周凱峰, 李海濤, 薛峰, 魏東亮, 謝建容, 胡岳

(1. 上海交通大學(xué)電氣工程系電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 2002402. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

GIS分合閘線圈電流特征分析及故障診斷

周凱峰1, 李海濤2, 薛峰2, 魏東亮2, 謝建容2, 胡岳1

(1. 上海交通大學(xué)電氣工程系電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 2002402. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

由于GIS設(shè)備的全封閉設(shè)計(jì)，可能出現(xiàn)輔助接點(diǎn)及現(xiàn)場顯示分合成功，但實(shí)際觸頭分合不到位的情況，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。斷路器在每次分合閘過程中，線圈電流隨時(shí)間變化，其變化波形蘊(yùn)藏著包含電磁鐵本身、所控制鎖扣、傳動機(jī)構(gòu)在操動過程中的工作情況等一系列重要信息。通過傳感器測量分合閘操作時(shí)分合閘線圈的電流信號，然后提取電流波形特征量進(jìn)行故障診斷，可以為判斷GIS操動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，確認(rèn)分合閘的到位提供重要的依據(jù)。

氣體絕緣斷路器;分合閘線圈;電流特征量置信區(qū)間故障診斷

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear，GIS)是將變電站中除變壓器以外的所有一次設(shè)備，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)地封閉于金屬殼內(nèi)，并充SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)。GIS具有占地面積小，可靠性高，安全性強(qiáng)，維護(hù)工作量很小等的優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代問世以來在輸變電系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。

由于GIS設(shè)備的全封閉設(shè)計(jì)，導(dǎo)致操作人員無法直接觀察到設(shè)備內(nèi)部的狀態(tài)，僅依據(jù)輔助接點(diǎn)的返回信號和操作人員的現(xiàn)場確認(rèn)來判斷設(shè)備是否分合到位。因此可能出現(xiàn)輔助接點(diǎn)及現(xiàn)場顯示分合成功，但實(shí)際觸頭分合不到位的情況，引起電網(wǎng)安全事件，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。

廣東電網(wǎng)在2014年就發(fā)生過因斷路器合閘動作不到位引發(fā)的停電事故。在進(jìn)行合22036斷路器操作后，監(jiān)控后臺顯示已在合位，但實(shí)際觸頭合閘不到位，導(dǎo)致在倒母線操作22035斷路器時(shí)拉負(fù)荷電流。該事件造成4個(gè)220 kV變電站、13個(gè)110 kV變電站全站失壓，共損失負(fù)荷約600 MW，約占東莞總負(fù)荷9%。

因此，GIS中斷路器的操動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測對保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少國民經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)社會穩(wěn)定有著重要的意義[1-4]。

斷路器在每次分合閘過程中，線圈電流隨時(shí)間變化，其變化波形蘊(yùn)藏著包含電磁鐵本身、所控制鎖扣、傳動機(jī)構(gòu)在操動過程中的工作情況等一系列重要信息[5-6]。本文對GIS分合閘線圈電流信號進(jìn)行了檢測與分析，提取特征參數(shù)進(jìn)行分析，為判斷GIS操動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，確認(rèn)分合閘的到位提供了重要的依據(jù)。

1 分合閘線圈電流波形

圖1 分合閘線圈電流波形

典型的分合閘線圈電流波形如圖1所示，可以把整個(gè)過程劃分為5段[7-10]：

階段1 (t0-t1): 線圈在t0時(shí)刻通電，可近似為電阻和電感串聯(lián)負(fù)載，電流按照指數(shù)形式上升，直到t1時(shí)刻線圈感應(yīng)出的電磁力足以驅(qū)動鐵芯運(yùn)動，此時(shí)電流達(dá)到第一個(gè)峰值i1，這個(gè)階段的時(shí)間與控制電源的電壓及線圈電阻有關(guān)；

階段2 (t1-t2): 鐵芯開始運(yùn)動，在線圈中感應(yīng)出反電動勢，因此線圈電流開始減小直至鐵芯接觸到脫扣裝置而停止運(yùn)動，電流在t2時(shí)刻減小到谷值i2；

階段3 (t2-t3): 鐵芯停止運(yùn)動，電流又開始按照指數(shù)形式上升，此時(shí)鐵芯推動脫扣裝置，分/合閘彈簧釋放彈性勢能，帶動斷路器動觸頭迅速動作，一直持續(xù)到t3時(shí)刻，電流接近穩(wěn)定值；

階段4 (t3-t4):階段3的延續(xù)，在t4時(shí)刻斷路器的輔助開關(guān)分?jǐn)啵?/p>

階段5 (t4-t5): 輔助開關(guān)觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電壓迅速升高，線圈電流迅速減小，直到t5時(shí)刻減小為0。

分/合閘電流存在兩個(gè)峰值和一個(gè)谷值，其常見特征參數(shù)在圖中已標(biāo)明為t0-電流開始上升的時(shí)刻，t1-第一個(gè)電流峰值時(shí)刻，i1-峰值電流1，t2-電流谷值時(shí)刻，i2-谷值電流，t3-第二個(gè)電流峰值時(shí)刻，i3-峰值電流2，t4-輔助開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)刻，t5-分合閘電流降為0時(shí)刻。

分析可知，t0-t1與控制電源的電壓及線圈電阻有關(guān)，t1-t2與鐵芯運(yùn)動有無卡澀，脫扣裝置負(fù)載變動情況有關(guān)，t2-t4與脫扣裝置、分合閘彈簧及動觸頭的運(yùn)動過程有關(guān)，t4-t5與輔助開關(guān)的拉弧過程有關(guān)。

2 電流波形檢測

對分合閘線圈電流波形進(jìn)行檢測的大致步驟是：利用傳感器測量分合閘操作時(shí)分合閘線圈的電流信號，而后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，然后提取電流波形特征量進(jìn)行故障診斷。

2.1 電流波形獲取

圖2 電流傳感器安裝圖

圖3 檢測系統(tǒng)界面

檢測系統(tǒng)采用上海交通大學(xué)自主開發(fā)的GIS開關(guān)狀態(tài)全時(shí)序多參量評估系統(tǒng)實(shí)施。該系統(tǒng)包含一六通道最高采樣率80 MS/s，12 bit同步采集的采集單元，其中三個(gè)單元用于分合閘線圈電流波形的采集。其他通道用于分合閘線圈電壓、GIS本體電流及分合閘時(shí)電弧等其他信號的采集。分合閘線圈電流信號，采用霍爾傳感器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳感器最大傳感電流5 A，轉(zhuǎn)化率分1 mV/10 mA和1 mV/100 mA兩檔。傳感信號經(jīng)過放大調(diào)理后連接至采集卡。波形采集采用分合閘電流脈沖信號上升沿本身觸發(fā)后單次采集模式，通過事先配置，預(yù)采集觸發(fā)時(shí)刻前一段波形(設(shè)置為觸發(fā)位置位于整個(gè)波形50%位置)，所采集的波形如圖3所示，采樣率為20 MS/s 采樣時(shí)長100 ms，以保證采集到完整的電流波形信號。

2.2 特征量提取

圖4 電流波形處理圖

檢測系統(tǒng)中獲得數(shù)據(jù)因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯氖４努F(xiàn)象，數(shù)據(jù)存在直流偏置，沒有正確歸零，首先取前100個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，然后將所有數(shù)據(jù)減去該平均值，得到的波形如圖4所示，其中A、B、C三相分別為直線、虛線和點(diǎn)線。

圖5 特征量提取算法示意圖

分合閘線圈電流波形中需要提取的特征量為{t0,t1,t2,t3,t4,t5,i1,i2,i3}。通過一個(gè)固定寬度的窗口(這里根據(jù)采樣率選擇為100個(gè)點(diǎn))，從信號0時(shí)刻開始沿時(shí)間軸平移，依次找到第一個(gè)極大值，第一個(gè)極小值，第二個(gè)極大值及其對應(yīng)時(shí)刻，即t1,t2,t4,i1,i2,i3。其算法示意圖如圖5所示。

然后設(shè)定第二個(gè)極大值的1%為零值的閾值，找到t0和t5，設(shè)定第二個(gè)極大值的99%為極大值的閾值，找到t3。

3 電流波形分析

3.1 單相電流波形分析

在編號為5012的GIS斷路器上進(jìn)行了20次分合閘試驗(yàn)，分別得到三相的分合閘電流波形數(shù)據(jù)。將其起始時(shí)間歸零化，繪制分合閘的特征量圖于圖6、7，其均值與方差匯總于表1。

圖6 GIS5012分閘特征量圖

圖7 GIS5012合閘特征量圖

特征量分閘均值分閘方差合閘均值合閘方差t00000t17.23710.49887.30821.7141t28.50040.47228.55911.4773t317.10490.685031.35603.1028t417.46160.609631.83762.3923t522.37680.574739.64044.9338i11.88170.02601.79950.0632i21.71320.03381.66160.0862i33.23520.01363.16580.0193

可以發(fā)現(xiàn)分閘和合閘電流特征值的最大不同在于t2與t3的差值，分閘線圈僅為8.6，而合閘線圈高達(dá)22.8，可以以此為判據(jù)判斷電流波形為分閘還是合閘電流波形。而分合閘線圈電流波形特征值的方差對應(yīng)于平均值都比較小，可以通過平均值和方差構(gòu)建指紋波形，判斷分合閘電流是否正常。

3.2 三相電流波形分析

圖8 三相不同期電流波形圖

由于三相分合閘電流波形可能出現(xiàn)三相不同期情況，實(shí)際檢測中也出現(xiàn)了對應(yīng)情況，其波形如圖8所示。

所以對三相電流同一特征值間的分析也有必要。取同一特征值中三相間差距最大的兩項(xiàng)進(jìn)行分析，得到的平均值與方差匯總于表2。

表2 分合閘線圈三相電流特征量的均值與方差

可以發(fā)現(xiàn)六個(gè)分合閘三相最大時(shí)間差的均值和方差比較一致，均值一般在2～3之間，方差在0～2之間。通過設(shè)立閾值，判斷是夠出現(xiàn)三相不同期現(xiàn)象。

3.3 建立置信區(qū)間

計(jì)算得到分合閘線圈電流特征量及三相最大不同期特征量的置信區(qū)間于表3和表4。

表3 分合閘線圈電流特征量置信區(qū)間

表4 分合閘三相電流特征量置信區(qū)間

圖9 GIS分合閘故障診斷流程圖

此外，可以計(jì)算得到t2與t3置信區(qū)間內(nèi)的差值分閘時(shí)最大為11.6，合閘時(shí)最小為17.0。因此，可設(shè)定閾值為14.3，以此判斷該電流波形是分閘還是合閘。

4 分合閘故障診斷

分合閘故障診斷主要通過采集到的分合閘電流波形，提取其特征量，通過t2與t3的差值判斷是分閘或合閘操作，再與相應(yīng)的置信區(qū)間比較，判斷是否出現(xiàn)三相不同期及單相電流波形異常情況，以此監(jiān)測GIS的分合閘操作情況，具體的流程圖如圖9所示。

如果分合閘正常，故障矩陣應(yīng)為9*4的零矩陣。而矩陣中1所在的位置即為出現(xiàn)問題的特征量。經(jīng)檢驗(yàn)分閘操作的故障矩陣均為零矩陣，而合閘操作僅有一次不為零矩陣，有一組數(shù)據(jù)中在(9,3)這一位置處數(shù)據(jù)為1，即C相的i3異常，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)C相的電流峰值始終為三相中的最小值，所以與三相統(tǒng)一平均后的置信區(qū)間比較時(shí)容易出現(xiàn)較小的情況，可以通過三相分開檢驗(yàn)或擴(kuò)大置信區(qū)間來解決。

圖10 合閘故障電流波形圖

將3.2中的圖8所示的三相不同期情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)單相特征量正常，三相特征量中t0—t5及i1均異常，檢查發(fā)現(xiàn)特征時(shí)間均往后推移，而第一個(gè)峰值明顯增大。推測為鐵芯運(yùn)動異常，偏移正常軌跡導(dǎo)致行程增大，時(shí)間滯后，而指數(shù)形式增大的電流也隨之增大。

圖10所示為另一GIS合閘操作異常時(shí)測得的電流波形，通過檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)C相的i1—i3及三相的t0和i1—i3，檢查發(fā)現(xiàn)t0的三相不同期略微超過上界，且C相特征電流明顯過小。推測為C相供電異常，且在之后的幾次合閘中連續(xù)出現(xiàn)了類似情況，見圖11所示，對C相分合閘線圈電流供電系統(tǒng)進(jìn)行檢修后恢復(fù)正常。

圖11 C相故障電流波形圖

5 結(jié)束語

本文對GIS分合閘線圈電流特征分析及故障診斷進(jìn)行了研究，主要工作如下：

(1)對斷路器分合閘電流波形進(jìn)行了分析，說明了六個(gè)時(shí)間特征量及三個(gè)電流特征項(xiàng)與分合閘動作的關(guān)系；

(2)采用自主研發(fā)的GIS開關(guān)狀態(tài)全時(shí)序多參量評估系統(tǒng)對電流波形進(jìn)行了檢測，并提取了相應(yīng)的特征量；

(3)計(jì)算了特征量的均值和方差，并使用95%的置信區(qū)間設(shè)定了閾值，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)。經(jīng)檢驗(yàn)正常的分合閘僅有一例出現(xiàn)微小偏差，而對故障電流波形的檢測非常準(zhǔn)確。

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Current Characteristic Analysis and Fault Diagnosis of Breaking/Closing Coils in GIS

Zhou Kaifeng1, LiHaitao2, Xue Feng2, Wei Dongliang2, Xie Jianrong2, Hu Yue1

(1.Key Laboratory of the Ministry of Education for Power Transmission and Power Conversion, Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China 2. Guangdong Power Grid Co., Ltd., Dongguan Power Supply Bureau, Dongguan Guangdong 523000, China)

Because of fully enclosed GIS design, despite of possible appearance of auxiliary contacts and on-site display of successful breaking and closing, contacts are not really broken and closed in position, thus resulting in considerable economic loss and serious social impact. During each breaking/closing of the circuit breaker, coil current changes with time and its waveform contains a series of important information about working conditions of the electromagnet itself, lock catch under control and transmission mechanism in the operational process. Current signal of the breaking-closing coil is measured in the sensor during breaking-closing operation before characteristic quantity of current waveform is extracted for the purpose of fault diagnosis so that important reference can be provided for judgment of the status of GIS operating mechanism and for confirmation of orderly breaking and closing operation.

GIS; breaking-closing coil; current characteristic quantity;confidence interval;fault diagnosis

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司資助項(xiàng)目(GDKJ00000033)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.029

TM76

A

1000-3886(2017)02-0095-03

周凱峰(1991-)男，浙江人，碩士生，專業(yè)：高電壓與絕緣技術(shù)。 胡岳(1978-)男，湖南人，博士，上海交通大學(xué)國家能源智能電網(wǎng)研發(fā)中心高級工程師，專業(yè)：高電壓與絕緣技術(shù)。

定稿日期: 2016-11-23