高压开关柜设备状态的智能监测及诊断研究

伊犁新天煤化工有限责任公司 朱 荣 刘京帅 朱 涛 俞爱军 陈朝晖

受益于当前基础科学技术的发展进步，高压开关柜设备在运行过程中也结合了多项时代前沿性技术的使用，如5G技术、物联网技术、大数据分析技术，实现了对开关柜设备实时运行状态的智能监督和监测，提高了设备运行的质量和效率。在此过程中，设计师需根据当前高压开关柜设备的实际运行需求来合理优化对其所实施的监测管理作业，确保对开关柜设备的监测管理具备针对性和侧重性，且采集到有用的数据信息，及时调整开关柜设备的实际运行状态，最大限度地减少非计划停电的现象。

1 高压开关柜智能监测系统

高压开关柜智能监测系统主要包含软件部分和硬件部分，其具备的特征如下。

1.1 硬件设计部分

高压开关柜智能监测系统的硬件组成部分大体上可分为三个层级，在基础应用收集层级中涉及到各种各样的传感器以及连接设备，如变压器真空开关、开关柜、电缆等，当数据采集层完成对数据的收集之后会将相应的信号资料传递到数据处理层级，而在数据处理层级又涉及到两个方面的处理内容，即前端处理与后端处理，当完成数据信息的处理之后相应的系统会将相关资料以计算机指令的形式进行传递来操控对应的自动化设备、PNS，来做出在特定环境状态下对设备的应急调整[1]。

在前端监测单元结构中，主要是以中央处理器以及信号调整单元为主，之后再借助对应的信息处理单元、通信单元以及数据信息储存单元来完成信号数据的整理、整顿、分析；此外还需要结合供电单元为各种机电设备以及传感器设备提供基本的电源；并且还包含相应的防护壳体来完成对设备的实体保护。在数据采集层面涉及到监测前端的设计内容，而在监测前端的设计内容中涉及到通信模块，对应的通信模块通常以无线网以及移动通讯信号通讯为主，通过建设对应的监测前端以及客服终端，借助服务器来实现数据信息以及相关指令的传递、传输，借助不同的网络通信形式来构建不同类型的通讯网络[2]。

1.2 软件设计部分

软件设计部分作为支撑各项硬件设施高效运转的主要元素，在现有高压开关柜智能监测系统的设计中具备重大的意义，是作为整个监控系统的控制管理核心部分。相应的软件系统主要实现对状态组合的分析以及实施过程管控，完成对数据的验证处理，整个软件板块包含登陆试验过程、数据处理、任务组态、状态评估等诸多板块内容，具体来说，在对应的登录板块可分为管理人员和试验人员登陆部分；而在试验过程板块则涉及到操作控制、参数记录以及数据分析、录入等；在数据处理板块包含数据查询、检索、对比、上传；在辅助功能板块又涉及到报告清单打印以及规程查询；在状态评估板块包含对设备的综合评估以及单一试验评估。其涉及到的内容相对较多，共同辅助各种软硬件设施，实现其高效、稳定的运转。总之，在对应的软件设计板块，其侧重实现对现场的温度、停电、带电状况进行动态化管控，并且还需要实现对局部放电进行有效监测、处理和诊断，整个软件设计所涉及到的编程语言通常为c++。

无论是在硬件板块还是在软件板块，设计师在对其进行设计打造的过程中都应当结合现场工作的具体开展需求，融合高压开关柜智能监测内容以及监测类型，实施对相关软硬件设施的精细化建设和打造，来满足具体的检测需求。

2 高压开关柜状态监测内容

当今物联网时代传感器技术得到了快速的发展，相应的数据信号处理技术及人工智能技术在各行各业得到广泛使用,在高压开关柜设备状态监测作业中结合此类高新技术能使得针对高压开关柜设备的故障诊断更加精确、可靠，并及时借入高新技术来完成对现有诊断系统的优化。实施对高压开关柜设备运行状态的在线监测具备较大的现实意义，结合常态化的监测数据及对当前开关柜的实时运行状态进行检修后能够使得后续针对开关柜设备维护管理的工作量进一步缩减，降低非计划停电概率，及时发现其中存在缺陷的地方。

结合诸如开关柜温度监测（图1）、局部放电监测对其中的温度信号、声学信号、振动信号、电信号进行有效地收集，借助对应的中央处理系统来实现对各种信号的实时分析，以此来反映出高压开关柜的实际运行状况，其中所涉及到的温度监测方式、检测位置以及相关温度传感器的布局、固定方式都需要根据开关柜内部的实际构造来确认，而在放电研究过程中，需对整个监测系统所沿用的放电监测模式及其中暂态的电压传感器进行必要地探讨，同时还需要对超声波宽带、射频传感器、高频脉冲、电流传感器进行有效设置，以此来使得监测得到的信息更加全面、丰富，使得整个智能监测系统所采集到的数据资料以及对故障的诊断更加精确、合理且具备代表性。

图1 温度监测模块

3 高压开关柜设备状态的智能监测

3.1 设备状态监测

在对设备运行状态进行监测诊断的过程中，通常是结合开关柜局部放电监测作业来开展相关工作，使得在检修设备过程中更加具备明确的工作重心和方向，结合设备状态监测诊断还能进一步减少在检测过程中在试检、陪检方面所投入的精力和时间，以此来进一步降低工作强度，并节约了大量的试错时间，在某种程度上缓解了企业一线检测人员不足的矛盾。此外，高压开关柜状态的检修工作得到有效地落实和完善还能够进一步提高工作人员对开关柜实际运行状态的掌控能力，并对开关柜当前实际运行的工况及后续可能存在的运行趋势进行分析、探讨，从而帮助企业有针对性地制定巡检计划，使得后续工作的开展更加科学、合理[3]。

3.2 远程通信组网诊断

通常在开关柜运行期间存在局部放电的事故往往具备相应的潜伏期，简而言之，在特定时间内可能存在设备放电异常的现象，此时可结合智能监测系统实施远程监控策略来对高压开关柜所存在的局部放电状况进行分析、探讨，及时地在对应的通信组网内检测到放电信息，以此来实现对开关柜设备远距离的智能管控。

此外在现有的远程通信组网诊断过程中也结合了超高频局部放电监测法，此类方法主要是接收开关柜内部所存在的局部放电而产生的电磁波，此类电磁波往往具备较高的频段，借助相应的高频电波可以实施实时、稳定、高效的监测和故障定位，同时还能在不停电的状况下完成对设备的安装管理，并实施对设备动态化的监督管控，且具备较强的抗干扰能力。

在远程通信组网诊断过程中所涉及到的内容主要分为四个部分，首先当系统对高压开关设备实时运行状态以及其内部的机械性能进行监测管理的过程中需要侧重实现对开关柜内部的合闸线圈以及相关回路进行实时监测，同时还需要对断路器的动触头行程和机械振动进行实时高效地监督，以此来实现对开关柜设备实际的运行状态进行精确、可靠地诊断和监督。

而在对相应的系统进行设计管控过程中，可结合远程通信组网监测相关设备的电气性能，同时在设置不同的电流模式下相关断路器所存在的等效磨损曲线，通过对磨损量的分析、对比来对当前开关柜设备的运行寿命进行预测。对于有载开关测试仪方面，要确保在高压开关柜运行期间能够实现对开关正常的关合处理，保证设备能够正常、稳定地运转。

此外，还需实现对高压开关设备的运行温度进行实时监督，在对高压开关柜的温度进行测量的过程中，通常是将开关柜设备的母线连接处的温度、及断路器触头部位的温度进行重点监测，且在测量母线连接处温度的过程中需结合特定的传感器材料，如光纤温度传感器、石英传感器来监测相关零部件的实时温度，以此来避免电磁干扰给监测数据所带来的影响；在现有远程通信组网诊断过程中，还需对高压开关设备绝缘部分性能进行监测，考量相关设备的绝缘部分是否存在老化缺陷的状况，检测连接部分是否存在接触不良，确保高压开关柜能够正常稳定地运转。

3.3 关键状态信息的监测

在当前对高压开关柜设备运行状态智能监测的过程中应当结合多项时代前沿性的技术，如物联网技术（图2）、大数据技术来完成对整个设备以及监测系统智能化、信息化地改造，以此来打破相关设备在过往运行过程中所存在的局限性，充分发挥新时期、新技术所带来的优势。在结合无线化技术、IP化技术使用的过程中，还需及时构建一类智能化的监测体系，在确保监测质量的前提下进一步提高工作管理的效率，降低前期所投入了的各项建设成本。此外，还需对高压开关柜设备的实时运行状态以及其中所涉及到的关键特征数据进行分析、比较，完成对现有数据库的构造，实现对相关设备综合全面地评估、评价，并且还需要实现对当前供电可靠性预警以及修复功能。

图2 信息监测的反馈图

在对关键状态信息进行监测诊断的过程中首先需要分析对应的开关柜设备是否存在拒动或误动的现象，在对相关设备进行故障诊断的过程中应当结合逐一排查、逐一诊断的策略，侧重分析开关柜所存在的拒动或误动故障，并且当高压开关柜内部的操作机构与传动机构存在相应的机械故障时会导致整个系统机构的运行出现卡顿、卡塞的状况，以至于后续开关柜设备出现诸如形变、位移等现象，从而使得开关柜无法正常稳定地运行。此外，如在对应的电气控制中存在二次接线接触不良或端子松动的现象也会存在设备误动的状况，从而影响设备正常运行。

通过数据调研、分析可看出，在当前高压开关柜设备常见的开断以及关合故障中，由断路器而引起的本体故障占绝大部分，因此需实现对断路器的本体进行精细化检验，及时发现其中存在的运行故障以及导致运行故障的根本原因，并做出有效的改善。高压开关设备的载流故障也相对较为常见，相应的载流故障主要是由开关柜隔离插头接触不良而致使触头烧融而导致的故障。同时若开关柜在正常运行的过程中受到诸如外力的撞击、冲击也会使其正常稳定的运转受到相应影响，需及时判断开关柜是否遭受到外物的撞击或冲击。此外，在开关柜相关区域发生自然灾害期间，也需对高压开关柜设备的实时运行状态进行监测，避免其受到外部环境的影响而出现运行故障。

4 结语

对现有的开关柜设备监测诊断系统进行优化和改善，借助新时期全新的传感器技术、智能通讯技术、大数据分析技术来实现对各种信号资料的收集、整理、分析、反馈，以此来提高开关柜设备运行的质量和效率。在此期间，应根据开关柜设备的实际运行状况来合理为其布置对应的监测软硬件设施，使得监测得到的数据资料更加具备针对性和侧重性，且能够反映出设备实际运行的状态。