高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)綜述

康 旭 張 華 張銘川 尹建忠 郭昱延

（國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司）

高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)綜述

康 旭 張 華 張銘川 尹建忠 郭昱延

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本文詳細(xì)總結(jié)了高壓斷路器在線監(jiān)測的內(nèi)容，并介紹了所監(jiān)測內(nèi)容的檢測方法、原理，對高壓斷路器在線監(jiān)測存在的問題進(jìn)行了歸納。

高壓斷路器；在線監(jiān)測

0 引言

高壓斷路器是電網(wǎng)主設(shè)備之一，承擔(dān)著切斷或閉合高壓電路中的空載電流、負(fù)荷電流過負(fù)荷電流、短路電流的作用,在整個(gè)電力系統(tǒng)中處于十分重要的位置。隨著近年來用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，對斷路器的可靠性要求也越來越高，掌握其各種狀態(tài)參數(shù)，對于斷路器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 檢測內(nèi)容

斷路器狀態(tài)檢測的內(nèi)容主要包含以下六個(gè)方面［1］：①斷路器機(jī)械特性參數(shù)；②斷路器分合閘線圈電流；③SF6氣體密度、濕度；④真空斷路器滅弧室真空度；⑤導(dǎo)電接觸部位的溫度；⑥特高頻及超聲局放檢測在斷路器在線監(jiān)測中的應(yīng)用。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 斷路器機(jī)械特性參數(shù)的在線監(jiān)測

斷路器的機(jī)械特性參數(shù)主要包含分合閘動(dòng)作時(shí)間、剛分剛合閘速度、三相不同期、觸頭開距、過沖、超行程［2、3］，這些參數(shù)都可以通過測量斷路器的行程-時(shí)間曲線獲得，對于掌握斷路器的滅弧性能、接觸緊密度及滅弧室壽命等有重要意義。過分析動(dòng)觸頭的行程-時(shí)間特性曲線，可以分析出分合閘過程中的各類機(jī)械故障，諸如機(jī)構(gòu)卡澀、變形、疲勞、閥體動(dòng)作緩慢等機(jī)械故障，圖1為典型的斷路器行程-時(shí)間曲線。圖2為使用高壓斷路器動(dòng)作特性測試儀對某220kV變電站110kV118斷路器開關(guān)所測合閘行程-時(shí)間特性曲線。測量行程所用傳感器主要有電位器式、光電旋轉(zhuǎn)型、直線型三種類型，最廣泛使用的是光電旋轉(zhuǎn)型。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但多用于斷路器預(yù)防性試驗(yàn)期間，尚未大規(guī)模應(yīng)用于在線監(jiān)測，主要問題如下：① 敞開式斷路器運(yùn)行條件惡劣，傳感器易損壞；② 各型斷路器的規(guī)格及參數(shù)不同，測試設(shè)備存在通用性問題；③ 斷路器機(jī)構(gòu)內(nèi)部空間狹小，測量器件無法安裝。

因此，今后高壓斷路器機(jī)械特性監(jiān)測的主要方向應(yīng)朝著高可靠、通用性、小型化、集成性的方向發(fā)展。

圖1

圖2

2.2 斷路器分合閘線圈電流

通過分析線圈所通過電流的波形、幅值、平滑度及線圈帶電時(shí)間等狀態(tài)量，可以分析出很多機(jī)構(gòu)內(nèi)部存在的缺陷及隱患。如可以通過觀察波形平滑度判斷機(jī)構(gòu)是否存在卡澀，通過觀察脫扣點(diǎn)位置判斷三相同期性，通過觀察三相線圈的帶電時(shí)間判斷輔助開關(guān)的動(dòng)作一致性等。圖3為220kV某站2223斷路器的合閘電流波形，從波形中可以看出，A相斷路器合閘線圈的得電時(shí)間（圖中圓圈處）比其他兩相晚，累積到合閘同期性中，造成三項(xiàng)合閘不同期。圖4為500kV某站5042斷路器合閘線圈電流，線圈得電起始時(shí)間三相一致性很好，然而三相脫扣器脫扣位置相差很大，可以分析出A相斷路器合閘線圈或脫扣器存在卡澀情況。

分合閘線圈內(nèi)的電流檢測可分為內(nèi)觸發(fā)及外觸發(fā)兩種，外觸發(fā)方式屬于非在線監(jiān)測，多用于高壓斷路器預(yù)防性試驗(yàn)。外觸發(fā)即使用鉗型電流表掐在斷路器分合閘回路的導(dǎo)線上，通過霍爾效應(yīng)測試導(dǎo)線內(nèi)的電流波形，鉗形電流表的使用只需將鉗形電流表夾在分合閘線圈的到線上并與分析檢測儀器安裝好，在運(yùn)行人員倒換站內(nèi)運(yùn)行方式期間便可進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測。

圖3

圖4

2.3 導(dǎo)電接觸部位溫度在線監(jiān)測

2.3.1 紅外測溫技術(shù)

紅外熱像儀測溫是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，經(jīng)過信號(hào)處理后將被測物體表面的熱分布轉(zhuǎn)化為紅外熱像圖，從而可以很直觀地得到觀察物各部位的溫度。紅外檢測技術(shù)具有不接觸、不停運(yùn)、不取樣、不解體的優(yōu)點(diǎn)，是電力設(shè)備預(yù)知性故障診斷的重要手段之一，但也存在所測溫度不準(zhǔn)確［4］、設(shè)備昂貴的缺點(diǎn)，因此目前僅限于周期性的檢測，但國內(nèi)已開始對紅外測溫的在線監(jiān)測進(jìn)行研究，例如文獻(xiàn)［5］提出的將紅外測溫儀與圖像監(jiān)控軟件結(jié)合對電氣設(shè)備溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的有益探索。

2.3.2 無線測溫裝置

無線測溫裝置屬于接觸式的測溫方法，即將測溫終端附著在發(fā)熱點(diǎn)上，溫度傳感器測量出發(fā)熱部位的溫度并將信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)變換器，數(shù)據(jù)變換器將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)發(fā)送給接收終端，實(shí)現(xiàn)溫度的在線監(jiān)測。無線測溫解決了紅外測溫法難以監(jiān)測高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)運(yùn)行溫度的難題，但由于溫度測量高電壓、高干擾的環(huán)境特點(diǎn)對溫度傳感器及無線通訊方式的選擇造成了很大困擾，近年來隨著高可靠傳感器及ZigBee、WiFi和433MHz等抗干擾性能強(qiáng)的短距無線通訊技術(shù)的發(fā)展，無線測溫技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于10kV及35kV開關(guān)柜類設(shè)備溫度的監(jiān)測，此類測溫方法可以準(zhǔn)確測量及實(shí)時(shí)跟蹤易出現(xiàn)過熱部位的溫度。圖5為無線測溫裝置所測某110kV變電站受總201開關(guān)動(dòng)靜觸頭溫度曲線，圖6為溫度傳感器安裝位置示意。

圖5

圖6

2.4 SF6斷路器內(nèi)SF6密度及微水在線監(jiān)測

目前監(jiān)測SF6密度的主要手段為使用機(jī)械式SF6密度繼電器，其原理見圖7。密度繼電器設(shè)置超壓、報(bào)警、閉鎖三個(gè)閾值，只有在氣壓到達(dá)該閾值時(shí)，密度繼電器才會(huì)啟動(dòng)，因此述方法存在著無法實(shí)時(shí)監(jiān)測SF6氣體密度的缺點(diǎn)，而且機(jī)械式密度繼電器微動(dòng)開關(guān)的游絲型磁柱式接點(diǎn)易接觸不良，造成監(jiān)測失效。近年來隨著傳感器及通訊技術(shù)的進(jìn)步，SF6氣體密度的在線監(jiān)測逐漸投入使用，真正實(shí)現(xiàn)了SF6氣體密度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

圖7

SF6氣體的含水量是表征斷路器絕緣性能的一個(gè)重要特征參數(shù)［6］。SF6氣體中水分超標(biāo)會(huì)降低絕緣，造成沿面閃絡(luò)等危害，而且含水量過高時(shí)SF6氣體會(huì)分解形成HF及SO2等酸性有毒物質(zhì)，危害巨大。SF6微水測量的方法主要有重量法、電解法、振動(dòng)頻率法、冷鏡法、阻容法等，我國多使用露點(diǎn)儀來對SF6氣體中的微水進(jìn)行檢測，但該方法只能定期進(jìn)行檢測，而且檢測過程經(jīng)濟(jì)及環(huán)保性差，易受環(huán)境溫度的影響。因此，近幾年國內(nèi)逐漸開展了SF6微水在線監(jiān)測方面的研究及嘗試，即將高靈敏度濕度傳感器置于GIS氣室內(nèi)部或安裝于取氣口處，實(shí)時(shí)監(jiān)測微水含量，但也存在著傳感器安裝于取氣口處造成的測量數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映氣室內(nèi)氣體真實(shí)微水值的現(xiàn)狀，針對這一情況，文獻(xiàn)［7］提出了一種利用溫差對流法測量SF6氣體微水含量的新方法。

2.5 SF6氣體分解產(chǎn)物的在線監(jiān)測

根據(jù)氣體組分分析結(jié)果［8］結(jié)合UHF、超聲局放檢測等檢測手段可對具體缺陷進(jìn)行判斷。該項(xiàng)檢測主要有氣相色譜法、檢測管法、傳感器法等離線監(jiān)測方法以及紅外吸收光譜法、光聲光譜法等在線監(jiān)測方法，文獻(xiàn)［9］對上述方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。目前，國內(nèi)對SF6氣體分解產(chǎn)物分析主要采用的氣相色譜法存在檢測時(shí)間長、環(huán)境要求高、檢測組分不全面等缺點(diǎn)，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。SF6氣體分解產(chǎn)物的在線監(jiān)測尚處在研究階段，目前研制成功的少數(shù)在線監(jiān)測裝置也只是對SO2等較穩(wěn)定的分解產(chǎn)物進(jìn)行在線監(jiān)測［10～13］，而對諸如SOF2、SO2F2、CF4、SF4等成分仍缺乏有效的在線監(jiān)測手段，文獻(xiàn)［14］闡述了一種利光電子電離質(zhì)譜法在線監(jiān)測SF6氣體分解物的方法，取得了較好的效果。另外對于氣體組分、含量與設(shè)備缺陷類型、程度之間關(guān)系的研究還只是停留在定性的層面，二者之間的定量關(guān)系尚未有更深入的研究。

2.6 真空斷路器滅弧室真空度的在線監(jiān)測

35kV及以下電壓等級的開關(guān)柜多使用真空斷路器，檢測真空度的方法有工頻耐壓法、磁控式放電法等，常見于預(yù)防性試驗(yàn)現(xiàn)場。工頻耐壓法只能定性檢測，無法定量獲取滅弧室的真空度，在預(yù)試現(xiàn)場較多使用的是磁控式放電法，該方法可重復(fù)性高，測量準(zhǔn)確，是滅弧室真空度監(jiān)測的主流方法，然而這種方法需將斷路器停電并拉至檢修位置，無法滿足在線監(jiān)測的需要。目前尚未有投入使用的真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)，但國內(nèi)外科研人員對該課題的研究已經(jīng)開始了多年并取得了豐碩的成果，主要的研究方向?yàn)橥ㄟ^屏蔽罩上的電磁變化來判斷真空度，據(jù)此衍生出了光電法、耦合電容法等多種方法，并研制了多種監(jiān)測裝置［15-21］投入了實(shí)際運(yùn)行，但仍未獲得大規(guī)模應(yīng)用，主要原因在于傳感器在高電壓、高電磁干擾下的可靠性及測量準(zhǔn)確度、成本等問題對其大規(guī)模應(yīng)用的制約。

2.7 特高頻及超聲局放檢測在GIS設(shè)備在線監(jiān)測中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的測量GIS內(nèi)部絕緣缺陷的的方法為耐壓試驗(yàn)，該方法由于存在無法進(jìn)行在線監(jiān)測及可能對絕緣部件造成損壞等諸多缺點(diǎn)，正在逐步被特高頻（UHF）法及超聲局放法替代。

2.7.1 UHF局放檢測在斷路器在線監(jiān)測中的應(yīng)用

GIS設(shè)備中存在局部放電時(shí)，放電點(diǎn)會(huì)向外輻射出數(shù)GHz的電磁波，UHF局放檢測法就是對該信號(hào)進(jìn)行檢測，變電站GIS室內(nèi)的干擾信號(hào)的頻段主要在300MHz以下，不會(huì)對UHF局放檢測造成較大影響［22］。此外，利用電磁波在GIS內(nèi)傳播時(shí)的衰減特性，通過多點(diǎn)布設(shè)傳感器接收信號(hào)的時(shí)差，可準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。UHF局放檢測法對于GIS內(nèi)部常見的尖端、懸浮電位、絕緣空泡、金屬碎屑、沿面放電等缺陷引起的局部放電均能進(jìn)行檢測，結(jié)合各類缺陷所引起局部放電的特征［23］，UHF局放檢測儀的專家系統(tǒng)可自動(dòng)對所檢測到的局放信號(hào)進(jìn)行判斷，確定缺陷的類型。

2.7.2 超聲局放檢測在GIS設(shè)備在線監(jiān)測中的應(yīng)用

超聲局放檢測無法實(shí)時(shí)對GIS設(shè)備進(jìn)行檢測，靈敏度低于UHF法［24］，但其測量范圍較小，常用來對放電位置進(jìn)行精確定位。超聲局放檢測提供三種模式，即連續(xù)模式、相位模式和脈沖模式，通過各種模式下獲得圖譜的特征分析，技術(shù)人員便可確定缺陷的類型，文獻(xiàn)［25］對各種模式下各種缺陷的典型圖譜進(jìn)行了詳細(xì)介紹。由于一臺(tái)裝置可用于多個(gè)變電站，因此超聲局放檢測較UHF檢測成本更低，使用更具有靈活性。但同時(shí)超聲局放檢測也存在無法自動(dòng)定位局部放電位置的缺陷，因此，在實(shí)際應(yīng)用中常與UHF法配合使用。

3 結(jié)束語

綜上，隨著國內(nèi)電網(wǎng)公司設(shè)備狀態(tài)檢修工作的實(shí)施，高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用到了電力工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中。筆者依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)，在參考大量文獻(xiàn)的前提下，對斷路器在線監(jiān)測的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以期為生產(chǎn)及相關(guān)研究提供一定的參考。

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