楊 濤 王永志 徐吉用 雷 東 鄧亞奎

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 紅河 661100）

0 引言

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的開關(guān)設(shè)備，其用量大，起到隔離電壓、保證檢修人員及電網(wǎng)安全的重要作用，對(duì)其機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行與運(yùn)維人員人身安全的必要條件，同時(shí)也是電力系統(tǒng)一鍵順控雙確認(rèn)判據(jù)的必要條件。以高壓隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電信號(hào)特性監(jiān)測(cè)為依據(jù)的開關(guān)機(jī)械故障在線診斷是當(dāng)前最可能達(dá)到一鍵順控雙確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段，其中又以功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)最為明顯。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心原理是能量平衡，認(rèn)為隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)直接反映于其轉(zhuǎn)軸操作力矩，而其轉(zhuǎn)軸操作力矩與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系[1-3]，因而通過(guò)對(duì)電機(jī)功率的分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的評(píng)估。

但是在實(shí)際操作中，因?yàn)楦邏焊綦x開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)多為開環(huán)運(yùn)行，即只在電機(jī)定子三相接入站用電，通過(guò)三相前端接觸器與行程限位開關(guān)控制電機(jī)啟停，沒(méi)有速度傳感器，只能通過(guò)在電機(jī)輸入端測(cè)量電壓/電流的方式獲得電機(jī)的輸入功率，而考慮到電機(jī)傳動(dòng)損耗的非線性因素，其輸入功率難以直接表征主軸操作力矩，進(jìn)而在診斷準(zhǔn)確性上存在明顯不足。

基于上述原因，本文提出一種基于電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)與轉(zhuǎn)差功率補(bǔ)償?shù)某ㄩ_式隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷方法，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)敞開式隔離開關(guān)機(jī)械故障的在線監(jiān)測(cè)。

1 基于電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)的敞開式隔離開關(guān)機(jī)械缺陷診斷方法

1.1 診斷方法原理

敞開式隔離開關(guān)由操作機(jī)構(gòu)內(nèi)三相異步電機(jī)正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)合、分閘運(yùn)動(dòng)，其輸出力矩均由三相異步電機(jī)提供。所以，首先在隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相電輸入側(cè)利用電壓傳感器和電流傳感器采集三相電壓/電流并進(jìn)行計(jì)算，獲得隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率：

然后利用預(yù)先標(biāo)定的隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，采用無(wú)速度傳感器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速方法對(duì)隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測(cè)，獲得轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，再根據(jù)獲得的轉(zhuǎn)速觀測(cè)值按照轉(zhuǎn)差功率補(bǔ)償?shù)姆绞接?jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率。其原理如下：

構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電機(jī)dq坐標(biāo)系下模型：

式中：isd、isq分別為定子電流在d軸和q軸上的分量；ird、irq分別為轉(zhuǎn)子電流在d軸和q軸上的分量；U為控制電壓；ω為感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；ω1為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)速度，而ωs=ω1-ω；Rs、Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr分別為定子和轉(zhuǎn)子自感；Lm為定子和轉(zhuǎn)子之間的互感；τ為電磁轉(zhuǎn)矩；τc為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；f為摩擦阻尼系數(shù)；j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；xs、xr分別為定子和轉(zhuǎn)子自感阻抗，xs可直接測(cè)量，xr需通過(guò)觀測(cè)得到。

然后將電機(jī)模型進(jìn)行代數(shù)變換得到：

其中：

進(jìn)而構(gòu)建如下轉(zhuǎn)速觀測(cè)器：

其中：

其對(duì)應(yīng)的誤差方程如下：

選取李雅普諾夫函數(shù)：

結(jié)合轉(zhuǎn)速觀測(cè)器、誤差方程與李雅普諾夫函數(shù)，得到轉(zhuǎn)速觀測(cè)ωc，為驗(yàn)證轉(zhuǎn)速觀測(cè)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證，對(duì)電機(jī)功率進(jìn)行補(bǔ)償：

Po=Pi（1-s），s=ωsyn-ω，ω=ωc

式中：Po為電機(jī)輸出功率；Pi為電機(jī)輸入功率；s為轉(zhuǎn)差率；ωsyn為驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；ωc為轉(zhuǎn)速觀測(cè)值。

對(duì)電機(jī)功率進(jìn)行補(bǔ)償獲得輸出功率。將獲得的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率曲線與開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)的基準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，若不一致，則可以得出故障，根據(jù)實(shí)測(cè)功率曲線的不同，可以對(duì)不同故障進(jìn)行診斷。以卡澀故障為例，若電機(jī)實(shí)測(cè)功率曲線與基準(zhǔn)曲線相比存在明顯的功率絕對(duì)值增大，則認(rèn)定為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生卡澀故障。

1.2 診斷方法流程及實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上文所述原理，提出了一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)的敞開式隔離開關(guān)機(jī)械缺陷診斷方法，其流程圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械缺陷診斷方法流程圖

敞開式隔離開關(guān)由隔離開關(guān)本體、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及導(dǎo)電部分等組成。隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和隔離開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)則通過(guò)接觸器連接于變電站站用電三相接口。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中采用開環(huán)方式連接于變電站站用電三相接口，前端連接有接觸器，當(dāng)分合閘指令下達(dá)后，接觸器閉合，電機(jī)回路通電，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)隔離開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的分合閘操作。通過(guò)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓、電流信號(hào)，計(jì)算電機(jī)輸入功率，如圖2所示。

圖2 機(jī)械缺陷診斷方法回路接線圖

在獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率后，根據(jù)無(wú)速度傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)一步采用轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)功率進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，求得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，最后與該開關(guān)機(jī)械狀態(tài)正常時(shí)測(cè)得的輸出功率曲線進(jìn)行對(duì)比，得到機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷結(jié)果。

2 仿真驗(yàn)證

基于上文研究，建立了一種基于轉(zhuǎn)速觀測(cè)的敞開式隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 基于轉(zhuǎn)速觀測(cè)的敞開式隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)主要通過(guò)以下步驟進(jìn)行故障判斷：

首先獲取三相電壓/電流，并進(jìn)行計(jì)算，獲得隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率。

其次通過(guò)處理模塊預(yù)先標(biāo)定的隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，采用無(wú)速度傳感器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)方法對(duì)隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行觀測(cè)，獲得轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，然后根據(jù)獲得的轉(zhuǎn)速觀測(cè)值按照轉(zhuǎn)差功率補(bǔ)償?shù)姆绞接?jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)方法的驗(yàn)證結(jié)果

接著通過(guò)故障模塊獲得高壓隔離開關(guān)目前運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率與高壓隔離開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率，并進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)高壓隔離開關(guān)目前運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率超過(guò)高壓隔離開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率±10%時(shí)，則判定高壓隔離開關(guān)存在故障。

最后通過(guò)診斷模塊獲取高壓隔離開關(guān)各個(gè)典型故障時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率曲線，將高壓隔離開關(guān)目前運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率曲線與各個(gè)典型故障時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率曲線匹配，當(dāng)匹配到相同峰形的典型故障時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率曲線，則認(rèn)定為高壓隔離開關(guān)目前運(yùn)行出現(xiàn)該典型故障，如圖5所示。

圖5 高壓隔離開關(guān)卡澀故障診斷波形圖

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文闡述的基于電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)的敞開式隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷方法，能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集轉(zhuǎn)換敞開式隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率，然后通過(guò)設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)器觀測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行補(bǔ)償以求得驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際輸出功率，進(jìn)而通過(guò)高壓隔離開關(guān)機(jī)械缺陷診斷系統(tǒng)，比較輸出功率與典型故障電機(jī)輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)敞開式隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的判斷。