高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述

孫子昌，陳昊，張建忠，徐鵬，孫小磊

(1·國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京210002；2·東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210000)

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)最重要的保護(hù)和控制設(shè)備，廣泛用于各電壓等級(jí)電網(wǎng)，除了日常操作切斷負(fù)荷電流，亦要在故障發(fā)生時(shí)切斷數(shù)倍于額定電流的故障電流，其可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定[1－3]。長(zhǎng)期以來，只能通過停電檢修發(fā)現(xiàn)和處理斷路器缺陷。由于停電檢修必須在設(shè)備停電狀態(tài)下進(jìn)行，脫離了高壓斷路器的帶電條件，難以準(zhǔn)確反映斷路器運(yùn)行狀態(tài)下缺陷，且停電檢修的盲目性大，費(fèi)用較高。此外，頻繁的操作及過度的拆卸也容易降低斷路器的運(yùn)行可靠性[4]。

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)斷路器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠更加科學(xué)地提升斷路器的自我感知能力，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，是傳統(tǒng)定期停電檢修技術(shù)的重大補(bǔ)充和革新[5]。20世紀(jì)80年代以來，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和傳感器技術(shù)、光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等的發(fā)展，電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)日益完善。近十年來，斷路器在線監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，這一技術(shù)手段可以相對(duì)真實(shí)地反映設(shè)備運(yùn)行情況，為斷路器從計(jì)劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件[6－8]。

本文綜述高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)方法，基于江蘇電網(wǎng)某500 kV變電站智能運(yùn)檢建設(shè)情況，結(jié)合工程實(shí)踐分析目前斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在的問題，最后對(duì)未來斷路器的在線監(jiān)測(cè)方法與實(shí)施提出建議及改進(jìn)措施。

1 斷路器在線監(jiān)測(cè)方法

1.1 SF6斷路器特性監(jiān)測(cè)

目前，SF6斷路器在高電壓等級(jí)電網(wǎng)中應(yīng)用較為普遍，SF6氣體作為斷路器的滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，其絕緣強(qiáng)度主要取決于SF6氣體密度和SF6氣體微水含量[9－10]。

1.1.1 SF6氣體的密度監(jiān)測(cè)

室外安裝的SF6斷路器，環(huán)境溫度變化會(huì)引起其內(nèi)部SF6氣體壓力的變化，因此不宜單純采用監(jiān)測(cè)氣體壓力的方法來監(jiān)測(cè)氣體密度。經(jīng)典的SF6氣體密度監(jiān)測(cè)多采用機(jī)械式密度繼電器，如圖1所示。由于預(yù)充氣室中也存在SF6氣體，溫度對(duì)于氣體壓力影響一致，因此不需要考慮環(huán)境溫度影響，即監(jiān)測(cè)裝置具備溫度補(bǔ)償功能[11]。當(dāng)斷路器氣室氣體泄漏時(shí)，金屬波紋管由于內(nèi)外壓差不同被壓縮，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)接通，使外接的相關(guān)繼電器勵(lì)磁，發(fā)出信號(hào)并根據(jù)整定值決定是否閉鎖斷路器的分合閘回路[9，11－12]。

圖1 機(jī)械式密度繼電器

近年來出現(xiàn)的數(shù)字式SF6氣體密度監(jiān)測(cè)儀通過壓力和溫度傳感器對(duì)氣體壓力和溫度進(jìn)行直接測(cè)量。由于SF6斷路器的壓力告警和閉鎖限值均是對(duì)應(yīng)運(yùn)行環(huán)境20℃時(shí)的數(shù)值，所以需要進(jìn)行壓力換算，彌補(bǔ)溫度對(duì)壓力的影響。

1.1.2 SF6氣體微水監(jiān)測(cè)

SF6氣體微水監(jiān)測(cè)方法主要包含重量法、電解法、露點(diǎn)法、電容法等，其中電解法和露點(diǎn)法為國際電工委員會(huì)(IEC)推薦的日常測(cè)量方法[13－14]。這些都是斷路器定期檢修試驗(yàn)的常用方法，無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能。

目前SF6氣體微水在線監(jiān)測(cè)開始逐漸流行，某些變電站斷路器采用全新材料的高分子聚合物薄膜傳感器技術(shù)對(duì)微水含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器的微水測(cè)量利用阻容法原理，且不需要消耗氣室內(nèi)SF6氣體，即當(dāng)SF6氣體中的含水量發(fā)生變化時(shí)，高分子聚合物薄膜阻值和容值也發(fā)生相應(yīng)的變化。利用含水量與阻容值之間的變化關(guān)系直接測(cè)量SF6氣體中含水分量，通過傳感器阻容值輸出計(jì)算實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)SF6氣體微水含量。

1.2 分合閘線圈電流監(jiān)測(cè)

電磁鐵是高壓斷路器機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要元件之一，線圈中通過的電流在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，鐵芯受電磁力作用吸合從而完成斷路器的合閘、分閘過程。高壓斷路器機(jī)構(gòu)中的分合閘脫扣電磁鐵，在長(zhǎng)期操作和實(shí)際運(yùn)行過程中可能發(fā)生變形、銹蝕、臟污等，都可能導(dǎo)致電磁鐵吸合不成功從而引起斷路器拒動(dòng)，此類故障每年約占全國斷路器拒動(dòng)、誤動(dòng)總事故率的26·1%[15]。

由于線圈電流控制電磁鐵的吸合動(dòng)作，所以可通過分合閘線圈電流特性來反映鐵芯動(dòng)作情況。目前一般采用裝設(shè)電流傳感器監(jiān)測(cè)電磁鐵線圈的電流波形，通過記錄、分析每次分合閘操作過程中的電流波形，對(duì)斷路器的控制回路及機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀況等有大致了解，然后對(duì)斷路器機(jī)械故障的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)生概率進(jìn)行診斷推算，為高壓斷路器檢修工作的實(shí)施提供輔助決策依據(jù)[16－18]。

1.3 斷路器行程特性監(jiān)測(cè)

高壓斷路器分、合閘時(shí)的行程－時(shí)間特性是表征高壓斷路器機(jī)械特性的重要參數(shù)，是計(jì)算高壓斷路器分、合閘速度的依據(jù)[16]。高壓斷路器的開斷性能很大程度上取決于斷路器分、合閘速度，特別是斷路器合閘前與分閘后的動(dòng)觸頭速度。斷路器行程特性監(jiān)測(cè)就是通過對(duì)動(dòng)觸頭的行程－時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，從而計(jì)算得到動(dòng)觸頭速度。

目前斷路器行程特性監(jiān)測(cè)多采用光電式位移傳感器，常用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，如圖2所示，裝置上有一固定光源，即圖中的發(fā)光元件。當(dāng)斷路器進(jìn)行分合閘時(shí)，碼盤被斷路器觸頭帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，光源透過光柵射到接收元件，通過電路裝置產(chǎn)生輸出A、B兩路相位差90°的正交脈沖串信號(hào)。因?yàn)榫幋a器使用兩組光柵，所以通過電路輸出信號(hào)，可以判斷觸頭是正向運(yùn)動(dòng)還是反向運(yùn)動(dòng)。另外裝置計(jì)數(shù)器對(duì)A、B相兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可計(jì)算出斷路器動(dòng)觸頭的分、合閘速度。

圖2 旋轉(zhuǎn)光電編碼器的結(jié)構(gòu)原理

1.4 機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)

高壓斷路器依靠其機(jī)械部件的正確動(dòng)作實(shí)現(xiàn)其功能，國內(nèi)外高壓斷路器設(shè)備的運(yùn)行實(shí)踐表明:機(jī)械故障在斷路器各類故障中占比最高，因此加強(qiáng)斷路器機(jī)械故障監(jiān)測(cè)，對(duì)降低斷路器故障發(fā)生率具有重要意義[19－21]。

高壓斷路器分合閘操作過程中，機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動(dòng)和撞擊都會(huì)引起振動(dòng)響應(yīng)。這種振動(dòng)響應(yīng)具有隨機(jī)性，但對(duì)于同一臺(tái)斷路器的多次操作，振動(dòng)信號(hào)重復(fù)性較好。當(dāng)斷路器出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)其振動(dòng)信號(hào)會(huì)發(fā)生較大改變，因此可通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)以識(shí)別斷路器缺陷。機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

通過在斷路器上裝設(shè)的傳感器采取振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過放大器以及A/D板處理，將振動(dòng)信息傳至處理單元模塊進(jìn)行處理分析。斷路器的振動(dòng)信號(hào)包含有豐富的特征信息，通過提取信號(hào)的時(shí)域、頻域信號(hào)的頻帶和幅值進(jìn)行分析，得出結(jié)論。提取信號(hào)特征的方法可以分為時(shí)域法、頻域法和數(shù)據(jù)序列分析法，往往多種方法的綜合應(yīng)用可以在應(yīng)用層面取得更好的效果。

1.5 斷路器箱柜溫濕度監(jiān)測(cè)

斷路器的端子箱與匯控柜溫度過高容易引發(fā)火災(zāi)或爬電等事故，濕度過大則會(huì)導(dǎo)致箱內(nèi)二次元器件銹蝕、短路，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，因此箱柜內(nèi)的溫濕度狀況極為重要。為避免斷路器箱柜內(nèi)環(huán)境過熱或過濕，需要加裝溫濕度控制裝置，對(duì)箱柜內(nèi)部及其周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

目前一般在戶外箱柜內(nèi)部裝設(shè)溫濕度傳感器及輸出接點(diǎn)，箱柜內(nèi)部?jī)x器以及后臺(tái)輔助系統(tǒng)可顯示柜內(nèi)的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)值，監(jiān)測(cè)斷路器端子箱及匯控柜等箱柜內(nèi)部的溫濕度情況。監(jiān)測(cè)裝置可以設(shè)置溫濕度的動(dòng)作門限值，通過比對(duì)溫濕度傳感器上傳的溫濕度值，選擇性控制加熱器、風(fēng)機(jī)或背包空調(diào)的輸出，使箱柜內(nèi)的溫濕度值始終保持在允許范圍之內(nèi)。

1.6 立體化目視監(jiān)測(cè)

立體化目視監(jiān)測(cè)是斷路器在線監(jiān)測(cè)的重要部分。戶外敞開式高壓斷路器距離地面較遠(yuǎn)，人工運(yùn)維巡視難以發(fā)現(xiàn)斷路器細(xì)微的缺陷，如斷路器瓷瓶釉面輕微破損現(xiàn)象。

目前立體化目視監(jiān)測(cè)主要是通過變電站內(nèi)已安裝的高清攝像頭以及巡檢機(jī)器人等技術(shù)手段進(jìn)行立體化可見光點(diǎn)位巡檢，利用后臺(tái)程序?qū)ρ矙z照片與影像進(jìn)行識(shí)別判斷，分析是否存在結(jié)構(gòu)缺陷。若攝像頭以及機(jī)器人兼具紅外測(cè)溫功能，也可對(duì)斷路器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備溫升異常。

2 在線監(jiān)測(cè)存在問題

2.1 監(jiān)測(cè)裝置安裝困難大

非停電作業(yè)時(shí)，斷路器處于帶電運(yùn)行狀態(tài)，在線監(jiān)測(cè)裝置的安裝不得不面對(duì)與帶電設(shè)備近距離作業(yè)或者是改變其回路結(jié)構(gòu)的問題，難以滿足與帶電設(shè)備的安全距離，因此往往需要在斷路器停電檢修時(shí)進(jìn)行安裝，而斷路器的停復(fù)電由電力調(diào)度部門決定，且不能隨意更改，這就給在線監(jiān)測(cè)裝置的安裝帶來了很大的限制。

另外，在線監(jiān)測(cè)傳感器的安裝需考慮是否會(huì)對(duì)現(xiàn)有斷路器機(jī)構(gòu)造成破壞，以及給斷路器正常運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)。例如斷路器分合閘線圈電流測(cè)試，須加裝電流互感器，在安裝時(shí)需解開分合閘線圈回路并串入電流互感器。由于現(xiàn)有箱柜空間一般無法裝設(shè)電流互感器，需要在斷路器的操作回路與儲(chǔ)能回路中間另外增加箱柜進(jìn)行安裝，如圖4所示，相當(dāng)于新增了一個(gè)導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖4 在線監(jiān)測(cè)裝置安裝

2.2 機(jī)械故障診斷識(shí)別率低

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相較于理論分析更為復(fù)雜，設(shè)備帶電操作與不帶電操作特性存在差別，且斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同型號(hào)的斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在較大差異。另外在線監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置不盡相同，斷路器在分合閘動(dòng)作過程中各部件振動(dòng)信號(hào)交叉疊加結(jié)果也不相同，導(dǎo)致不同傳感器感知的振動(dòng)信號(hào)存在差異，提取的振動(dòng)特征值無法統(tǒng)一，對(duì)斷路器的機(jī)械故障診斷產(chǎn)生極大影響。

2.3 圖像識(shí)別準(zhǔn)確率低

在變電站采用在線智能化巡視設(shè)備代替人工巡檢作業(yè)，結(jié)合相應(yīng)的圖像處理算法完成巡檢任務(wù)，包括變電站設(shè)備的典型外觀缺陷，如鳥巢、外殼破損、表盤讀數(shù)異常、硅膠筒破損、部件表面油污、掛空懸浮物等，已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。但是，變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備種類多樣，且存在多種干擾，現(xiàn)有的視頻圖像處理算法準(zhǔn)確率低，漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重，視頻監(jiān)控仍舊需要人工干預(yù)，導(dǎo)致工作效率降低。

2.4 數(shù)據(jù)分析能力不足

隨著在線監(jiān)測(cè)裝置與傳感器的安裝數(shù)量增多，斷路器監(jiān)測(cè)方式與方法得以完善，現(xiàn)場(chǎng)收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較可觀，后臺(tái)如何對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析成為在線監(jiān)測(cè)不得不面對(duì)的難題。一是如何從大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的篩選和提取，二是對(duì)于有效數(shù)據(jù)如何尋找一種優(yōu)越算法，精準(zhǔn)捕捉數(shù)據(jù)特征量，從而提高發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的概率。

3 應(yīng)用及建議

江蘇電網(wǎng)某500 kV變電站建于20世紀(jì)90年代初，斷路器運(yùn)行歷時(shí)長(zhǎng)，型號(hào)多樣。該站在2013—2016年斷路器在線監(jiān)測(cè)科研工作基礎(chǔ)上，積累了斷路器機(jī)械故障、瓷套缺陷、相關(guān)回路缺陷的診斷經(jīng)驗(yàn)和大量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。2019年起，結(jié)合變電站智能運(yùn)檢建設(shè)，進(jìn)行了斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。結(jié)合推廣應(yīng)用階段發(fā)現(xiàn)的問題，提出以下建議。

3.1 安裝實(shí)施

由于在線監(jiān)測(cè)所需傳感器數(shù)量較多，斷路器在線監(jiān)測(cè)可以協(xié)同變電站內(nèi)其他設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備考慮，利用三維建模及定位技術(shù)對(duì)變電站整體進(jìn)行建模，從而有助于傳感器的布局以及設(shè)備的快速查找，各傳感器應(yīng)盡可能物盡其用，避免重復(fù)安裝以及材料浪費(fèi)。另外結(jié)合目前人工智能新技術(shù)，最大程度保證安裝在線監(jiān)測(cè)裝置的智能性與實(shí)用性。

安裝之前應(yīng)做好變電站內(nèi)危險(xiǎn)點(diǎn)分析與三措編制，建設(shè)改造過程要強(qiáng)化安全意識(shí)，嚴(yán)守安全規(guī)定，嚴(yán)控安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是對(duì)于斷路器涉及二次回路的改造工作，應(yīng)遵循電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)、智能電網(wǎng)安全防護(hù)等要求，提高系統(tǒng)使用安全防護(hù)水平，確保信息安全的能控、可控、在控。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)算法升級(jí)

針對(duì)視頻圖像識(shí)別準(zhǔn)確率低的問題，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)開發(fā)巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能，可僅將室外機(jī)器人及高清視頻巡檢用作圖像采集，利用巡檢系統(tǒng)后臺(tái)處理高清視頻、室外機(jī)器人、室內(nèi)機(jī)器人采集的圖片和在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析處理，開展相間對(duì)比、同類對(duì)比及趨勢(shì)分析。

針對(duì)機(jī)械故障診斷識(shí)別率低的問題，分合閘線圈電流是反映斷路器主控制回路基本故障及彈簧機(jī)構(gòu)故障的主要數(shù)據(jù)來源。對(duì)于不同的斷路器型號(hào)來說，其分合閘線圈電流的基本波形和特征參數(shù)也有所不同。通過收集不同型號(hào)斷路器的主要特征參數(shù)，依據(jù)斷路器特征參數(shù)建立斷路器分合閘標(biāo)準(zhǔn)模型。另外應(yīng)將一定量的設(shè)備在安裝同樣性能可靠的傳感器的基礎(chǔ)上，將工廠試驗(yàn)與帶電操作時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，能更有效體現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的作用，并建立專家診斷系統(tǒng)來指導(dǎo)科學(xué)檢修并確保電網(wǎng)的可靠長(zhǎng)期運(yùn)行，從而提高斷路器故障診斷算法及智能診斷專家系統(tǒng)的適用性和準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)據(jù)處理能力提升

傳感器的數(shù)據(jù)采樣在保持精度的情況下可適當(dāng)降低采樣率，不需要完全追求海量的采樣數(shù)據(jù)。對(duì)于不同類型的在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容，根據(jù)傳感器及設(shè)備特征設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)篩選算法，通過算法對(duì)無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，僅保留有效數(shù)據(jù)部分。

相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理方法，新興的云計(jì)算技術(shù)成本低，且具備可靠性高、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，可以將云存儲(chǔ)和云計(jì)算技術(shù)有效利用到斷路器在線監(jiān)測(cè)后臺(tái)數(shù)據(jù)應(yīng)用過程中，提升數(shù)據(jù)處理的快速性和準(zhǔn)確性。

3.4 展望

對(duì)于目前斷路器在線監(jiān)測(cè)的報(bào)警結(jié)果應(yīng)按缺陷類型進(jìn)行劃分，并將斷路器在線監(jiān)測(cè)功能引入變電站整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)范圍。通過斷路器在線監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反映設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷路器從計(jì)劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，減少人力物力財(cái)力的支出。

另外，斷路器在線監(jiān)測(cè)也應(yīng)緊密圍繞電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，深化應(yīng)用人工智能技術(shù)，打造智能運(yùn)檢變電站，充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)資源，拓展功能應(yīng)用，構(gòu)建變電站智能運(yùn)檢體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)全面實(shí)時(shí)掌控、設(shè)備異常主動(dòng)分析預(yù)判、設(shè)備故障快速準(zhǔn)確處置及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)行為安全管控。

4 結(jié)論

處于運(yùn)行狀態(tài)的高壓斷路器，現(xiàn)場(chǎng)安裝在線監(jiān)測(cè)裝置的技術(shù)難度較大。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)利用率不高，后臺(tái)識(shí)別算法不夠完善，整體故障診斷識(shí)別率低。針對(duì)此問題，對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的安裝實(shí)施以及系統(tǒng)算法升級(jí)提出了建議。通過斷路器在線監(jiān)測(cè)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷，促進(jìn)斷路器從計(jì)劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，對(duì)未來斷路器檢修策略調(diào)整及優(yōu)化具有重要意義。