护大型高压交流电动机。柜中安装有高压开关电器(断路器、隔离开关、接地刀闸)、保护电器、监测仪表、支持绝缘子和母线等。其中高压断路器为主体，所用的断路器有少油断路器、真空断路器和SF6断路器等。目前国内应用的高压开关柜大量为10KV电压级，35KV者较少，63KV的小车柜刚起步。

开关柜发生故障，直接的危害是被电器设备所保护的线路、设备受损，电量损失;间接的危害则是造成用户大面积停电。为确保供电的可靠性，电力部门采取定期试验和检修的办法来保证开关柜正常运行。定期检修增加了电力设备的运行费用和停电时间，甚至于增加了设备的故障率，并且在检修的间隔还是有故障发生。因此，迫切需要对开关柜实行状态检修，对设备运行状况进行实时和定时的在线监测，根据设备的运行状态和绝缘的劣化程度，确定检修时间和措施，减少停电时间和事故的发生，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。

1高压开关柜的故障类型及特点

要进行状态检修对设备实行在线检测，必须对故障的类型特点进行分析从而确定检测的项目。由于高压开关柜是多个电气设备的组合，其内部涉及电、磁、温度等多种物理现象，故障的表现形式和产生机理千差万别，因此要对开关柜进行在线监测并做出较准确的故障判断乃至故障预测，必须了解开关柜的工作特性和故障特点。

1.1元件的多样性

元件的多样性导致了故障形式的多样性，开关柜内存在多个电气元件，不同的元件有不同的故障表现。例如，对于母线，其故障表现为连接处的接触电阻过大从而引起异常升温;对于绝缘拉杆，其故障表现为绝缘性能下降。故障形式的多样性给传感器的选择带来了困难，所选传感器的类型、性能、数量和安装部位将直接關系到诊断的可信度。

1.2状态的多样性

在不同的应用场合，开关柜的工作状态有很大差别。例如对于其中的断路器而言，有些断路器需要频繁接通与分断，而有些断路器则在投运后，几乎不动作，有些在寿命期限内要多次开断短路电流，而有的则一次都不用开断。这种工作状态上的差异性给断路器的在线监测和故障诊断带来了困难。例如通过断路器动触头的行程曲线，可以获知断路器操动机构的运行情况，但如果断路器投运后，长期不执行分断关合动作，则无法获取行程曲线。

1.3故障的随机性和模糊性

电气设备的故障不仅取决于设备的当前状态，还跟它的历史状态有关系;同一种故障可能是由不相关的多种原因造成的，而同一种原因又可能造成不同的故障。对于同样的状态参数，故障可能发生也可能不发生，故障的严重程度也会有差别。所有这些都表明，开关柜的状态变量与故障特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系，这种映射关系也反映了故障发生的随机性和模糊性。

通过对近10年来全国高压开关设备运行情况的调查和数据统计，将高压开关柜的主要故障分为以下几类:

(1)拒动、误动故障。

(2)开断与关合故障。

(3)绝缘故障。

(4)载流故障。

(5)外力及其他故障。

2高压开关柜的监测项目

根据上述分析开关柜状态检修，应根据开关柜的主要故障并结合当前的技术水平和产品成本等因素综合考虑监测项目。当前普遍认为应监测以下几项:

(1)温度监测:开关柜内母线室、电缆室、手车室和隔离触头都是应重点监测的部位。

(2)绝缘监测:主要有母线绝缘、套管绝缘、支柱绝缘、电缆绝缘和互感器绝缘等。

(3)控制回路:监测内容有控制回路及电源、分合闸线圈电压电流等。

(4)断路器机械特性:包括监测动触头总行程，动触头超行程，动触头弹跳等;分合闸速度，合闸弹簧压缩工况。动作过程中的机械振动，缓冲器性能，运动过程中有无碰撞、零件脱落等。

(5)断路器电气性能:开断电流加权值、灭弧室真空度和主触头电阻等。

3高压开关柜的监测方法

针对高压开关柜的不同故障类型，相应有不同的故障监测方法。

(1)温度在线监测包括母线连接处的温度及断路器触头温度在线监测。用于母线连接处温升测量的常用传感器有石英传感器、光微薄硅温度传感器和吸收型光纤温度传感器，它们分别以石英晶体、硅片及玻璃构成的Fabryperot槽和GaAs晶体作为感温元件，以光纤作为传输介质，这就有效地解决了电磁干扰问题。由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前测温工作方式基本上采用被动式测温或主动式测温两种形式。被动式测温采用接收被测量点幅射出的远红外波，通过判断远红外波长来确定测量点温度;而主动式测温则是通过埋设在测量点的温度传感器直接测量温度。一种采用红外光电隔离及高压供电方式测量触头温度的方法，通过选择适当的抗干扰措施及元器件能使监测仪既有较好的技术性能，成本又能保持在较低的水平上。

(2)电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测。利用不同开断电流下的等效磨损曲线，累计每次电流开断所对应的相对电磨损，每台断路器的允许电磨损总量由其额定短路开断电流及允许开断满容量次数来标定，采用触头累积磨损量作为判断其电寿命的依据。真空度的在线监测方法有很多，目前，国内外真空灭弧室真空度的在线检测方法主要有:光电变换法、耦合电容法、三相桥法与电弧电压祛、电阻应变片法、微型冷阴极磁控计法、吸气剂膜法。一种通过测量屏蔽罩的直流电位，即屏蔽罩上积聚的静电荷数量来在线检测真空度的新方法。该方法使用了旋转式电场探头，在电场探头离开屏蔽罩125mm时，仍具有较高的测量灵敏度。

(3)机械特性在线检测，其监测的内容有:合、分闸线圈回路，合、分闸线圈电流、电压，断路器动触头行程，断路器触头速度，合闸弹簧状态，断路器动作过程中的机械振动，断路器操作次数统计等。目前，断路器机械状态监测主要有行程和速度的监测，操作过程中振动信号的监测等。断路器操作时的机械振动信号监测是根据每个振动信号出现时间的变化、峰值的变化，结合分、合闸线圈电流波形来判断断路器的机械状态。机械性能稳定的断路器，其分、合闸振动波形的各峰值大小和各峰值间的时间差是相对稳定的。振动信号是否发生变化的判别依据是对新断路器或大修后的断路器进行多次分、合闸试验测试，记录稳定的振动波形，作为该断路器的特征波形“指纹”，将以后测到的振动波形，与“指纹”比较，以判别断路器机械特性是否正常。行程一时间特性监测是指通过光电传感器，将连续变化的位移量变成一系列电脉冲信号。记录该脉冲的个数，就可以实现动触头全行程参数的测量;同时，记录每一个电脉冲产生的时刻值，就可计算出动触头运动过程中的最大和平均速度。因此测得断路器主轴连动杆的分合闸特性，即可反映动触头的特性。监测储能电机负荷电流和启动次数可反映负载(液压操作机构)的工况，也可判断电机是否正常，同时反映液压操作机构密封状况。

(4)绝缘性能在线监测。高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁。在绝缘上述情况下，在事故潜伏期都可能产生放电现象，故可以通过对放电的监测得到相关的信息。通常采用的监测方法有交流泄露电流在线监测和介质损耗角正切在线监测方法，而使用射频法对开关柜内的绝缘和接触不良的在线监测技术尚在探索中。

4结束语

由于高压开关柜是多个电气设备的组合，其内部涉及电、磁、温度等多种物理现象，故障的表现形式和产生机理千差万别，因此，应该采用多种方法结合来进行故障诊断。

(1)高压开关柜常见的故障有拒动/误动故障、开断与关合故障、绝缘故障、载流故障等等，在线监测应针对这些故障确定监测项目。

(2)根据监测项目选择合适的传感器，是故障诊断准确与否的关键。

(3)开关柜自身结构的多样性、工作状态的多样性及故障的随机性和模糊性决定了在线监测和故障诊断的难度。

(4)通过在线监测实施状态检修功能实现的可能性在很大程度上取决于信号处理方法的先进性和诊断方法的可靠性，如果能够成功地将目前已有的一些方法跟开关柜的特殊情况结合起来，有助于高压开关柜的在线监测逐步走向应用。

参考文献

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