高壓SF6斷路器狀態(tài)檢修技術(shù)研究

李超，張躍峰，白雙全

（云南電網(wǎng)有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 引言

狀態(tài)檢修是指建立在傳感器、微電子、智能化和信號處理發(fā)展的基礎(chǔ)上，由多種高新科技支撐、涵蓋多個技術(shù)領(lǐng)域的綜合性技術(shù)應(yīng)用，包括電氣設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測和對設(shè)備的診斷性分析。狀態(tài)監(jiān)測是利用先進的傳感器或信號采集模塊對設(shè)備的機械特性、電氣量特性等數(shù)據(jù)進行采集，再通過診斷性技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析，判斷電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，并預(yù)測出設(shè)備未來的狀態(tài)發(fā)展曲線、預(yù)知設(shè)備的故障、健康狀況，并合理安排檢修方式[1]。

1 高壓SF6斷路器的狀態(tài)檢修

高壓SF6斷路器是利用六氟化硫氣體作為滅弧介質(zhì)及絕緣介質(zhì)的一類斷路器，在關(guān)合、開斷正?；蚬收想娏鲿r，通過吹佛SF6氣體對電弧進行熄滅。而目前針對高壓SF6斷路器主要采用的是周期性檢修方式，首先，一些設(shè)備雖然到了檢修時間，但是狀態(tài)良好，導(dǎo)致檢修存在盲目性，反而因為檢修質(zhì)量不佳出現(xiàn)缺陷；其次，一些設(shè)備已經(jīng)存在缺陷隱患，但是因未到檢修周期而不能及時發(fā)現(xiàn)并消除隱患。因此，針對以上缺點，開展SF6斷路器的狀態(tài)檢修研究已極為重要。

而高壓SF6斷路器常見的故障主要為一次方面的操動機構(gòu)故障，如傳動部件磨損、脫扣件失靈、軸銷斷裂、機構(gòu)卡澀移位、分合閘鐵芯松動等；二次方面主要有分合閘線圈燒損、控制回路斷線、微動開關(guān)失靈等故障，嚴重的引起斷路器“拒動”、“誤動”。

2 SF6斷路器在線監(jiān)測的特征量

針對高壓SF6斷路器的特性及常見的缺陷類別，分析SF6斷路器需要監(jiān)測的特征量，開展實時在線監(jiān)測并進行診斷分析；對橫縱橫的歷史數(shù)據(jù)進行記錄并比較分析。

表1 SF6 斷路器在線監(jiān)測的特征量

2.1 分合閘線圈電流監(jiān)測

研究證明，分合閘線圈的電流參數(shù)信號是反應(yīng)斷路器操作機構(gòu)機械性能的重要參數(shù)，斷路器在完成分合閘的過程中，分合閘線圈中的電流波形是隨著動作順序、時間而變化的；而一段完整的分、合閘線圈電流波形，包含著從線圈帶電、鐵芯動作、鐵芯撞擊鎖閂、鐵芯停止運動、短暫彈跳等過程的不同波形段[2]。

采用高精度電流傳感器可以實現(xiàn)在線監(jiān)測分合閘線圈的電流波形，通過實驗分析正常情況與鐵芯空行程過大、卡澀、操作電壓過低、機構(gòu)卡澀等常見的斷路器機構(gòu)缺陷下分合閘線圈電流波形的變化情況，建立電流波形與缺陷表征的特征庫。結(jié)合診斷性故障分析，判斷該斷路器分合閘線圈及斷路器機械特性的健康狀態(tài)，診斷出斷路器潛伏性故障，并得出狀態(tài)檢修結(jié)論。

圖1 典型的斷路器分合閘線圈電流波形

2.2 儲能電機電流監(jiān)測

通過對異步電機T型等效電路的研究證明，可以得出電機輸出轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變和電機電流近似存在函數(shù)關(guān)系。

圖2 異步電機T 型等效電路

電機電流與輸出轉(zhuǎn)軸函數(shù)關(guān)系：

因此，只需檢測分析儲能電機電流的變化波形，就可間接診斷出斷路器操作機構(gòu)的機械特性狀態(tài)。

一段完整的儲能電機電流波形，包含著電機通電（尖峰電流）、電機啟動、電機平穩(wěn)工作（電流平穩(wěn)）、電機負荷力矩達到最大值、微動開關(guān)切斷電流等時間過程組成。通過實驗分析機構(gòu)卡澀、電機空轉(zhuǎn)、操作電壓過低等不同故障情況下電機電流波形的變化情況，建立電機電流波形與缺陷表征的特征庫；通過采集、傳輸、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)分析等模塊進行診斷性分析。

2.3 SF6氣體壓力及微水監(jiān)測

SF6氣體的氣體分子極易吸附游離的自由電子而形成質(zhì)量大的負離子，減弱氣體中自由電子碰撞的電離過程，故絕緣強度很高。但當水分含量增加時，其絕緣強度會急劇下降，溫度達到200°C時就可能發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕性很強且劇毒性的氫氟酸，導(dǎo)致氣室內(nèi)絕緣材料、金屬材料等受到腐蝕；而當溫度降低時，水分容易在絕緣材料表面凝露，影響絕緣性能，發(fā)生沿面閃絡(luò)放電現(xiàn)象。因此提高對SF6氣體壓力值及微水值的監(jiān)測手段，及時發(fā)現(xiàn)氣體滲漏、微水超標等缺陷非常有必要。

目前對于SF6氣體壓力值及微水值主要采用SF6密度繼電器和離線露點儀測量的方法，而密度繼電器只能實現(xiàn)氣壓降低到一定值時，進行報警、閉鎖，無法實時監(jiān)測氣壓變化情況，而且當繼電器觸點因氧化、接觸不良而失效時，將對氣壓值失去監(jiān)測，造成嚴重后果；同樣，微水的離線測量不僅無法做到實時監(jiān)測，而且還需耗費巨大人力物力。

目前國內(nèi)研究中，采用氣體循環(huán)方法進行微水在線監(jiān)測是一種比較有效的方法[3]，利用高分子薄膜電容技術(shù)的微水傳感器，具有測量的精度、靈敏度高等優(yōu)點；其原理為SF6氣室內(nèi)的水分子經(jīng)過高分子薄膜時，因介電常數(shù)、水分體力分數(shù)與電容之間的線性變化關(guān)系，得出SF6氣體微水監(jiān)測值。

監(jiān)測SF6氣體密度值比較困難，只能間接測量壓力值進行判斷，故而需通過壓力傳感器和溫度傳感器配合完成，克服溫度對壓力變化的影響，采集溫度、壓力兩個特征量數(shù)據(jù)。再根據(jù)常見的SF6氣體密度曲線方程進行求解：

SF6氣體密度曲線方程：

其中，ρ為SF6氣體密度，kg/m3；T為溫度，K；P為SF6氣體絕對壓力，Mpa；A、B為系數(shù)。監(jiān)測得到特征量溫度值及壓力值后，利用迭代算法可以求出實時溫度對應(yīng)的SF6氣體密度值。

由于SF6氣體對紅外波長在10.56mμ附近時有非常強的吸收能力，故而只要采用的六氟化硫氣體紅外檢漏儀的波長在10.3-10.7mμ時，就能非常直觀的檢測到滲漏的SF6氣體，由于內(nèi)外壓力差的關(guān)系，滲漏的SF6氣體是不規(guī)則的“黑灰色煙霧”狀態(tài)。

2.4 斷路器動作特性的監(jiān)測

斷路器的動作特性主要包括分合閘行程、超程、速度、時間等反映斷路器工作能力是否“達標”的重要參數(shù)，而動觸頭分合閘速度的測量主要是通過測量斷路器的動觸頭分合閘行程。一種是直接將直線位移傳感器安裝在動觸頭上或絕緣拉桿上，隨著動觸頭做直線運動進行測量；另一種是在斷路器旋轉(zhuǎn)的主軸上安裝角度傳感器，當機構(gòu)進行分合閘操作時，主軸帶動角度傳感器一起旋轉(zhuǎn)，將軸旋轉(zhuǎn)角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號和電信號，并得到動觸頭的行程-時間波形[4]。

2.5 斷路器主體振動監(jiān)測

斷路器在操作過程中，會由于內(nèi)部機械模塊之間相互摩擦、撞擊等而引起振動產(chǎn)生振動信號，該振動信號包含著豐富的機械特性數(shù)據(jù)；如線圈鐵芯撞擊鎖閂、機構(gòu)的傳動、儲能時的沖擊等，機械表面都會因這些內(nèi)部激勵源而引起振動。當接到分合閘命令時，從分合閘線圈帶電、鐵芯撞擊鎖閂、掣子保持狀態(tài)被打破、連桿拐臂的傳動到完成分合閘全過程，在每個產(chǎn)生激勵振動的點都會對應(yīng)在振動波形中產(chǎn)生一個峰值，取包絡(luò)信號分析可知，整個振動波形是由一系列撞擊波疊加而成的，伴隨著突增和衰減過程[5-6]。

3 結(jié)語

現(xiàn)如今，傳統(tǒng)的周期性檢修已經(jīng)越來越難以滿足電力系統(tǒng)的生產(chǎn)需求，大力推進設(shè)備狀態(tài)檢修是電網(wǎng)企業(yè)在未來的發(fā)展方向之一，加強對在線監(jiān)測及診斷分析的研究有助于實現(xiàn)精細、準確、高效、可控的高質(zhì)量電網(wǎng)，為檢修運維提供有力的技術(shù)支持。