电力开关柜在线监测技术研究

电力开关柜在线监测技术研究调研报告华南理工大学电力学院2010 年 4 月目 录1 概述 .32 电力开关柜故障类型及在线监测的特征量 .42.1 高压开关柜的故障分类及特点 .42.1.1 高压开关柜的故障主要特点 .42.1.2 高压开关柜的故障主要类型 .52.2 高压开关柜在线监测的特征量及实现方法 .52.2.1 机械特性在线检测 .52.2.2 电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测 .62.2.3 温度在线监测包括母线连接处的温度及断路器触头温度在线监测 .62.2.4 绝缘性能在线监测 .73 电力开关柜在线监测方法过程分析 .73.1 机械特性在线检测 .83.2 电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测 .93.3 温度在线监测包括母线连接处的温度及断路器触头温度在线监测 .113. 4 绝缘性能在线监测 .134 调研结论 .151 概述高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备，高压开关柜在电力系统中担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重功能。随着电力向着高电压、大机组、大容量的迅速发展,电网日益扩大以及变电站无人值班管理模式和综合自动化的普及推广,高压开关柜的安全运行越来越重要，而且现代电力系统对电能质量的要求越来越高,相应地对高压开关柜的可靠性也提出了更高的要求。同时,随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展,使得对开关柜的运行状态进行在线监测,及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。它对于保证开关柜的正常运行,减少维修次数,提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有重要意义。高压开关柜分户内式和户外式两种,10 kV 及以下多采用户内式,根据一次线路方案的不同,可分为进出线开关柜、联络开关柜、母线分段柜等。10kV 进出线开关柜内多安装少油断路器或真空断路器,断路器所配的操动机构多弹簧操动机构或电磁操动机构,也有配手动操动机构或永磁操动机构的。不同的开关柜在结构上有很大的差别,这将影响到传感器的安装和选择。开关柜发生故障，直接的危害是被电器设备所保护的线路、设备受损，电量损失;间接的危害则是造成用户大面积停电。为确保供电的可靠性，电力部门采取定期试验和检修的办法来保证开关柜正常运行。定期检修增加了电力设备的运行费用和停电时间，甚至于增加了设备的故障率，并且在检修的间隔还是有故障发生。因此，迫切需要对开关柜实行状态检修，对设备运行状况进行实时和定时的在线监测，根据设备的运行状态和绝缘的劣化程度，确定检修时间和措施，减少停电时间和事故的发生，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。目前对电气开关柜、高压电缆及接头、大电流接点等易发热部位的监测手段大多采用手持式红外线测温仪定期进行,而大部分高压开关柜属封闭式结构,柜内高压电缆、母排连接点、刀闸触点等易发热位置的温度均须打开后盖板监测,破坏安全性能,危及值班人员人身安全,因此变电站内封闭式开关柜难以实现安全准确测温,造成柜内设备缺乏跟踪监测手段,不能及时发现柜内设备发热点,设备的安全可靠性得不到有效保证。开关柜中开关中的触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热,而这些发热部位的温度无法监测而极易导致设备烧毁或突然停电等事故。高压开关柜内闸刀触头、电力电缆进出线的接头接触不良时,接触电阻增大,在负载电流流过时会产生发热现象,过热会引起金属材料的机械强度下降,绝缘材料老化并可能导致击穿,形成事故。因此,测量和监视高压开关柜内接头的温度,是避免重大事故发生及控制故障恶化的有力手段,对于保证高压开关柜的正常运行,提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有非常重要的意义。为此有必要对电力开关柜进行可靠的实时监测,以避免事故的发生。封闭式开关柜安装在线监测装置能够实现柜对内发热部位的准确、及时检测,实现对设备动态监控,及时发现和处理设备隐患,防止隐患扩大。同时具有局域网络接口,可与管理网络相连,实现信息共享。本文对于开关柜的四种实时监测方式进行调研，并主要介绍高压柜温度监测方式的监测原理及装置。2 电力开关柜故障类型及在线监测的特征量2.1 高压开关柜的故障分类及特点要进行状态检修对设备实行在线检测，必须对故障的类型特点进行分析从而确定检测的项目。由于高压开关柜是多个电气设备的组合，其内部涉及电、磁、温度等多种物理现象，故障的表现形式和产生机理千差万别，因此要对开关柜进行在线监测并做出较准确的故障判断乃至故障预测，必须了解开关柜的工作特性和故障特点。2.1.1 高压开关柜的故障主要特点高压开关柜的故障主要有以下几个特点:（1）元件的多样性元件的多样性导致了故障形式的多样性，开关柜内存在多个电气元件，不同的元件有不同的故障表现。例如，对于母线，其故障表现为连接处的接触电阻过大从而引起异常升温;对于绝缘拉杆，其故障表现为绝缘性能下降。故障形式的多样性给传感器的选择带来了困难，所选传感器的类型、性能、数量和安装部位将直接关系到诊断的可信度。（2）状态的多样性在不同的应用场合，开关柜的工作状态有很大差别。例如对于其中的断路器而言，有些断路器需要频繁接通与分断，而有些断路器则在投运后，几乎不动作，有些在寿命期限内要多次开断短路电流，而有的则一次都不用开断。这种工作状态上的差异性给断路器的在线监测和故障诊断带来了困难。例如通过断路器动触头的行程曲线，可以获知断路器操动机构的运行情况，但如果断路器投运后，长期不执行分断关合动作，则无法获取行程曲线。（3）故障的随机性和模糊性电气设备的故障不仅取决于设备的当前状态，还跟它的历史状态有关系;同一种故障可能是由不相关的多种原因造成的，而同一种原因又可能造成不同的故障。对于同样的状态参数，故障可能发生也可能不发生，故障的严重程度也会有差别。所有这些都表明，开关柜的状态变量与故障特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系，这种映射关系也反映了故障发生的随机性和模糊性。2.1.2 高压开关柜的故障主要类型高压开关柜的故障主要有以下几类:（1） 拒动、误动故障这种故障是高压开关柜最主要的故障,其原因可分为两类:一类是因操动机构及传动系统的机械故障造成;另一类是因电气控制和辅助回路造成。（2） 开断与关合故障这类故障是由断路器本体造成的,对少油断路器而言,主要表现为喷油短路、灭弧室烧损、开断能力不足、关合时爆炸等。对于真空断路器而言,表现为灭弧室及波纹管漏气、真空度降低、切电容器组重燃、陶瓷管破裂等。（3） 绝缘故障表现为外绝缘对地闪络击穿,内绝缘对地闪络击穿,相间绝缘闪络击穿,雷电过电压闪络击穿,瓷瓶套管、电容套管闪络、污闪、击穿、爆炸,提升杆闪络,CT闪络、击穿、爆炸,瓷瓶断裂等。（4） 载流故障7.2 到 12 kV 电压等级发生载流故障主要原因是开关柜隔离插头接触不良导致触头烧融。（5） 外力及其他故障包括异物撞击,自然灾害,小动物短路等。2.2 高压开关柜在线监测的特征量及实现方法针对高压开关柜的不同故障类型,相应有不同的故障检测的特征量:2.2.1 机械特性在线检测机械特性在线检测,其监测的内容有:合、分闸线圈回路,合、分闸线圈电流、电压,断路器动触头行程,断路器触头速度,合闸弹簧状态,断路器动作过程中的机械振动,断路器操作次数统计等。目前,断路器机械状态监测主要有行程和速度的监测,操作过程中振动信号的监测等。断路器操作时的机械振动信号监测是根据每个振动信号出现时间的变化、峰值的变化,结合分、合闸线圈电流波形来判断断路器的机械状态。机械性能稳定的断路器,其分、合闸振动波形的各峰值大小和各峰值间的时间差是相对稳定的。振动信号是否发生变化的判别依据是对新断路器或大修后的断路器进行多次分、合闸试验测试,记录稳定的振动波形,作为该断路器的特征波形“指纹”,将以后测到的振动波形,与“指纹”比较,以判别断路器机械特性是否正常。文献基于振动信号高压断路器故障诊断的仿真研究根据径向基函数网络理论(RBF 网络),将健康振动信号和断路器实际振动信号波峰幅值之差形成的残差以及冲击事件发生的时间作为断路器故障诊断的特征参数,来判断断路器是否故障及故障类型。文献基于小波奇异性检测的高压断路器故障诊断基于小波变换的信号奇异性检测理论,对断路器合闸时的振动信号首先进行小波去噪处理,提纯有用信号。然后利用 Hilbert 变换提取信号包络,对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形。最后根据小波变换各尺度上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数,以此作为断路器故障诊断的一种特征参数,是一种新颖而比较有效的方法。行程-时间特性监测是指通过光电传感器,将连续变化的位移量变成一系列电脉冲信号。记录该脉冲的个数,就可以实现动触头全行程参数的测量;同时,记录每一个电脉冲产生的时刻值,就可计算出动触头运动过程中的最大速度和平均速度。因此测得断路器主轴连动杆的分合闸特性,即可反映动触头的特性。监测储能电机负荷电流和启动次数可反映负载(液压操作机构)的工作状况,也可判断电机是否正常,同时反映液压操作机构密封状况。2.2.2 电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测利用不同开断电流下的等效磨损曲线,累计每次电流开断所对应的相对电磨损,每台断路器的允许电磨损总量由其额定短路开断电流及允许开断满容量次数来标定,采用触头累积磨损量作为判断其电寿命的依据。文献真空断路器电磨损监测技术的改进 阐述了影响真空断路器和某些 SF6 断路器触头寿命的因素,提出了一种改进的真空断路器电寿命在线监测方法,该方法考虑了各相实际的开断过程和燃弧时间,准确性有较大的提高,可以更加真实地反映各相的电磨损情况。2.2.3 温度在线监测包括母线连接处的温度及断路器触头温度在线监测用于母线连接处温升测量的常用传感器有石英传感器、光微薄硅温度传感器和吸收型光纤温度传感器,它们分以石英晶体、硅片及玻璃构成的Fabryperot 槽和 GaAs 晶体作为感温元件,以光纤作为传输介质,这就有效地解决了电磁干扰问题。文献13介绍了 Fabry-perot 光微薄硅温度传感器在线测温技术,该技术已在变电站设备的状态监测技术中应用。由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中,要实现对触头的测温,必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前测温工作方式基本上采用被动式测温或主动式测温两种形式。被动式测温采用接收被测量点幅射出的远红外波,通过判断远红外波长来确定测量点温度;而主动式测温则是通过埋设在测量点的温度传感器直接测量温度。文献14介绍了一种采用红外光电隔离及高压供电方式测量触头温度的方法,通过选择适当的抗干扰措施及元器件能使监测仪既有较好的技术性能,成本又能保持在较低的水平上。该系统已成功地在国内几个变电站正常运行(如杭州的武林变、广州市的变电站等)。2.2.4 绝缘性能在线监测高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁。根据 19891992 年间全国电力系统 610kV 开关柜事故统计,绝缘和载流引起的故障占总数的 40.2%,其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的 79.0%。而由于隔离插头接触不良造成的事故占载流事故总数的71.1%高压开关柜局部放电 UHF 在线监测系统的研究 。可见,由绝缘和接触不良导致的故障所占比率是很高的,宜采取适当的方法进行监测。在上述情况下,在事故潜伏期都可能产生放电现象,故可以通过对放电的监测得到相关的信息。通常采用的监测方法有交流泄露电流在线监测和介质损耗角正切在线监测方法,文献射频法在高压开关柜局放监测中的应用研究使用射频法对开关柜内的绝缘和接触不良的在线监测技术进行了探索。利用上述各种监测方法可以较方便地获取高压开关柜的状态参量和有关信号的波形。由于高压开关柜内电磁环境较为恶劣,某些信号的波形往往含有很多因干扰而产生的“毛刺”,这对从波形中提取有用信息十分不利。传统的去除“毛刺”的办法是低通滤波,由于“毛刺主要由高频成分组成,故信号经过低通滤波后“毛刺”便被大大削弱了。但由于波形中可能存在有用的高频成分,低通滤波会将这部分高频成分也不加区别地除去,使波形发生失真。文献基于小波变换的高压开关柜监测信号消噪方法介绍了一种基于小波变换的高压开关柜监测信号消噪方法,小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状可改变,时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率,所以被誉为数学显微镜。正是这种特性,使小波变换可以用于选择性地去除信号中的“毛刺” 。3 电力开关柜在线监测方法过程分析以下结合开关机械特性、绝缘特性、温度特性在线实时监测和报警的方法，详细介绍各个方法在线监测的过程，并对其目前优缺点进行总结，对其目前推广使用情况和未来发展前景进行分析。3.1 机械特性在线检测关机械特性在线监测主要通过获取断路器操作机构主轴角位移量，计算动触头行程、平均分闸速度、平均合闸速度、刚分速度、刚合速度和最大分合闸速度等参量。机械故障是断路器故障的主要原因,有关断路器机械状态的监测方法主要有行程和速度的监测、合分闸线圈电流的监测以及操作过程中振动信号的监测等。基于机械振动信号的断路器状态监测与诊断尚在研究。1)机械振动方法监测断路器机械状态的特点a.振动传感器的尺寸小、重量轻、工作可靠、价格低;b.断路器机械振动的检测信噪比高,但只能在操作过程中获取信号,除频繁操作的断路器外,信号量明显不足;c.信号不够稳定、重复性有时较差。2)机械振动监测的使用范围a.在线监测;b.临时性监测,如 SF6 等不宜在现场进行拆卸的断路器,在离线条件下采用外附传感器进行内部状态检测。3)机械信号处理、诊断方法a.按处理的方式分为多个振动事件分别处理以及总体处理两类。b.按故障的判断方式分为与正常振动信号相比较以及和已知故障类型的振动信号相比较两类。后者由于开关种类繁多、结构差别很大,造成工业应用上工作量过大。c.按判断所用的信息可分为只根据振动信号进行判断以及与其他信号(如控制线圈电流波形、断路器行程、速度等)联合进行判断两类。（1）振动事件出现时间及幅值从国内外查阅的文献看,由于断路器振动信号在时间上有较好的分辨性,所以对其分析都是力求从中提取断路器操作过程中振动事件发生的时间信息.但在这些振动信号中,故障的出现往往还会引起时域波形中一些波峰幅值的变化,所以振动信号波峰幅值的变化也可以用来判别故障的出现.通过研究有关资料可知,大多采用 BP 神经网络进行故障诊断.因 BP 网络收敛速度比较慢,推理能力比较差,基于径向基函数网络理论1(radial basis function network, RBF),提取断路器操作过程中振动事件发生的振动信号和振动之间发生的时间作为输入,建立起断路器振动信号的 RBF 网络预测模型,构成RBF 网络预测器.正常运行时其预测器输出为固定值,将新的输入和 RBF 网络预测器预先给定的阈值比较来判断断路器是否故障及故障类型.这确是一种新颖而比较有效的方法.具体计算过程可参考基于振动信号高压断路器故障诊断的仿真研究（2）时域频域复合分析法从国内外查阅的文献看,由于断路器振动信号在时间上有较好的分辨性,所以对其的分析都是力求从中提取断路器操作过程中振动事件发生的时间信息。但在这些振动信号中,故障的出现往往还会引起时域波形中一些波峰形态的变化,所以信号的奇异性也可以用来判别故障的出现。傅立叶变换曾是奇异性分析的主要工具,但傅立叶变换是在全局上提供信号整体奇异性的描述,小波变换具有“变焦”的特点和良好的时频局部化特性,可以把信号在空间和频域上局部化,赋予了信号的局部奇异性,利用小波变换能取得更好的效果。基于小波变换的信号奇异性检测理论,对断路器合闸时的振动信号首先进行小波去噪处理,提纯有用信号。然后利用 Hilbert 变换提取信号包络,对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形。最后根据小波变换各尺度上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数,以此作为断路器故障诊断的一种特征参数,是一种新颖而比较有效的方法，具体计算过程可参考基于小波奇异性检测的高压断路器故障诊断在传统故障诊断方法的基础上,将人工智能的理论用于故障诊断,发展智能化和自动化的诊断方法,成为故障诊断的主要方向。设备故障诊断技术是一门多学科交叉的新兴学科,需要借助各种有效的数学工具,如模糊数学、神经网络、小波变换、分形几何等,此外根据故障的某些特征进行识别并加以分类的模式识别技术,根据故障与其特征量之间的数学表达式进行分析的函数识别法,对故障及其原因进行统计分析的概率统计法,根据故障发生、发展的继承和因果关系进行分析的故障树分析法,在数据不完整条件下的灰色识别方法在某些场合下也有应3.2 电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测对真空度的在线监测方法有很多。目前,国内外真空灭弧室真空度的在线检测方法主要有:光电变换法、耦合电容法、三相桥法与电弧电压法、电阻应变片法、微型冷阴极磁控计法、吸气剂膜法等。（1）电光测量其原理是基于