电流分析法的GIS隔离开关动作状态监测装置

黄新晓

摘  要：GIS设备中的隔离开关是封闭在绝缘筒内的，不能直接观测到动静触头的分合到位情况。当发生传动轴套破裂、连杆断轴等故障时，机构很可能会出现分合不到位。如果现场发现不及时，进一步将造成“带负荷拉刀闸”、“带地刀送电”等事故事件，严重危害电网和人身安全。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，通过对电机电流进行采集分析，判定分合过程是否完整到位，为GIS隔离开关的动作到位情况提供了一种重要监测手段。

关键词：GIS、隔离开关;分合不到位;电机电流;监测装置

引言

GIS设备由于其结构特点的限制，动静触头的分合到位情况无法从外观察，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刀闸的動作到位情况。当出现传动轴套破裂、连杆断轴等故障时，可能导致刀闸机构分合不到位，而上述间接判定刀闸动作状态的方法无法对此类故障进行有效反应和预警。

本文提出了一种基于电流分析法的GIS隔离开关动作状态监测装置。通过对GIS高压隔离开关分合闸过程中的驱动电机电流进行采集，并将采集的数据反馈至预先设定好的模块进行数理分析，根据分析结果判定隔离开关是否存在卡阻以及分合过程是否完整到位等，为GIS隔离开关的动作状态情况提供了一种重要监测手段。

一.动作状态监测装置技术方案

1.1基于电流分析法的技术原理

隔离开关分合的转动是靠电机转轴的输出驱动，而电机的转轴输出力矩与电机电流的平方是成线性关系的，因此可以通过电机电流的时间波形来判断隔离开关分合动作状态。

本装置通过电机电流的时间变化趋势作为 GIS 隔离开关动作状态判断依据，从而实现GIS隔离开关动作机械状态在线监测及状态判定。具体技术设计是采用分体结构设计，通过固定安装在操作箱内的霍尔电流传感器及监测装置，负责对GIS隔离刀闸动作时的电机工作电流进行实时监测，并通过蓝牙无线接口将数据发送致现场分析仪进行分析处理，根据建立好的分析模型对其状态进行判定。

1.2 各组成部分：

主要由霍尔电流传感器、监测装置、现场分析仪三部分组成。

如图一所示，霍尔传感器通过屏蔽电缆，采用航空接头与监测装置连接，监测装置通过无线蓝牙模块配对后自动与在线测试仪连接。同时监测装置有网络通讯接口，方便与后台监测系统进行扩展连接。

1.3 各模块功能原理：

（1）霍尔传感器：采用开合式结构、可在不断开被测回路的情况下将传感器安装在电机电流回路线上，方便施工，体积小，重量轻，采用单电源供电，输出为2.5±0.625V，最大量程10A。

（2）监测装置：由前端信号调电路对霍尔传感器输出信号进行放大、滤波处理后，送至模数转换电路，经单片机测控单元采样后并进行存储。存储器由SRAM存储器及大容量FLASH存储器组成，SRAM存储器用进暂存高速AD转换数据，转换完成后将SRAM数据备份至大容量FLASH存储器中。开关量输入电路用于记录电机通电开始时刻及停止时刻、GIS隔离开关操作电机的电源回路接通接触器具有多路辅助继电器接点，一般具有从分位至合位过程辅助接点，从合分到分位过程辅助接点，分闸状态辅助接点、合闸状态辅助接点四个辅助接点，分别通过光耦隔离电路隔离后，送至单片机IO输入口。网络接口模块用于与后台监测系统进行通讯连接，为可扩展功能。

（3）现场分析仪：数据分析诊断仪硬件由嵌入式工控机、主频1Ghz以上，10寸全触彩色人机交互模块、微型打印机、模具化ABS防护箱外壳、100G以上存储空间，内置可充电锂电池组，无需要外部工作电源，内嵌软件故障诊断分析专家系统组成。实现与在线监测器进行通讯连接、建立初始正常工作状态信号波形数据库，建立故障诊断判据，通过读取当次分、合闸波形进行对比分析处理及故障诊断。一台现场分析仪可对应多个监测装置。

二、现场应用方案

一个变电站具有多个GIS隔离开关，每个隔离开关可以对应安装一个霍尔传感器和监测装置，而一个现场分析仪可以对应多个在线监测装置，如图七所示。当隔离开关需要操作分合时，在线监测装置实时记录并存储当前动作的电流时间数据。现场分析仪则通过匹配好的蓝牙列表中选择当前监测装置并与之进行无线通讯、读取正常电流时间数据及当前动作电流时间数据，现场分析仪对读取到的数据提取关键特征参量，通过建立好的故障模型进行对比分析，依据判据模型进行自动判断并给出判定结果，同时将两次波形曲线按不同颜色通过液晶屏显示出来，供人工分析诊断。

三、关键技术与创新点

1）基于电机电流时域波形分析法，建立故障特征数字模型，针对特征异同进行对比分析，从而得出刀闸动作情况。采用这种方法，完全不会受到传动轴套破裂、断轴等故障的影响，弥补了现有判定手段的不足，为GIS隔离开关分合动作是否到位提供准确的判定。

2）分体式结构：由固定安装于机柜内的在线监测器和可移动便携数据分析诊断仪组成。两者通过无线（蓝牙）通讯连接时行数据交互，采用并联无损安装，对原装置系统无任何影响，保证技术应用安全性;采用一对多的工作模式，降低装置成本，为该项技术推广应用得以保证，实现经济效益。

3）在线监测器：采用通用35mm导轨式安装在GIS操作箱内，支持有线、无线通讯接口扩展，支持扩展后台服务器连接，实现高速模拟量采样存储及开关量输入。

4）数据分析诊断仪：全触屏便于现场操作，用于与在线监测器进行通讯连接、读取数据，建立数据模型、现场数据分析处理及诊断。

四、结束语

针对GIS隔离开关分闸到位难判断问题，本文提出了一种基于电流分析法的GIS隔离开关动作状态监测装置。通过对GIS高压隔离开关分合闸过程中的驱动电机电流进行采集，并将采集的数据反馈至预先设定好的分析模块进行数理分析，根据分析结果判定隔离开关刀闸是否存在卡阻以及隔离开关的分合过程是否完整到位等，为GIS隔离开关的动作状态情况提供了一种重要监测手段，同时可以让工作人员及早发现刀闸机构的隐患点，防患于未然。

参考文献

[1]司维，司洪孝.220kV GIS隔离开关机械特性的研究与改进[J].高压电器，2018，54（03）：243-250.

[2]邱志斌，阮江军，黄道春，姚文军，张恩伟，魏晓伟.基于电机电流检测的高压隔离开关机械故障诊断[J].中国电机工程学报，2015，35（13）：3459- 3466.