楊永雄，龔 森，陳延秋，鄭奕輝

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

1 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的重要性

電氣設(shè)備，尤其是經(jīng)常需要動作的電氣設(shè)備(如斷路器、隔離開關(guān)等)在運行中受到電、熱、機械負荷作用以及自然環(huán)境(氣溫、氣壓、濕度以及污穢等)影響，長期工作后會產(chǎn)生老化、疲勞、磨損，導致性能下降和可靠性降低。在電力系統(tǒng)實際運行過程中，隔離開關(guān)機械結(jié)構(gòu)部件由于長期的負荷作用或操作，造成銹蝕、磨損而導致動作失靈、漏氣漏液或其他結(jié)構(gòu)性破壞。這些變化(即劣化)過程一般是緩慢、漸變的過程，可能引起設(shè)備故障率增大，危及系統(tǒng)的安全運行。

目前，在電力系統(tǒng)中，現(xiàn)場可電動操作的隔離開關(guān)一般常常用本身的行程輔助接點來控制分、合閘狀態(tài)，即用本身的行程輔助接點來接通或斷開合閘(分閘)線圈。操作時，由于電氣或本身機械方面原因，可能造成不能正確分、合閘，此類故障在形成前都會在電動操作機構(gòu)上體現(xiàn)出來。電動機的電流會因為磨損、過載和輕載而發(fā)生變化，通過對該電流的長期跟蹤和測試，可預測刀閘是否需要檢修，繼而提前預知故障，及時檢修，以提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量和效率，延長刀閘和電動機構(gòu)的壽命。

2 隔離開關(guān)機械故障檢測的原理

高壓隔離開關(guān)的主要功能有3點：(1) 隔離電源，保證高壓電器及裝置在檢修時的安全；(2) 倒閘操作；(3) 分、合小電流電路。

國產(chǎn)隔離開關(guān)配用的電動機構(gòu)有CJ5，CJ6，CJ2-XG，CJA7G等型號，采用0.5—0.6 kW的三相異步電動機作為驅(qū)動電機，經(jīng)減速裝置(蝸輪蝸桿、齒輪或絲杠等)驅(qū)動隔離開關(guān)主軸，進行分、合閘操作，每次轉(zhuǎn)角為180°。在分、合閘結(jié)束時，通過行程開關(guān)來切斷電動機電源。

2.1 主軸轉(zhuǎn)角時間特性

電動操作機構(gòu)與隔離開關(guān)本體連接后，在開關(guān)由分到合或由合到分的過程中，主軸轉(zhuǎn)過的角度θ與時間t的對應關(guān)系稱為轉(zhuǎn)角時間特性，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)角時間特性曲線

在圖1中，曲線1表示標準的轉(zhuǎn)角時間特性，在安裝調(diào)試完畢后測得；曲線2表示運行若干時間后測得的特性；T1，T2為全行程時間。從圖形上看，如果傳動系統(tǒng)有卡澀現(xiàn)象，最直觀的結(jié)果是全行程時間會延長，因此ΔT是一個很重要的特征參數(shù)。

如果在主軸轉(zhuǎn)動過程中傳動系統(tǒng)發(fā)生輕微卡澀，表現(xiàn)在特性曲線上就是產(chǎn)生曲折形狀，如圖2所示。

圖2 有卡澀時的轉(zhuǎn)角時間特性曲線

從轉(zhuǎn)角時間特性上，還可以分析分合閘結(jié)束時的緩沖情況及行程開關(guān)動作的時機是否恰當。如果主軸轉(zhuǎn)角未達180°，表明行程開關(guān)切斷過早；如果在180°附近產(chǎn)生較大的過沖和反彈，表明行程開關(guān)切斷過遲；如果在轉(zhuǎn)角未達180°時產(chǎn)生較大的過沖和反彈，表明隔離閘刀機械限位過早接觸。根據(jù)上述情況，就可以解決隔離開關(guān)分合閘準確到位的問題。

隔離開關(guān)安裝完畢后進行調(diào)試時，通過測量轉(zhuǎn)角時間特性可分析限位開關(guān)及分合閘的機械限位調(diào)整是否合適、機構(gòu)與開關(guān)本體的連接是否合適，還可分析在主刀的整個分合閘過程中地刀與主刀的機械閉鎖裝置是否有比較嚴重的摩擦。

2.2 電動機電流波形

異步電機是電動機構(gòu)中的能量轉(zhuǎn)換裝置，電機定子電流可全面反映機械系統(tǒng)的信息。通過電流傳感器測量電動機的工作電流，可以判斷有無卡澀。

記錄隔離開關(guān)安裝調(diào)試好的特性曲線，找出最大偏差，據(jù)此可判斷有無卡澀發(fā)生；對于GW6型的開關(guān)，還可判斷平衡彈簧是否失效或脫落。將特性曲線保存在指紋檔案庫，與后續(xù)測得的特性曲線進行相關(guān)性分析，可識別其相似程度。典型的電流波形如圖3所示。

在圖3中，t0—t1為電機通電時刻，這時電流有一較大的脈沖(啟動電流)；t1—t2表示轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，電機反電勢產(chǎn)生，電流回落；t2—t3電機平穩(wěn)工作；t3時刻為開關(guān)動靜觸頭剛接觸，負荷驟然增大，電流也隨之上升，電流在t4時刻出現(xiàn)峰值；t4時刻限位開關(guān)動作,電流被切斷。?

圖3 電機的電流波形

將t1，t2，t3，t4，Ia，Im作為特征參數(shù)，電流特征參數(shù)變化可反映整個機械傳動系統(tǒng)的變化。

通過對某變電站某間隔存在刀閘傳動機構(gòu)卡阻、合閘不到位的CJ7A型刀閘操作機構(gòu)測試，進行實際驗證。從系統(tǒng)軟件顯示的測試刀閘電機電流波形可知，測量刀閘電機動作電流為A相2.7 A，B相2.5 A，C相2.6 A，大于刀閘操作機構(gòu)電機額定動作電流1.9 A。該故障的診斷結(jié)果：電機與刀閘間的傳動機構(gòu)卡澀、刀閘分合閘不到位，電機繞組內(nèi)部故障。

3 數(shù)據(jù)的采集及通信

3.1 主軸轉(zhuǎn)速的測量

增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器是安裝在電動機構(gòu)主軸上作為測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸角位置傳感器；它采用圓光柵，通過光電轉(zhuǎn)換，將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。該傳感器的特點是重量輕、力矩小，可靠性高。

當主軸轉(zhuǎn)動時，編碼器輸出A，B 2路相位相差90°的正交脈沖。通過信號處理電路，能從A、B 2路信號的相對相位確定碼盤的轉(zhuǎn)動方向。如果A超前B，碼盤向正方向轉(zhuǎn)動；若B超前A，表明碼盤向反方向轉(zhuǎn)動，這就是正交信號具有的易于被識別的優(yōu)點。通過加/減計數(shù)器對A，B 2路信號計數(shù)，能得到角位移的增(減)量，角位移采集框如圖4所示。

圖4 角位移采集框示意

從旋轉(zhuǎn)光電編碼器輸出的2路正交脈沖，經(jīng)光電隔離后，再由施密特觸發(fā)器整形，得到A和反相A以及B和反相B的方波信號。這4路方波信號經(jīng)過單穩(wěn)器件，得到各自的上升沿和下降沿信號A，A′，B，B′，這些脈沖經(jīng)過“與—或—非”電路，實現(xiàn)了正交信號處理，輸出反應角位移的信號P+和P-。

利用3片4029組成12位加/減計數(shù)器，2路加減脈沖信號經(jīng)過加/減計數(shù)器計數(shù)，輸出10位二進制編碼，其值與角位移相對應。采集系統(tǒng)以一定的采樣頻率讀取這10位結(jié)果信息，得到開關(guān)操作過程中的主軸角位移時間曲線。

3.2 電量信號的采集與通信

為了不影響電動機的運行，現(xiàn)采用一種性能優(yōu)異的傳感器——基于霍爾效應的霍爾電流傳感器，該傳感器輸出的電壓信號正比于電動機電流。首先通過CPU高速輸入單元HSH測算出周波頻率，由此得到采樣/保持器的控制頻率，CPU通過對1個周期進行32點頻率采樣，利用傅氏算法將時域內(nèi)采集到的電流信號變?yōu)殡娏餍盘枖?shù)據(jù)。

由現(xiàn)場檢測模塊采集現(xiàn)場信號數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)絡(luò)總線將數(shù)據(jù)傳送到便攜式PC或控制室的計算機?，F(xiàn)場檢測模塊和上位機采用RS-485串行通信，接口芯片采用MAX485。

4 電動隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測的實施

研究現(xiàn)場主要對220 kV某間隔的7把電動隔離開關(guān)實施監(jiān)測。使用主軸轉(zhuǎn)速測量裝置和霍爾電流傳感器分別采集主軸轉(zhuǎn)速信號、電動機電流采樣信號，然后通過電纜引入到電動刀閘監(jiān)測戶外端子箱中。這些信號再從電動刀閘監(jiān)測端子箱經(jīng)電纜傳送到檢測中心監(jiān)控分析后臺，進行數(shù)據(jù)分析處理。

通過對不同品牌、型號的電動刀閘機械電氣原始數(shù)據(jù)的分析，提出可信的判據(jù)或?qū)μ卣髦翟O(shè)定合適的閾值，然后采用上述方案對隔離開關(guān)實行在線監(jiān)測。隔離開關(guān)在線監(jiān)測系統(tǒng)與變電設(shè)備狀態(tài)檢修平臺相互關(guān)聯(lián)，成為智能化檢修的組成部分。

5 結(jié)束語

通過研究電動隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，跟蹤電動刀閘合(分)閘時電動機的電流變化及主軸角位移信息，以此判斷工作狀態(tài)和預測故障；通過分析上位機瀏覽和分析歷史數(shù)據(jù)，可獲得電動刀閘的操作、檢修記錄，并以此預測故障。此研究可為開展電動隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、診斷工作提供借鑒。

隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測不僅能為設(shè)備是否需要檢修提供依據(jù)，還能檢驗檢修的質(zhì)量水平。它的應用將大大提高設(shè)備的可用率，降低設(shè)備強迫停運率。隨著狀態(tài)檢修的智能化提升，隔離開關(guān)的檢修必將向集約型轉(zhuǎn)變。

1 李中祥，宋建成．高壓隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng) 的研制[J]．高壓電器，2016，45(2)：11-14.