高壓隔離開關(guān)非侵入式機(jī)械缺陷診斷方法及現(xiàn)場應(yīng)用

楊濤　徐吉用　朱啟龍　王永志　劉佳立

摘要：高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中用量最多的一次設(shè)備，其缺陷率隨著運(yùn)行年限增長逐年增加。現(xiàn)闡述了一種高壓隔離開關(guān)電機(jī)功率非侵入式檢測方法，在不改變隔離開關(guān)完整結(jié)構(gòu)的情況下，檢測操作機(jī)構(gòu)箱電機(jī)的電流、電壓信號，然后根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的動作時(shí)間以及持續(xù)計(jì)算的電機(jī)功率信號建立功率曲線，通過將該功率曲線與機(jī)械狀態(tài)正常時(shí)的功率曲線進(jìn)行對比，判斷隔離開關(guān)是否存在機(jī)械缺陷，并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高壓隔離開關(guān);非侵入式;功率曲線;機(jī)械缺陷

中圖分類號：TM564.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.001

0? ? 引言

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中用量最多的高壓設(shè)備，主要用于隔離電源、倒閘操作、連通和切斷小電流回路等，是電網(wǎng)可靠運(yùn)行必不可少的一種電力設(shè)備。由于敞開式高壓隔離開關(guān)戶外工作環(huán)境較為惡劣，常年經(jīng)受風(fēng)霜、雨雪、沙塵、污穢等的侵蝕，加之其結(jié)構(gòu)較為簡單、造價(jià)相對便宜，部分隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)缺陷、選材不當(dāng)、日常運(yùn)維質(zhì)量不佳等因素，致使隔離開關(guān)缺陷頻發(fā)[1-5]。當(dāng)隔離開關(guān)存在機(jī)械故障時(shí)，其可能無法正常分合閘，同時(shí)觸頭、觸指嚙合狀態(tài)不良將導(dǎo)致隔離開關(guān)發(fā)熱的缺陷，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對高壓隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的檢測診斷，目前國內(nèi)外的研究主要有：

（1）通過加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)來預(yù)防高壓隔離開關(guān)機(jī)械故障[6-7];

（2）通過改變敞開式高壓隔離開關(guān)原有軸系，斷開操作桿，在斷開的操作桿之間安裝力矩傳感器、角度傳感器來判斷隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)[8];

（3）根據(jù)操作力矩與應(yīng)變之間的關(guān)系，通過檢測敞開式隔離開關(guān)動作過程中操作桿的應(yīng)變來判斷隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)[9];

（4）通過檢測敞開式高壓隔離開關(guān)動作時(shí)操作機(jī)構(gòu)箱的電機(jī)電流來判斷隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)[10-11];

（5）采用隔離開關(guān)操作力矩—轉(zhuǎn)角檢測設(shè)備，離線檢測敞開式高壓隔離開關(guān)動作過程的操作力矩—轉(zhuǎn)角曲線，然后將檢測曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線或運(yùn)行狀態(tài)良好的歷史曲線進(jìn)行比較分析，來判斷被測隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)[12]。

以上技術(shù)均需在停電后進(jìn)行檢測，且需在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件下才能開展，而對隔離開關(guān)的帶電檢測及診斷技術(shù)研究較少。下文將介紹一種高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法，能在不破壞隔離開關(guān)完整結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)對隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的在線檢測及診斷。

1? ? 高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法

1.1? ? 檢測技術(shù)原理

高壓隔離開關(guān)一般由合、分閘接觸器控制三相異步電機(jī)正、反向轉(zhuǎn)動，從而完成其合、分閘運(yùn)動。目前可以實(shí)現(xiàn)通過檢測高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率來診斷其機(jī)械狀態(tài)。

交流電路中，有功功率是指一個周期內(nèi)負(fù)載消耗的功率的平均值，也稱平均功率，計(jì)算公式如下：

異步電機(jī)是典型的三相對稱負(fù)載，采用二表法測量電機(jī)三相功率，通過測量兩相電流以及對應(yīng)的線電壓，可以計(jì)算電機(jī)的輸入功率，計(jì)算公式如下：

所以在檢測工作中，一般需要在電機(jī)回路并接電壓傳感器，同時(shí)串接電流互感器，測量電機(jī)動作過程中的電機(jī)電壓信號與電流信號，從而計(jì)算其功率信號。在得到電機(jī)功率信號后，需通過接收系統(tǒng)傳輸至后臺計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)持續(xù)計(jì)算電機(jī)功率信號，根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的動作時(shí)間以及持續(xù)計(jì)算的電機(jī)功率信號建立功率曲線，將該功率曲線與機(jī)械狀態(tài)正常時(shí)的功率曲線進(jìn)行對比，即可判斷待檢測高壓隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)是否正常。

1.2? ? 電機(jī)功率非侵入式檢測方法

根據(jù)上述原理分析，提出了一種驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法。采用卡扣式電流互感器配合數(shù)據(jù)采集模塊直接測量相電流，將卡扣式電流互感器安裝在接觸器A、C兩相的進(jìn)線端，從而引出相應(yīng)的電流信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊測量接觸器A、C兩相相電流IA和IC。采用電壓探夾配合數(shù)據(jù)采集模塊測量接觸器A、C兩相電壓，將電壓探夾夾持在接觸器的端子處，通過電壓探夾金屬部分與端子螺絲接觸，從而引出相應(yīng)的電壓信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊測量接觸器A、C兩相電壓UAB和UCB，如圖1、圖2所示。

現(xiàn)場檢測時(shí)，在確保計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、電壓探夾和卡扣式電流互感器之間連接好后，開始持續(xù)檢測接觸器的電流、電壓信號，得到驅(qū)動電機(jī)的電流、電壓信號。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)動作時(shí)，檢測到的接觸器A、C兩相電流值大于0.1 A，數(shù)據(jù)采集模塊開始記錄并存儲相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)則根據(jù)檢測數(shù)據(jù)持續(xù)計(jì)算電機(jī)功率信號，并根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的動作時(shí)間以及持續(xù)計(jì)算的電機(jī)功率信號建立功率曲線。由人工將該功率曲線與機(jī)械狀態(tài)正常時(shí)的功率曲線進(jìn)行對比，即可判斷機(jī)械狀態(tài)是否正常。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動判斷機(jī)械狀態(tài)，可在計(jì)算機(jī)上編寫程序，使計(jì)算機(jī)基于功率曲線以及相關(guān)特征量，自動對高壓隔離開關(guān)進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)診斷。高壓隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)診斷流程如圖3所示。

首先，在測得待檢測隔離開關(guān)的電機(jī)功率曲線后，提取相關(guān)特征量，包含其合閘時(shí)間t合、合閘過程平均輸出功率P合、合閘過程最大輸出功率P合max、正常狀態(tài)合閘時(shí)間t合標(biāo)、電機(jī)額定功率P額。對于折臂式隔離開關(guān)，還需計(jì)算其合、分閘過程做功之比（W合/W分）。

然后，計(jì)算機(jī)開始比較被測隔離開關(guān)t合和t合標(biāo)，當(dāng)運(yùn)動時(shí)間t合低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間t合標(biāo)的α%時(shí)（α的設(shè)定應(yīng)結(jié)合不同型號開關(guān)所配合的操作機(jī)構(gòu)箱具體設(shè)定，具體原則應(yīng)為當(dāng)運(yùn)動時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的α%時(shí)，隔離開關(guān)的回路電阻為標(biāo)準(zhǔn)值的3倍以上），其轉(zhuǎn)角不在允許范圍內(nèi)，說明存在動作不到位故障。

該故障原因有兩種：其一是開關(guān)未完成指定動作，控制回路存在問題;其二是開關(guān)未完成指定動作，存在嚴(yán)重卡澀故障。因此，計(jì)算機(jī)還需將測得的功率最大值P合max與電機(jī)額定功率P額進(jìn)行對比，若測得P合max≥P額，則為開關(guān)存在嚴(yán)重卡澀故障;若測得P合max

被測隔離開關(guān)若不存在上述故障問題，則計(jì)算機(jī)繼續(xù)比較被測隔離開關(guān)的合閘過程平均輸出功率P合和電機(jī)額定功率P額，當(dāng)被測隔離開關(guān)合閘過程P合超出P額的γ%（γ的數(shù)值應(yīng)根據(jù)不同高壓隔離開關(guān)型號決定）時(shí)，判定存在卡澀缺陷。

最后，若被檢測高壓隔離開關(guān)不存在上述任一故障和缺陷，則判斷待檢測隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)正常。

此外，若被檢測高壓隔離開關(guān)是折臂式隔離開關(guān)，由于折臂式開關(guān)設(shè)有平衡彈簧，以平衡動作過程中導(dǎo)電臂重力勢能的變化。一般情況下，應(yīng)保證處于分閘狀態(tài)的隔離開關(guān)不能自動合閘，因此合閘過程所需的驅(qū)動力較大，電機(jī)功率較大，合閘做功應(yīng)大于分閘做功。因此，除上述故障和缺陷診斷外，計(jì)算機(jī)還需根據(jù)其合、分閘過程做功之比（W合/W分）進(jìn)行判斷，若測得（W合/W分）≥1，則說明平衡彈簧狀態(tài)正常;若測得（W合/W分）<1，則說明開關(guān)平衡彈簧已經(jīng)疲勞。

2? ? 應(yīng)用情況

2.1? ? 某GW36-550型隔離開關(guān)試驗(yàn)情況

對某GW36-550型隔離開關(guān)采用此非侵入式方法進(jìn)行檢測，通過模擬現(xiàn)場故障，采集了不同機(jī)械狀態(tài)的功率曲線。不同機(jī)械狀態(tài)下的曲線存在明顯區(qū)別，結(jié)合各機(jī)械狀態(tài)功率曲線的特征量驗(yàn)證該檢測方法及診斷流程的準(zhǔn)確性。

正常機(jī)械狀態(tài)下，合閘輸出功率曲線如圖4所示。提取對應(yīng)狀態(tài)量，該隔離開關(guān)合閘過程運(yùn)動11.64 s，合閘過程平均輸出功率為375 W，合、分閘做功之比為1.57。

人為模擬隔離開關(guān)合閘過程中發(fā)生傳動部分卡澀的情況，得出卡澀狀態(tài)下與正常狀態(tài)下的曲線對比，如圖5所示。卡澀狀態(tài)下合閘過程運(yùn)動11.82 s，合閘過程平均輸出功率為490 W，比正常狀態(tài)增加115 W，合、分閘做功之比為1.62，合、分閘做功之比基本不變。

將疲勞的平衡彈簧進(jìn)行更換后，得出平衡彈簧疲勞狀態(tài)下與正常狀態(tài)下的曲線對比，合閘曲線如圖6所示，分閘曲線如圖7所示。彈簧疲勞狀態(tài)下的合閘過程運(yùn)動11.12 s，合閘過程平均輸出功率為189 W，分閘過程平均輸出功率為297 W，合、分閘做功之比為0.6，小于1。

2.2? ? 某GW7C-252型隔離開關(guān)現(xiàn)場檢測實(shí)例

運(yùn)用此檢測方法及裝置對某500 kV新建變電站220 kV隔離開關(guān)開展驗(yàn)收，對某GW7C-252型隔離開關(guān)檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率曲線異常波動，結(jié)合該隔離開關(guān)工作原理及曲線波動情況，確定了曲線異常的原因，情況如下所述：

該型號隔離開關(guān)在觸頭、觸指嚙合前，導(dǎo)電臂基本勻速水平旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機(jī)僅需克服摩擦阻力運(yùn)動，功率較小且平穩(wěn)。觸頭、觸指嚙合過程中，觸頭先逐漸與觸指接觸，電機(jī)功率迅速增大，整個嚙合過程，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧先被拉伸，然后逐漸釋放，但觸頭、觸指夾緊力逐漸增大，因此嚙合階段力矩存在多個形狀不同的波峰。

該隔離開關(guān)在3.6 s、5.6 s時(shí)曲線存在明顯的波動，如圖8所示。

結(jié)合上文判據(jù)，初步判斷導(dǎo)電臂水平旋轉(zhuǎn)過程中存在異?？闆r。結(jié)合故障點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間對隔離開關(guān)傳動部分進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)3.6 s時(shí)由于主旋轉(zhuǎn)絕緣子底座拉桿固定螺栓下端與地刀異常接觸，存在卡澀情況，如圖9所示。5.6 s時(shí)發(fā)現(xiàn)由于導(dǎo)電臂水平旋轉(zhuǎn)過程中，主旋轉(zhuǎn)絕緣子底座閉鎖盤與地刀閉鎖軸承接觸過于緊密，造成異?？?，如圖10所示。

對以上異?？c(diǎn)進(jìn)行處理后，電機(jī)輸出功率曲線恢復(fù)正常，如圖11所示。對該站同類型隔離開關(guān)檢測結(jié)果顯示，大部分隔離開關(guān)均存在以上問題，均為安裝工藝不良造成。

3? ? 結(jié)語

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)論證，本文介紹的高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法，能在不破壞隔離開關(guān)完整結(jié)構(gòu)的情況下，通過提取高壓隔離開關(guān)分、合閘過程中的驅(qū)動電機(jī)功率信號，然后提取能有效表征機(jī)械缺陷的特征量，形成隔離開關(guān)分、合閘狀態(tài)輸出功率曲線，通過與正常功率曲線對比，再結(jié)合不同型號隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的不同判據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的帶電檢測及診斷。

該方法通過曲線對比可大致判斷隔離開關(guān)傳動部分卡澀、平衡彈簧疲勞兩類典型故障，但是要準(zhǔn)確定位高壓隔離開關(guān)機(jī)械故障部位、判別故障程度還需進(jìn)行更深入的研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 盛明學(xué)，王志清.戶外高壓隔離開關(guān)常見故障的原因分析與處理[J].高壓電器，2010，46（10）：93-96.

[2] 崔景春，王承玉，張猛，等.高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)[M].北京：中國電力出版社，2016.

[3] 張濤.高壓隔離開關(guān)安裝與檢修[M].北京：中國電力出版社，2012.

[4] 國家電網(wǎng)公司人力資源部.變電檢修（上）（下）[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5] 肖榮，徐澄.220 kV GW6型隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱故障分析及處理[J].高壓電器，2013，49（1）：107-110.

[6] 鐘振蛟.戶外隔離開關(guān)機(jī)械故障的起因及預(yù)防[J].高壓電器，2006，42（6）：464-467.

[7] 李頤.GW4-110型和GW4-220型隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)卡澀的處理[J].高壓電器，2002，38（2）：64.

[8] 常林晶，徐光輝，喬巖澤，等.GW4型隔離開關(guān)分合閘操作力矩的分析與計(jì)算[J].高壓電器，2013，49（11）：127-132.

[9] 張曉強(qiáng).應(yīng)變式高準(zhǔn)確度動態(tài)扭矩測量儀的研制[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2003.

[10] 黃聿琛，阮江軍，邱志斌，等.隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu)電機(jī)輸出軸扭矩和電流關(guān)系的研究[J].高壓電器，2015，51（6）：139-144.

[11] 邱志斌，阮江軍，黃道春，等.基于電機(jī)電流檢測的高壓隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（13）：3459-3466.

[12] 馬宏明，周濤濤，彭詩怡，等.基于操作桿轉(zhuǎn)角信號的隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷技術(shù)研究[J].高壓電器，2018，54（8）：33-39.

收稿日期：2022-03-28

作者簡介：楊濤（1989—），男，云南嵩明人，工程師，主要從事變電檢修工作。

徐吉用（1989—），男，云南宣威人，工程師，主要從事繼電保護(hù)、科技創(chuàng)新管理工作。

朱啟龍（1988—），男，云南宣威人，高級工程師，主要從事高壓試驗(yàn)工作。