高壓開(kāi)關(guān)故障檢測的原理及方法
電力系統對供電的可靠性和經(jīng)濟性提出了越來(lái)越高的要求，高壓輸變電設備的安全運行已成為影響電力系統安全、穩定、經(jīng)濟運行的重要因素。高壓開(kāi)關(guān)在電網(wǎng)中起著(zhù)控制和保護的作用，當發(fā)生故障或事故時(shí)會(huì )引起電網(wǎng)事故或擴大事故。大電網(wǎng)會(huì )議(CIGRE)對高壓開(kāi)關(guān)及其操作機構的可靠性進(jìn)行過(guò)兩次世界范圍的調查，結果表明，大多數開(kāi)關(guān)故障(主要故障的70%和次要故障的86%)屬于機械性質(zhì)，主要涉及操作機構、監視裝置和輔助裝置。目前國內高壓開(kāi)關(guān)的問(wèn)題也主要體現在機械故障上，如：絕緣拉桿脫落、斷裂、擊穿，水平拉桿斷銷(xiāo)等。因此，高壓開(kāi)關(guān)機械故障的檢測具有十分重要的意義。
1.高壓開(kāi)關(guān)機械故障檢測基本方法及原理
1.1分、合閘線(xiàn)圈電流的檢測
高壓開(kāi)關(guān)機一般都是以電磁鐵作為操作的一級控制元件，并且大多數開(kāi)關(guān)皆以直流作為控制電源。在每次分、合過(guò)程中，直流電磁線(xiàn)圈的電流隨時(shí)間變化，此變化波形中蘊藏著(zhù)極為重要的信息。線(xiàn)圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵心行程、鐵心卡滯、線(xiàn)圈狀態(tài)(如是否有短路匝)、與鐵心頂桿連接的鐵閂和閥門(mén)的狀態(tài)、合、分線(xiàn)圈的輔助接點(diǎn)狀況與轉換時(shí)間。通過(guò)對分合操作線(xiàn)圈動(dòng)作電流的檢測，運行人員可以大致了解開(kāi)關(guān)二次控制回路的工作情況及鐵心的運動(dòng)有無(wú)卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助判據。分合閘線(xiàn)圈的電流是開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測的一個(gè)重要內容。通過(guò)霍爾傳感器可以很方便的采集分合閘線(xiàn)圈的電流。通過(guò)實(shí)測的波形與典型波形進(jìn)行比較即可判斷開(kāi)關(guān)的鐵心有無(wú)卡滯等問(wèn)題。
1.2高壓開(kāi)關(guān)機動(dòng)觸頭行程的檢測
高壓開(kāi)關(guān)機的行程–時(shí)間特性是表征高壓開(kāi)關(guān)機械特性的重要參數，也是計算高壓開(kāi)關(guān)分、合閘速度的依據。高壓開(kāi)關(guān)分合閘速度，尤其是開(kāi)關(guān)合閘前、分閘后的動(dòng)觸頭速度，對開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷性能有至關(guān)重要的影響。因此，高壓開(kāi)關(guān)機的行程–時(shí)間特性檢測，是高壓開(kāi)關(guān)檢測的重要內容。由于開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭作直線(xiàn)運動(dòng)，可以安裝一個(gè)與動(dòng)觸頭一起運動(dòng)的附加件，當動(dòng)觸頭做分、合操作時(shí)，該附加件隨連桿做直線(xiàn)運動(dòng)，通過(guò)光電傳感器，將連續變化的位移量變成一系列電脈沖信號。記錄該脈沖的個(gè)數，就可以實(shí)現動(dòng)觸頭全行程參數的測量；同時(shí)，記錄每一個(gè)電脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻值，將位移同時(shí)間相除，就可計算出動(dòng)觸頭運動(dòng)過(guò)程中的大速度和平均速度。目前測量高壓開(kāi)關(guān)的行程–時(shí)間特性，多采用光電式位移傳感器與相應的測量電路配合進(jìn)行，常用的有增量式旋轉光電編碼器或直線(xiàn)光電編碼器。目前市場(chǎng)上根據這種方法研制的產(chǎn)品眾多，可將測試結果直接打印，部分測試儀具備RS232/485接口，可將測試結果上傳。
1.3振動(dòng)信號的檢測
高壓開(kāi)關(guān)機是一種瞬動(dòng)式機械，在其分合過(guò)程中，有一系列運動(dòng)構件的起動(dòng)、制動(dòng)、撞擊的出現，這些運動(dòng)形態(tài)的改變都在其構架上引起多個(gè)沖擊振動(dòng)，每個(gè)振動(dòng)對應著(zhù)開(kāi)關(guān)分、合過(guò)程中特定的動(dòng)作事件。這些沖擊振動(dòng)的波形呈上升和衰減過(guò)程，其峰值點(diǎn)在時(shí)間上具有很好的辨認性。但是，從振動(dòng)發(fā)生到振動(dòng)傳感器測量到的峰值時(shí)間之間，總會(huì )由于振動(dòng)波的傳播帶來(lái)一定的誤差，因此峰值時(shí)間較振動(dòng)發(fā)生時(shí)間有一定的時(shí)間延遲。不過(guò)，檢測系統只是根據振動(dòng)信號來(lái)求取各個(gè)振動(dòng)事件之間的時(shí)間差，并不一定需要知道其發(fā)生的準確時(shí)刻。所以只要每個(gè)事件均進(jìn)行了相似的簡(jiǎn)化，時(shí)間差的計算誤差不受影響，可以利用振動(dòng)信號的峰值時(shí)間作為各個(gè)振動(dòng)事件的發(fā)生時(shí)刻，并將它們相減后得到動(dòng)觸頭運動(dòng)過(guò)程中各個(gè)振動(dòng)事件之間的時(shí)間差。此外，對于某一臺特定的開(kāi)關(guān)而言，在健康狀態(tài)下它的分、合操作的振動(dòng)信號具有較強的相似性。對于實(shí)時(shí)測量得到的振動(dòng)信號，可在離線(xiàn)實(shí)驗數據(振動(dòng)信號波形和機械特性曲線(xiàn))的基礎上，并結合考慮該次動(dòng)作的機械特性曲線(xiàn)來(lái)粗略確定各個(gè)振動(dòng)事件發(fā)生的先后次序和時(shí)間區段，然后將各個(gè)區段的峰值時(shí)間作為該振動(dòng)事件的發(fā)生時(shí)刻。各時(shí)間相差后得到各事件之間的相對時(shí)間，以接到分、合電脈沖時(shí)間為基準計算各事件的發(fā)生時(shí)間，就能找到動(dòng)靜觸頭間的合、分時(shí)刻。將動(dòng)觸頭的行程信號同該合、分時(shí)刻結合，并根據相應的定義，就可以計算出剛分(合)速度、行程、超行程；將三相的分合時(shí)刻相差就可獲得該次動(dòng)作的不同期參數。 傳動(dòng)機構系統的檢測和診斷對保證高壓開(kāi)關(guān)安全運行有重要的意義。而基于振動(dòng)信號的開(kāi)關(guān)機械狀態(tài)診斷方法作為一種間接的、不拆卸的診斷方法、目前已經(jīng)成為國內外的研究熱點(diǎn)。
對于高壓開(kāi)關(guān)機，在分合閘操作過(guò)程中，內部主要機構不見(jiàn)得運動(dòng)、撞擊和摩擦都會(huì )引起表面的振動(dòng)，振動(dòng)是內部多種現象激勵的響應，這些激勵包括機械操作、電動(dòng)力或靜電力作用、局部放電以及SF6氣體中的微粒運動(dòng)等。振動(dòng)信號中包含豐富的機械狀態(tài)信息，甚至機械系統結構上某些細微變化也可以從振動(dòng)信號上發(fā)現出來(lái)。因此，以外部振動(dòng)信號為特征信號，可以對高壓開(kāi)關(guān)的這些狀態(tài)進(jìn)行檢測。具體做法是在開(kāi)關(guān)適當部位，如具有較大的振動(dòng)強度，較高信噪比的部分，安裝振動(dòng)傳感器，當開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合閘操作時(shí)。采集振動(dòng)信號經(jīng)處理后作為診斷的根據。
檢測振動(dòng)信號的突出優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)信號的采集不涉及電氣測量，振動(dòng)信號受電磁干擾小，傳感器安裝于外部，對開(kāi)關(guān)無(wú)任何影響。同時(shí)，振動(dòng)傳感器尺寸小，工作可靠，價(jià)格低廉，靈敏度高，抗干擾好，特別適用于動(dòng)作頻繁的高壓開(kāi)關(guān)的在線(xiàn)檢測及不拆卸檢修。振動(dòng)檢測的難點(diǎn)在于信號的一致性較差及如何提取特征量。目前主要的分析方法有以下幾種：
①振動(dòng)信號出現的時(shí)間及幅值；
②時(shí)域、頻域復合分析；
③“狀態(tài)圖”，均值、方差、過(guò)零次數，翻轉次數等；
④動(dòng)態(tài)時(shí)間規整法；
⑤偏差測試法；
⑥指數衰減振蕩子波分解法；
⑦人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法。
目前開(kāi)關(guān)振動(dòng)的測量研究是熱點(diǎn)，但還沒(méi)有較成熟的產(chǎn)品問(wèn)世。
2.高壓開(kāi)關(guān)機械故障檢測存在的主要問(wèn)題
目前高壓開(kāi)關(guān)機械故障的檢測方法基本上成熟，機械特性測試儀產(chǎn)品眾多，大部分具有分、合閘線(xiàn)圈電流及行程測試的功能。其有效性已被開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠(chǎng)商和供電部門(mén)所認可。存在的主要問(wèn)題在于缺乏有效的數據管理及分析診斷平臺。大部分的測試儀都可將測試結果打印出來(lái)，但無(wú)法存儲；對于故障的判斷，大多采用閾值的方法，對某個(gè)斷路器的多次測試結果無(wú)法通過(guò)數學(xué)統計分析等手段進(jìn)行有效的“縱比”，更無(wú)法對各地同一型號斷路器的測試結果進(jìn)行“橫比”，不利于故障的診斷。因而，設計和開(kāi)發(fā)高壓開(kāi)關(guān)機械故障分析和診斷平臺十分必要的。
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