10kv开关柜在线监测装置的设计与研究

华中科技大学 硕士学位论文 10kV开关柜在线监测装置的设计与研究 姓名：刘晓华 申请学位级别：硕士 专业：高电压与绝缘技术 指导教师：刘春 20080605华中科技大学硕士学位论文 摘 要 10kV 开关柜在电力系统中有非常重要的作用 ，它的安全稳定运行是电力系统安 全运行的一个重要条件。 据近十年的统计数字表明， 每次高压开关设备事故平均失电 量达数百万千瓦时， 它所导致的损失为其本身价格的数千倍甚至数万倍， 我国在召开 的电机工程学会高压电器分委会97 学术会议上，与会专家们认为，由于供电连续性 和可靠性的要求，状态检修是高压电器设备检修的发展方向，所以对 10kV 开关柜在 线监测装置的研究很有意义。 针对 10kV 开关柜在多年运行中出现的故障情况，对可以反应故障情况的参数进 行测量， 即断路器的行程、 振动信号、 分合闸线圈的电压和电流、 断路器的开断次数， 同时在线监测系统也时时显示母线三相电压和电流， 母排接点的温度， 以及开关柜内 的温度和湿度， 系统有 11 个测量量， 共 15 路测量电路， 根据各个测量量的特点， 选 取合适的传感器， 对各个传感器的原理进行了详细的分析， 并且对有些传感器的安装 进行了必要的说明。 最后根据要测量参数的特征和整体情况选择了 C8051F021 型单片 机。 本文最后对全文进行总结，指出了系统中还存在的问题。 关键词：10kV 开关柜 在线监测 信号提取 传感器 I华中科技大学硕士学位论文 Abstract 10kV switchgear has a very importion role at power system. So the safety and stable operation will be a major condition of power system. According to the last decade statistics, the average loss of each high-voltage switching equipment accident will be 1 million kwh of electricity, the loss will be thousands or ten thousands more than its own price. In China, at the 97 academic meeting of the high voltage electrical institute of Electrical Engineering,the experts pointed out that because the requirements of continuity and reliability of power supple, on-line monitoring woule be the direction of development. Therefore, the on-line monitoring of 10kV switchgear is of great significance. According to the fault of the operation of 10kV switchgear, to determine the measuring parameters, including the trip and vibration signals of circuit breaker, the voltage and current of the coil, the number of break, on the other hand, the on-line monitoring system also shows that: the three-phase voltage and current, the temperatures at highpotential points, and the temperature and humidity in the switchgear. There are 11 measuring parameters of 15 measuring circuits, According to the characteristic of every parameter,the proper sensors are selected, the principle of every sensor are analysised ,how to install the special sensors, and then point out that the different treatments of the signals, based on the overall system, the SCM-C8051F021 is choosed. Finally, aggregat the full text and point out the issue in the system. Key words: 10kV switchgear on-line monitoring signal extraction sensors II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。 尽我所知， 除文 中已经标明引用的内容外， 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式 标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_ 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪 论 近年来， 随着计算机技术、 微电子技术、 传感器技术、 网络通讯技术、 数字信号 处理技术及光纤技术等的发展， 推动了高压设备在线监测和故障诊断技术的发展。 本 章首先根据电力的发展及 10kV 开关柜在电力系统中的作用，提出 10kV 开关柜在线 监测的必要性， 然后对在线监测的发展历程及意义、 国内外的研究情况及在线监测中 的关键技术做了概述。 1.1 10kV 开关柜状态在线监测研究的必要性 随着我国经济建设的发展，电力系统的容量日益增长，覆盖的范围也越来越广， 随着我国第一条 1000kV 特高压交流实验示范工程线路的运行，我国的电压等级将提 升到一个新的高度， 所以电力系统的安全可靠运行就越来越显著地影响国民经济的发 展和社会的安定团结。 2005 年我国累计装机容量达到 52000 万kW ，2006 年的装机容量为 62000 万kW ， 全社会用电量为 2.82 万亿度， 预计到 2010 年达到 8 亿度， 到 2020 年， 我国累计装机 容量将达到 12 -13 亿kW ， 成为世界上最大规模的联合电力系统。 在 2004 年举行的国 际大电网会议上，国际能源机构执行主席C.Mandil 提供的信息表明，2001-2030 年间 全球输、配电投资将达 53230 亿美元。据高压开关协会 2005 年统计资料表明，2004 年我国高压开关工业增加值与 2003 年相比增长 23.42% 1 。而高压开关设备近年来的 事故平均损失电量达数百万千瓦， 造成的损失是不可估量的， 所以为了避免事故的发 生，做好对开关设备的监测维修是必要的。 10kV开关柜在电力系统中应用十分广泛，在电力系统中担任着非常重要的作用 2 ： 1） 关合及开断 10kV 及以下正常电力线路，以输送和倒换电力负荷； 2） 从电力系统中退出故障设备及故障线段， 以保证电力系统安全， 正常运行； 3） 将两段电力线路以至电力系统的两部分隔开； 4） 将已退出运行的设备或线路进行可靠接地，以保证电力线路、设备和运行1华中科技大学硕士学位论文 维修人员的安全； 5） 用于测量 10kV 系统电压电流参数及故障报警等。 所以 10kV 开关柜是非常重要的受配电设备，一旦发生事故，将引起局部或较大 地区的停电， 会造成巨大的经济损失和社会影响， 因此这些设备运行一段时间后或在 运行中，必须进行必要的检查和维护。 1.2 电器设备检修的发展 1) 事故检修（Breakdown Maintenance） ，是设备在运行中出现了故障时才退出运 行， 进行维修， 也即坏了才修， 这种方式是为了设备再次投入使用而采取的， 不能改 善电力系统运行的安全性和可靠性。 2) 定期检修(Time-based Maintenance ） ，这种方式来源于 1932 年的苏联 3 ，事先 制定好设备检修的计划， 然后进行预防性的检修， 这种方法有助于设备故障的及时发 现和处理， 相对于事后检修有很大的进步， 但是存在不足维修， 即设备在计划检修之 前已经出现故障， 另外还存在浪费检修， 即当到计划检修的时候， 电气设备仍然处于 稳定的工作状态， 但是按照计划还必须进行检修， 对设备进行解体和重装， 这样就造 成了人力、 物力、 财力方面的浪费， 甚至在设备不该修的时候频繁停下来维修， 可能 会造成设备本身使用寿命的下降， 从而有设备不是使用坏了而是修坏了的可能性， 再 加上维修人员技术的参差不齐，这种方法也不适合现代电力系统的稳定安全运行。 3) 预知检修(Predictive Maintenance ） ，是 20 世纪 50 年代美国GE 公司提出的， 后 来这种思想被演变为“ 状态检修” （Condition-based Maintenance ） ，它是电气设备运行 中或者基本不拆卸的情况下， 采用各种测量、 分析和判断的方法， 根据电气设备自身 的运行环境和历史状况 45 ，时时诊断电气设备的运行状态，维修都是按照电气设备 的运行参数进行的，所以它有以下的优点： A. 避免电力系统不必要的停电； B. 减少设备不必要的维修和在维修中造成的损害以及因设备检修不当所造成的 事故； C. 因为是按照设备运行中的实际情况来判断设备的健康状况，具有一定的科学2华中科技大学硕士学位论文 性； D. 减少因设备维修而造成的人力、物力和财力。 1.3 在线监测的意义 状态检修是一种更科学合理的检修模式， 它克服了定期检修的盲目性， 避免不必 要的浪费， 使劳动生产率、 供电可靠性得到了很大的提高， 能够使电力部门制定合理 的检修计划， 节省了大量的维护费用， 因此状态监测得到了社会的普遍关注， 在我国 召开的电机工程学会高压电器分专委会97 学术会议上，与会专家认为，由于供电连 续性和可靠性的要求， 定期检修是不合适的， 状态检修是高压电器设备检修的发展方 向， 目前的状态检修多依靠经验和感觉， 科学性不够， 应该对主要性能参数开展有效 的在线监测技术的研究， 制定控制指标， 以提高状态检修的科学性。 1997 年在柏林召 开的IEEE/PES 会议上， 有关专家指出高压电器设备在线监测已经成为电力工业急需发 展的一项新技术 678 。 开关柜作为发电和用电的中间环节， 其重要性不言而喻， 并且随着电力系统容量 的日益增大， 供电的可靠性、 安全性和经济性， 都对开关柜的稳定运行提出了更高的 要求 9 。 1.4 国内外对开关柜在线监测的研究现状 1.4.1 国外的研究 国外对开关柜的研究较早， 而且有较好的产品， 如日本的高岳厂生产的配电开关 柜具有如下的功能 1011 ： 1） 脱扣机构断线监测： 对由于脱扣器线圈断线或者辅助开关接触不良酿成的断 路器柜分闸故障进行监测； 2） 动作时间监测： 监测流过控制线圈的电流， 从控制开关接点开始切换作为起 点， 到辅助开关切换， 控制电流开始衰减作为终点， 计算两者相隔的时间， 然后再将 这时间与正常值进行比较、判断； 3华中科技大学硕士学位论文 3） 接触部件监测： 在断路器接触部位安装了温度应变仪， 以鉴定接触部件是否 正常； 4） 弹簧的储能时间： 测量储能开始时刻到储能结束而切换时刻的这段时间， 然 后把这一数值和规定值进行比较； 5） 温度、 湿度监测： 在柜内上部安装了温度和湿度探测仪， 随时能得到柜内的 温度湿度值，以对通风设施的起停进行控制； 6） 柜门的监视： 通过中央监控系统对各个控制柜内安装的限位开关的情况进行 监视。 加拿大还研制了一种用于高压断路器的电子监控系统。 其检测的主要内容有三个 方面： 1) 把同一类设备在最佳动作下事先建立的参数值与运行时的值进行比较，从而 决定操动机构功能是否完好； 2) 由压力传感器测得压力，根据压力值或发出警报、或去启动储能泵或锁住操 动机构； 3) 对触头磨损的参数进行监测处理，对触头的电磨损量进行监测和报警。 德国 ESKOM 公司的 Marin H.B 结合 ESKOM 公司服役断路器遇到的具体问题， 认为断路器故障主要是由于操动机构引起的， 并对断路器分、 合闸线圈电流、 动触头 行程曲线及操作过程中动态电阻进行了测量。 美国 Texas A 断路器的主轴发生弯曲， 造成分闸阻力加大等。 开关 分闸后脱扣机构不复归； 托架动作后不复归; 分闸电磁铁饿铁芯动作后卡住不复归或断 路器分闸瞬间铁芯被振动弹起; 机构反背等原因都会造成开关柜拒合事故。 12华中科技大学硕士学位论文 C. 分闸铁芯卡涩 分闸铁芯卡涩往往是由于铁芯的铜套变形，或铁芯与铜套间有油垢阻塞所造成， 另外由于分闸铁芯顶杆冲击间隙过小或者太短都会造成开关拒动。 D. 辅助开关故障 辅助开关质量不佳， 接触不良会造成开关拒动； 另外也有在分闸回路中串入辅助 开关的长接点，如果长接点调距离过小，开断不了直流电弧，将造成分闸线圈烧毁。 3) 载流回路的薄弱环节 主要有隔离插头弹簧片疲劳变形， 触指错位， 插不正等接触不良引起过热; 连接螺 孔过大，铝排接触面不烫锡等都会出现问题。 4) 柜内及柜间分布隔防护较差 5) 其他的问题 断路器的开断问题、避雷器的性能问题、五防联锁可靠性等问题。 总之， 10kV 开关柜是变电所和有直配供电的电厂向配电网和用户供电的最直接的 设备， 随着城市电网的不断发展扩大和对供电可靠性的要求的不断提高， 10kV 开关柜 的安全可靠运行越来越重要，及时的总结分析 10kV 开关柜常见的故障缺陷，做好 选 型、改进、运行和维修工作，以更好地适应新形势下电网的发展具有重要的意义 21 。 所以现在普遍认为要监测的有 22 ： 合闸和分闸线圈回路监测控制回路是否完好，有无断线； 合闸及分闸线圈电流监测电磁铁及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头在操 作过程中的工作情况； 合闸及分闸线圈电压监测控制回路与电压是否正常； 断路器动触头速度监测断路器运动速度， 包括速度曲线刚分/ 合速度、 平均速 度、最大速度； 合闸弹簧状态监测弹簧机构的弹簧压缩状态； 断路器动作过程中的机械振动监测机械部分的卡涩，机构运动零部件脱落， 缓冲器性能，运动过程中有无非正常碰撞等； 断路器操作次数统计监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进 行维修的次数； 开断电流加权值间接监测断路器灭弧室及弧触头烧损状况是否达到制造厂13华中科技大学硕士学位论文 规定值； 导电接触部分温度监测发热程度。 综上所述，本课题主要针对事故量发生比较大的参数进行在线监测，具体如下： 1） 断路器分合闸线圈电流 2） 断路器分合闸线圈电压 3） 断路器机械振动信号 4） 断路器行程 在断路器正常工作的情况下，主要监测以下的量： 1）母线三相电流、电压 2）开关柜接头温度 3）开关柜内的湿度、温度 4）断路器的关、合状态及开断次数 5）触头寿命 2.3 总体实现方案 通过四个部分来实现开关柜的在线监测： 信号采集部分、 信号调理部分、 多路选 通开关和 A/D 转换部分、下位机部分。通过这四个部分，实现对开关柜参数的监测， 时时反映开关柜的运行情况，并且对数