高壓開關(guān)柜設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)測及診斷研究

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司 朱 榮 劉京帥 朱 濤 俞愛軍 陳朝暉

受益于當(dāng)前基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，高壓開關(guān)柜設(shè)備在運(yùn)行過程中也結(jié)合了多項(xiàng)時代前沿性技術(shù)的使用，如5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對開關(guān)柜設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)督和監(jiān)測，提高了設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量和效率。在此過程中，設(shè)計(jì)師需根據(jù)當(dāng)前高壓開關(guān)柜設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行需求來合理優(yōu)化對其所實(shí)施的監(jiān)測管理作業(yè)，確保對開關(guān)柜設(shè)備的監(jiān)測管理具備針對性和側(cè)重性，且采集到有用的數(shù)據(jù)信息，及時調(diào)整開關(guān)柜設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地減少非計(jì)劃停電的現(xiàn)象。

1 高壓開關(guān)柜智能監(jiān)測系統(tǒng)

高壓開關(guān)柜智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包含軟件部分和硬件部分，其具備的特征如下。

1.1 硬件設(shè)計(jì)部分

高壓開關(guān)柜智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成部分大體上可分為三個層級，在基礎(chǔ)應(yīng)用收集層級中涉及到各種各樣的傳感器以及連接設(shè)備，如變壓器真空開關(guān)、開關(guān)柜、電纜等，當(dāng)數(shù)據(jù)采集層完成對數(shù)據(jù)的收集之后會將相應(yīng)的信號資料傳遞到數(shù)據(jù)處理層級，而在數(shù)據(jù)處理層級又涉及到兩個方面的處理內(nèi)容，即前端處理與后端處理，當(dāng)完成數(shù)據(jù)信息的處理之后相應(yīng)的系統(tǒng)會將相關(guān)資料以計(jì)算機(jī)指令的形式進(jìn)行傳遞來操控對應(yīng)的自動化設(shè)備、PNS，來做出在特定環(huán)境狀態(tài)下對設(shè)備的應(yīng)急調(diào)整[1]。

在前端監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)中，主要是以中央處理器以及信號調(diào)整單元為主，之后再借助對應(yīng)的信息處理單元、通信單元以及數(shù)據(jù)信息儲存單元來完成信號數(shù)據(jù)的整理、整頓、分析；此外還需要結(jié)合供電單元為各種機(jī)電設(shè)備以及傳感器設(shè)備提供基本的電源；并且還包含相應(yīng)的防護(hù)殼體來完成對設(shè)備的實(shí)體保護(hù)。在數(shù)據(jù)采集層面涉及到監(jiān)測前端的設(shè)計(jì)內(nèi)容，而在監(jiān)測前端的設(shè)計(jì)內(nèi)容中涉及到通信模塊，對應(yīng)的通信模塊通常以無線網(wǎng)以及移動通訊信號通訊為主，通過建設(shè)對應(yīng)的監(jiān)測前端以及客服終端，借助服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息以及相關(guān)指令的傳遞、傳輸，借助不同的網(wǎng)絡(luò)通信形式來構(gòu)建不同類型的通訊網(wǎng)絡(luò)[2]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)部分

軟件設(shè)計(jì)部分作為支撐各項(xiàng)硬件設(shè)施高效運(yùn)轉(zhuǎn)的主要元素，在現(xiàn)有高壓開關(guān)柜智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具備重大的意義，是作為整個監(jiān)控系統(tǒng)的控制管理核心部分。相應(yīng)的軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)組合的分析以及實(shí)施過程管控，完成對數(shù)據(jù)的驗(yàn)證處理，整個軟件板塊包含登陸試驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)組態(tài)、狀態(tài)評估等諸多板塊內(nèi)容，具體來說，在對應(yīng)的登錄板塊可分為管理人員和試驗(yàn)人員登陸部分；而在試驗(yàn)過程板塊則涉及到操作控制、參數(shù)記錄以及數(shù)據(jù)分析、錄入等；在數(shù)據(jù)處理板塊包含數(shù)據(jù)查詢、檢索、對比、上傳；在輔助功能板塊又涉及到報告清單打印以及規(guī)程查詢；在狀態(tài)評估板塊包含對設(shè)備的綜合評估以及單一試驗(yàn)評估。其涉及到的內(nèi)容相對較多，共同輔助各種軟硬件設(shè)施，實(shí)現(xiàn)其高效、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)?？傊趯?yīng)的軟件設(shè)計(jì)板塊，其側(cè)重實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的溫度、停電、帶電狀況進(jìn)行動態(tài)化管控，并且還需要實(shí)現(xiàn)對局部放電進(jìn)行有效監(jiān)測、處理和診斷，整個軟件設(shè)計(jì)所涉及到的編程語言通常為c++。

無論是在硬件板塊還是在軟件板塊，設(shè)計(jì)師在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)打造的過程中都應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場工作的具體開展需求，融合高壓開關(guān)柜智能監(jiān)測內(nèi)容以及監(jiān)測類型，實(shí)施對相關(guān)軟硬件設(shè)施的精細(xì)化建設(shè)和打造，來滿足具體的檢測需求。

2 高壓開關(guān)柜狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容

當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器技術(shù)得到了快速的發(fā)展，相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號處理技術(shù)及人工智能技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛使用,在高壓開關(guān)柜設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測作業(yè)中結(jié)合此類高新技術(shù)能使得針對高壓開關(guān)柜設(shè)備的故障診斷更加精確、可靠，并及時借入高新技術(shù)來完成對現(xiàn)有診斷系統(tǒng)的優(yōu)化。實(shí)施對高壓開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測具備較大的現(xiàn)實(shí)意義，結(jié)合常態(tài)化的監(jiān)測數(shù)據(jù)及對當(dāng)前開關(guān)柜的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢修后能夠使得后續(xù)針對開關(guān)柜設(shè)備維護(hù)管理的工作量進(jìn)一步縮減，降低非計(jì)劃停電概率，及時發(fā)現(xiàn)其中存在缺陷的地方。

結(jié)合諸如開關(guān)柜溫度監(jiān)測（圖1）、局部放電監(jiān)測對其中的溫度信號、聲學(xué)信號、振動信號、電信號進(jìn)行有效地收集，借助對應(yīng)的中央處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對各種信號的實(shí)時分析，以此來反映出高壓開關(guān)柜的實(shí)際運(yùn)行狀況，其中所涉及到的溫度監(jiān)測方式、檢測位置以及相關(guān)溫度傳感器的布局、固定方式都需要根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)部的實(shí)際構(gòu)造來確認(rèn)，而在放電研究過程中，需對整個監(jiān)測系統(tǒng)所沿用的放電監(jiān)測模式及其中暫態(tài)的電壓傳感器進(jìn)行必要地探討，同時還需要對超聲波寬帶、射頻傳感器、高頻脈沖、電流傳感器進(jìn)行有效設(shè)置，以此來使得監(jiān)測得到的信息更加全面、豐富，使得整個智能監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)資料以及對故障的診斷更加精確、合理且具備代表性。

圖1 溫度監(jiān)測模塊

3 高壓開關(guān)柜設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)測

3.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

在對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測診斷的過程中，通常是結(jié)合開關(guān)柜局部放電監(jiān)測作業(yè)來開展相關(guān)工作，使得在檢修設(shè)備過程中更加具備明確的工作重心和方向，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷還能進(jìn)一步減少在檢測過程中在試檢、陪檢方面所投入的精力和時間，以此來進(jìn)一步降低工作強(qiáng)度，并節(jié)約了大量的試錯時間，在某種程度上緩解了企業(yè)一線檢測人員不足的矛盾。此外，高壓開關(guān)柜狀態(tài)的檢修工作得到有效地落實(shí)和完善還能夠進(jìn)一步提高工作人員對開關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的掌控能力，并對開關(guān)柜當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行的工況及后續(xù)可能存在的運(yùn)行趨勢進(jìn)行分析、探討，從而幫助企業(yè)有針對性地制定巡檢計(jì)劃，使得后續(xù)工作的開展更加科學(xué)、合理[3]。

3.2 遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)診斷

通常在開關(guān)柜運(yùn)行期間存在局部放電的事故往往具備相應(yīng)的潛伏期，簡而言之，在特定時間內(nèi)可能存在設(shè)備放電異常的現(xiàn)象，此時可結(jié)合智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控策略來對高壓開關(guān)柜所存在的局部放電狀況進(jìn)行分析、探討，及時地在對應(yīng)的通信組網(wǎng)內(nèi)檢測到放電信息，以此來實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜設(shè)備遠(yuǎn)距離的智能管控。

此外在現(xiàn)有的遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)診斷過程中也結(jié)合了超高頻局部放電監(jiān)測法，此類方法主要是接收開關(guān)柜內(nèi)部所存在的局部放電而產(chǎn)生的電磁波，此類電磁波往往具備較高的頻段，借助相應(yīng)的高頻電波可以實(shí)施實(shí)時、穩(wěn)定、高效的監(jiān)測和故障定位，同時還能在不停電的狀況下完成對設(shè)備的安裝管理，并實(shí)施對設(shè)備動態(tài)化的監(jiān)督管控，且具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

在遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)診斷過程中所涉及到的內(nèi)容主要分為四個部分，首先當(dāng)系統(tǒng)對高壓開關(guān)設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)以及其內(nèi)部的機(jī)械性能進(jìn)行監(jiān)測管理的過程中需要側(cè)重實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜內(nèi)部的合閘線圈以及相關(guān)回路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時還需要對斷路器的動觸頭行程和機(jī)械振動進(jìn)行實(shí)時高效地監(jiān)督，以此來實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確、可靠地診斷和監(jiān)督。

而在對相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)管控過程中，可結(jié)合遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)監(jiān)測相關(guān)設(shè)備的電氣性能，同時在設(shè)置不同的電流模式下相關(guān)斷路器所存在的等效磨損曲線，通過對磨損量的分析、對比來對當(dāng)前開關(guān)柜設(shè)備的運(yùn)行壽命進(jìn)行預(yù)測。對于有載開關(guān)測試儀方面，要確保在高壓開關(guān)柜運(yùn)行期間能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)正常的關(guān)合處理，保證設(shè)備能夠正常、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

此外，還需實(shí)現(xiàn)對高壓開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督，在對高壓開關(guān)柜的溫度進(jìn)行測量的過程中，通常是將開關(guān)柜設(shè)備的母線連接處的溫度、及斷路器觸頭部位的溫度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，且在測量母線連接處溫度的過程中需結(jié)合特定的傳感器材料，如光纖溫度傳感器、石英傳感器來監(jiān)測相關(guān)零部件的實(shí)時溫度，以此來避免電磁干擾給監(jiān)測數(shù)據(jù)所帶來的影響；在現(xiàn)有遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)診斷過程中，還需對高壓開關(guān)設(shè)備絕緣部分性能進(jìn)行監(jiān)測，考量相關(guān)設(shè)備的絕緣部分是否存在老化缺陷的狀況，檢測連接部分是否存在接觸不良，確保高壓開關(guān)柜能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 關(guān)鍵狀態(tài)信息的監(jiān)測

在當(dāng)前對高壓開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測的過程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合多項(xiàng)時代前沿性的技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（圖2）、大數(shù)據(jù)技術(shù)來完成對整個設(shè)備以及監(jiān)測系統(tǒng)智能化、信息化地改造，以此來打破相關(guān)設(shè)備在過往運(yùn)行過程中所存在的局限性，充分發(fā)揮新時期、新技術(shù)所帶來的優(yōu)勢。在結(jié)合無線化技術(shù)、IP化技術(shù)使用的過程中，還需及時構(gòu)建一類智能化的監(jiān)測體系，在確保監(jiān)測質(zhì)量的前提下進(jìn)一步提高工作管理的效率，降低前期所投入了的各項(xiàng)建設(shè)成本。此外，還需對高壓開關(guān)柜設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)以及其中所涉及到的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，完成對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備綜合全面地評估、評價，并且還需要實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前供電可靠性預(yù)警以及修復(fù)功能。

圖2 信息監(jiān)測的反饋圖

在對關(guān)鍵狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測診斷的過程中首先需要分析對應(yīng)的開關(guān)柜設(shè)備是否存在拒動或誤動的現(xiàn)象，在對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的過程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合逐一排查、逐一診斷的策略，側(cè)重分析開關(guān)柜所存在的拒動或誤動故障，并且當(dāng)高壓開關(guān)柜內(nèi)部的操作機(jī)構(gòu)與傳動機(jī)構(gòu)存在相應(yīng)的機(jī)械故障時會導(dǎo)致整個系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行出現(xiàn)卡頓、卡塞的狀況，以至于后續(xù)開關(guān)柜設(shè)備出現(xiàn)諸如形變、位移等現(xiàn)象，從而使得開關(guān)柜無法正常穩(wěn)定地運(yùn)行。此外，如在對應(yīng)的電氣控制中存在二次接線接觸不良或端子松動的現(xiàn)象也會存在設(shè)備誤動的狀況，從而影響設(shè)備正常運(yùn)行。

通過數(shù)據(jù)調(diào)研、分析可看出，在當(dāng)前高壓開關(guān)柜設(shè)備常見的開斷以及關(guān)合故障中，由斷路器而引起的本體故障占絕大部分，因此需實(shí)現(xiàn)對斷路器的本體進(jìn)行精細(xì)化檢驗(yàn)，及時發(fā)現(xiàn)其中存在的運(yùn)行故障以及導(dǎo)致運(yùn)行故障的根本原因，并做出有效的改善。高壓開關(guān)設(shè)備的載流故障也相對較為常見，相應(yīng)的載流故障主要是由開關(guān)柜隔離插頭接觸不良而致使觸頭燒融而導(dǎo)致的故障。同時若開關(guān)柜在正常運(yùn)行的過程中受到諸如外力的撞擊、沖擊也會使其正常穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)受到相應(yīng)影響，需及時判斷開關(guān)柜是否遭受到外物的撞擊或沖擊。此外，在開關(guān)柜相關(guān)區(qū)域發(fā)生自然災(zāi)害期間，也需對高壓開關(guān)柜設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，避免其受到外部環(huán)境的影響而出現(xiàn)運(yùn)行故障。

4 結(jié)語

對現(xiàn)有的開關(guān)柜設(shè)備監(jiān)測診斷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改善，借助新時期全新的傳感器技術(shù)、智能通訊技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對各種信號資料的收集、整理、分析、反饋，以此來提高開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量和效率。在此期間，應(yīng)根據(jù)開關(guān)柜設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況來合理為其布置對應(yīng)的監(jiān)測軟硬件設(shè)施，使得監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)資料更加具備針對性和側(cè)重性，且能夠反映出設(shè)備實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)。