GIS 高压隔离开关机械特性在线监测装置的研究与设计

（国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310009）

0 引言

在电力系统中，GIS（气体绝缘封闭组合电器）高压隔离开关的作用是： 在检修维护工作时将带电运行的电气设备与停电检修或处于备用的电气设备隔离开来，这就要求隔离开关必须有足够的开断隔离距离[1-4]。对于户外敞开式隔离开关，虽然可以通过肉眼观察到隔离开关的动作状态，但GIS 设备中的隔离开关是利用SF6气体将其封闭在绝缘筒内的，不能直接观测到动静触头的分合到位情况[5-7]，只能通过机构箱上的位置指针、汇控柜内的分合闸灯和后台位置来间接判定隔离开关的动作状态[8]。所以极易发生因传动轴套破裂、连杆材质不良引起的断轴、到位行程开关位置不正，最后导致机构分合不到位、动静触头开距不足、位置判定失效等故障。而此类故障如果发现不及时，将可能造成“带负荷拉隔离开关”“带接地开关送电”等恶性事故，严重危害到电网和人身安全[9-11]。

目前，行业内普遍通过检测支柱绝缘子裂痕、带点接触点温度等指标间接判断高压隔离开关的状态，例如应用绝缘子上的超声波探伤器、对触头进行红外线测温或者检测触头尾部的压力来判断动作状态。但是，直接对GIS 高压隔离开关操作机构机械状态进行在线监测，仍然缺乏行之有效的方法。国内外已有大量文献针对10～35 kV 中压开关设备机械状态监测展开研究，有文献指出10～35 kV 中压开关设备的分合闸操作储能弹簧驱动电磁铁线圈电流及储能弹簧驱动电机电流可以作为判断中压断路器机械特性的指标，而且可以通过软件模拟出电机的机械动态行进过程，进而有效反映操作机构的运行状态，其研究结果可作为220 kV GIS 高压隔离开关操作机构机械特性在线监测的重要参考依据。

结合已有文献研究成果，本文提出一种基于电流分析法的GIS 隔离开关动作状态监测装置。该装置首先对220 kV GIS 高压隔离开关分合闸过程中操作机构驱动电机电流进行采集，绘制电流-时间曲线，并与投运时电流-时间曲线及+5%包络线进行比对，进而判定隔离开关刀闸是否存在卡阻、隔离刀闸的分合过程是否完整、隔离开关的动静触头开距/插入深度是否到位等，并通过试验进行充分的验证和应用，装置研发成功能有效提高电网的运行可靠性。

1 GIS 高压隔离开关操作机构在线监测的技术难点

GIS 高压隔离开关主要作用是将高压设备与高压电网进行隔离[12]，因此它并不具备灭弧能力，也就不能直接投切负荷电流和开断短路电流[13-15]。通常，220 kV GIS 高压隔离开关通过驱动电机带动操作机构，实现隔离开关动静触头的分（合）闸动作，实现对带触点隔离开关设备主电路的开断与关合[16]。其中，隔离开关操作机构由连杆机构、驱动电机等部件组成，高压隔离开关的动静触头通过操作机构的驱动电机驱动连杆动作来可靠地完成分合闸操作，操作机构动作的特点是： 在执行动作时，机械机构瞬变，机构动作会伴随着冲击、振动；在闭合通电时，隔离开关又长时间不动作，一旦有故障发生，又会要求隔离开关动作稳定可靠。根据高压隔离开关机构动作的特点，高压隔离开关操动机构与传动机构的可靠运行尤为重要，对电力系统的安全运行起着关键作用。GIS 隔离开关操作结构在多次动作后，一些操作机构中连杆机构零部件的强度和刚度会变差，容易产生变形，从而导致隔离开关卡死，使之难以断开，造成故障。同时，由于GIS 高压隔离开关驱动电机带动操作机构完成的每一次分合闸投切动作，都会对隔离开关操作机构机械部件造成损伤，且存在损伤累加效应，因此对隔离开关机械特性进行在线监测是智能电网发展的必然趋势，也符合国家电网建设泛在电力物联网的需求[17-20]。

目前，220 kV GIS 高压隔离开关操作机构机械特性在线监测的技术难点在于： 由于GIS 设备中的隔离开关是封闭在绝缘筒内的，不能直接观测到隔离开关动静触头的分合到位情况，只能通过机构箱上的位置指针、汇控柜内的分合闸灯和后台位置来间接判定隔离开关的动作状态，如图1 和图2 所示。现阶段对于此类缺陷的反措手段多是对GIS 连杆进行划线，但存在以下几点不足： 部分厂家的机构连杆在机构箱内部，无法划线；划线方式不仅工作量大，而且大量倒闸操作还存在安全隐患；标识线的观测手段严重不足，GIS 结构紧凑，观测存在盲区，夜间难以观测；传动轴和动触头连接若脱扣，划线标识无法起到作用。

2 GIS 高压隔离开关操作机构机械特性在线监测原理

2.1 基于电流法的GIS 隔离开关操作机构机械特性在线监测原理

图1 指针指示刀闸在合闸位置

图2 指针指示刀闸在分闸接地位置

高压隔离开关一般采用220 V 交流异步电动机通过连杆驱动操作结构，而连杆操作机构扭矩大小可由驱动电机扭矩反映出来，电机扭矩大小又与电机工作电流存在一定的对应关系[4]。为了实现对隔离开关操作机构机械特性的在线监测，需要研究操作机构驱动的电动机特性并分析其数学模型，异步电动机T 型简化等效电路模型如图3 所示。

图3 异步电动机T 型简化等效电路模型

图3 中，r1，x1分别为异步电动机定子绕组等效电阻和等效漏电抗；r2′，x2′分别为折算到定子上后电机转子绕组等效电阻和等效漏电抗；rm，xm分别为异步电动机等效励磁电阻和等效铁芯励磁电抗；分别为异步电动机等效定子电动势和等效后的转子电动势；s 为转差率。

异步电动机刚启动时，电机转速为零。电机转子处于堵转状态，n=0，则s=1，代表电机轴上机械负载的附加电阻，相当于简化等效电路负载处于短路状态，阻抗减小，电流增加，故电机启动瞬时电流很大。

同时根据公式：

式中： T 为电机转矩；KT为比例系数；Φm为气隙磁通；I 为电机电流。当电机扭矩T 增大时，根据式（1），可以看出电流也随之增加，因此操作机构驱动电机电流大小可以间接反映出操作机构连杆受力状况。

通常，隔离开关操作机构驱动电机线圈额定电流为1～2 A，而驱动电机带载时瞬间启动电流较大，为此采用20 A：1 A 交流电流互感器采集驱动电机线圈电流，并绘制电流-时间曲线及+5%包络线，如图4 所示。根据电流-时间曲线及其包络线，可以判断出GIS 高压隔离开关操作机构是否存在卡涩、开距不足、电机线圈断线、断杆及隔离开关刀口合闸不到位等故障。

图4 电机线圈电流-时间曲线关系

图4（a）为合闸位到分闸位电流随时间变化曲线，分闸位通常也是接地位，从合闸位的动静触头刀口脱离开始到分闸位，在分闸瞬间，即电机从静态启动，电流有冲击，直到分闸位结束前驱动电机运行过程中电流基本没有变化，到达分闸位后电机停止，电流恢复到零值。图4（a）绘出了电流-时间曲线及+5%包络线，通常将运维检修后或首次投运时的电流-时间曲线及+5%包络线进行存储，将历史曲线同存储的电流-时间曲线及+5%包络线进行比对，若偏离则说明隔离开关操作机构存在问题。

图4（b）为分闸位到合闸位随时间变化曲线，从分闸位到动静触头接触时的合闸位，在合闸瞬间，即电机从静态启动，电流有冲击，一直到合闸位进入刀口前运行过程中电流基本没有变化，动静触头接触后进入刀口电流开始增加，到达完全合闸后电机停止，电流恢复到零值。图4（b）绘出了电流-时间曲线及+5%包络线，通常将运维检修后或首次投运时的电流-时间曲线及+5%包络线进行存储，将历史曲线同存储的电流-时间曲线及+5%包络线进行比对，若偏离则说明隔离开关操作机构存在问题。

对比发现，图4（b）后段电流比图4（a）后段电流大，电流出现一定的突起状，其原因在于GIS隔离开关从动静触头接触开始进入合闸位时，为了保证动静触头可靠接触，动静触头靠弹簧压力接触，阻力较大，这2 组曲线描绘了隔离开关完整的动作过程。若图4（b）中后段阻力消失，则表明隔离刀没有进入刀口；若后段阻力变短，则表明动静触头压力减小，存在接触面积减小的可能；若曲线消失，表明驱动电机线圈断线；若中间段电流超出正常值，则表明机构存在卡涩等。

2.2 基于角位移传感技术的GIS 高压隔离开关机械状态在线监测原理

GIS 隔离开关操作机构通常是旋转运动，而旋转角度和具体运动位置与驱动电机旋转角度和运动位置是一一对应的，通过隔离开关操作机构驱动电机的旋转角度可以间接获得GIS 隔离开关具体运动位置，为此通过将旋转式角位移传感器固定在驱动电机的转轴上，利用安装在电机轴上的旋转式角位移传感器可以间接获得隔离开关操作机构连杆的旋转角度和旋转位置，通过旋转式角位移传感器采集旋转式电位器阻值的变化数据可准确判断出隔离开关所处位置及状态，即隔离开关触头处于合闸位、分闸位还是中间位。图5所示为驱动电机旋转角度随时间变化曲线，其中A 点表示机械结构所处位置为分闸位，B 点为中间某一位置，C 点为合闸位。由于电机旋转角度运行时间与分合闸动作时间完全一致，根据隔离开关动静触头行程-时间曲线，再结合操作机构驱动电机分合闸电流-时间曲线，可以更加准确地判断出隔离开关的动静触头开距、刀闸插入深度及机构存在卡涩具体位置等信息，同时根据总行程及总运行时间，也可以获得隔离开关分合闸平均速度。

3 隔离开关操作机械特性在线监测装置的设计

图5 隔离开操作机构驱动电机旋转角度随时间变化曲线

GIS 隔离开关在工作时易发生操作机构操作杆失灵、分合闸过程机构卡涩、分合闸动静触头接触不到位、操作杆断杆、驱动电机线圈断线等故障，进而影响GIS 隔离开关正常分合闸操作，类似事故已发生多起，威胁到电网运行安全。为此，本文提出一种基于电流分析法的GIS 隔离开关动作状态监测装置，该装置首先对隔离开关分合过程中的操作机构驱动电机电流进行数据采样，将采样数据反馈至分析模块进行数理分析，再将采集的电流-时间曲线与投运初期的电流-时间曲线及+5%包络线进行比对，可以判定隔离开关刀闸是否存在卡阻、刀闸的分合过程是否良好、隔离开关动静触头开距及刀闸插入深度是否到位，并结合隔离开关操作杆行程-时间曲线可以准确判断出故障的具体位置。

大部分隔离开关操作机构采用单相交流异步电动机驱动，所以交流电机电磁线圈的电流波形中包含着诊断机械故障的重要信息。为了实现对其电磁线圈电流的监测，设计时采用开口式电流互感器测量操作机构驱动电机线圈电流，并经信号调理后送到A/D 采集电路，由微处理器电路处理后获得电流值，旋转式角位移传感器选用10 kΩ 高精度旋转式电位器，且将旋转式位移传感器同步安装在操作机构驱动电机转轴上，旋转式电位器旋转角度与电阻值一一对应，通过电阻值的变化，进而获得电机角度的变化。为了将电阻值再转化为电压值，设计时给10 kΩ 高精度旋转式电位器加入3.3 V DC 电压信号，根据电阻分压原理即可获得电压信号，即从10 kΩ 高精度旋转式电位器中间输出端获得分压后的电压信号，电压信号的大小与电机旋转角度成正比，其原理框图如图6 所示。

分闸位到合闸位命令输入通过控制驱动电机正转的继电器的一对常开辅助触点给微处理器传送合闸控制信号，微处理器电路接收到合闸命令后开始采集电流和电机角度信号，待合闸到位后，合闸位状态发生改变，此时微处理器电路停止信号采集。

图6 GIS 高压隔离开关机械特性在线监测装置原理框图

同样，合闸位到分闸位命令输入通过控制驱动电机反转的继电器一对常开辅助触点给微处理器传送分闸控制信号，微处理器电路接收到分闸命令后开始采集电流和行程信号，待分闸到位后，分闸位状态发生改变，此时微处理器电路停止采集。

采用分合闸命令控制微处理器同步采集电流和电机旋转角度，可以保证电流和电机旋转角度信号采集的同步性，同时微处理器电路接收到分闸位状态或合闸位状态改变立即停止采集。

3.1 在线监测装置的电流采集电路设计

为采集操作机构驱动电机电流，选用0.5 级20 A∶20 mA 开口式电流互感器，同时为了将交流电流信号转换为交流电压信号，在开口式电流互感器二次输出端并联1 个1 kΩ/3 W 的精密采样功率电阻，然后通过全桥整流电路和电容滤波电路获得直流电压信号，将电压信号传送至高速A/D 采集芯片进行电压信号采集。GIS 高压隔离开关操作机构驱动电机电流、角位移传感器电压信号均需要用到A/D 模数转换，因此模数转换的精度、转换速度至关重要，STM32 微处理器自带模数转换器转换速度慢、转换精度低，因此，本文选用高速模数转换器芯片AD9226 对监测电压信号进行采集。

3.2 EEPROM 存储电路设计

考虑到需要保存电流包络线以及存储历史数据，在线监测装置选用铁电存储芯片MB85RC64V，该芯片读写次数可达10 亿次。同时，在55 ℃的温度测试环境下，该芯片至少可以持续运行长达10 年，其工作温度为-40 ℃～80 ℃，完全可以应对我国大部分地区的工作环境。MB85RC64V 存储芯片采用SOP8 的封装设计，采用IIC 的通信方式与微处理器进行数据通信，其最大通信频率为400 kHz，功耗较低，工作电压为2.7～3.3 V，为保证IIC 的2 根数据线能够稳定传输数据，在SDA 和SCL 两端分别接1 kΩ 上拉电阻，以确保信号传输的可靠性。

4 在线监测装置性能测试

4.1 在线监测装置实验室电流标定试验

由于高压隔离开关操作机构驱动电机大多采用220 V 单相交流异步电机，工作电流一般在1～2 A，为了能够准确测量出高压隔离开关操作机构的驱动电机电流，需绘制出电流-时间曲线，以便获得操作机构的机械特性，这就要求电机驱动电流值测量必须准确。因此，在实验室对在线监测装置进行电流测量标定试验试时，主要借助0.5 级多功能三相电测量仪表校验装置，该校验装置操作简单，使用方便。通过设置校验装置输出的标准电流，由在线监测装置对标准电流值进行测量，对比电流测试数据如表1 所示。

表1 校验装置设定电流与在线监测装置实测电流对比

经过实验标定与测试，校验装置产生的标准电流与监测装置测量的电流数值误差小于1%，满足设计要求。

4.2 在线监测装置现场测试试验

为了验证在线监测装置现场的适应性及监测的可行性，在某供电公司新建220 kV 变电站220 kV GIS 隔离开关上安装了1 套在线监测装置，并进行了实际操作试验。测试时将开口式电流互感器串入被测电机电源回路上，旋转电位器固定在电机转轴上，这样就可以监测到隔离开关操作机构驱动电机线圈电流，绘制电流-时间曲线，利用旋转位移传感器监测操作机构旋转角度，进而获得分合闸动静触头行程-时间曲线。

分合闸动静触头行程-时间曲线如图7 所示，从图中接地位到合闸位电流随时间变化曲线可以看出： 电机全压启动瞬间电流冲击较大，之后电流趋于平缓，最后当刀闸进入刀口时阻力增加，且此时位置传感器行程达到最大位置（图中右下方直线），完成一个完整的接地位到合闸位的动作过程。图中绘出了电流-时间±5%包络线，其中，系列1 为正常运行时的电流-时间曲线，系列2为+5%包络线，系列3 为-5%包络线。同时根据图中曲线可以对隔离开关机械结构状况进行分析判断，若电流-时间曲线偏离且高于投运时记录的电流-时间曲线，则表明隔离开关操作机构存在卡涩现象，且通过行程-时间曲线可以判断机构卡涩的具体位置；若曲线消失，则说明驱动电机线圈断线。

图7 驱动电机线圈电流-时间关系曲线

从图7 可以直接看出GIS 隔离开关动作前后所处的位置，从接地位到隔离位的动作过程，即合闸过程；从隔离位到接地位，即分闸的动作过程；同时还可以显示动作过程中各个时刻的电流值，根据某个点出现电流突变，结合动静触头行程-时间曲线就可以对隔离开关具体的故障点进行定位。

5 结语

本文针对高压隔离开关操作机构机械特性在线监测难题，研制了GIS 高压隔离开关操作机构机械特性在线监测装置。通过监测操作机构驱动电机线圈电流和电机旋转角度，结合分合闸时驱动电机线圈电流值、电流-时间曲线及行程-时间曲线可以准确判断驱动电机线圈是否断线、操作机构是否存在卡涩及卡涩位置，获取隔离开关合闸时动静触头接触面积及接触压力、隔离开关开距、合闸时刀闸插入插深度等操作机构机械特性的重要信息；根据操作机构驱动电机电流值、电流-时间曲线及投运时电流-时间及+5%包络线，再结合电机行程-时间曲线可以准确判断出隔离开关操作机构机械故障具体类型及具体位置，同时可以根据统计的分合闸动作次数预测高压隔离开关机械寿命。基于电流识别及角位移混合方法研制的高压隔离开关操作机构工作状态在线监测装置，为GIS 高压隔离开关机械特性在线监测提供了一种重要监测手段，经在某供电公司220 kV GIS 高压隔离开关上试用，表明该监测方法简单易行、安全可靠。