電力系統(tǒng)對供電的可靠性和經(jīng)濟性提出了越來越高的要求，高壓輸變電設(shè)備的安全運行已成為影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要因素。高壓開關(guān)在電網(wǎng)中起著控制和保護的作用，當(dāng)發(fā)生故障或事故時會引起電網(wǎng)事故或擴大事故。大電網(wǎng)會議(CIGRE)對高壓開關(guān)及其操作機構(gòu)的可靠性進行過兩次世界范圍的調(diào)查，結(jié)果表明，大多數(shù)開關(guān)故障(主要故障的70%和次要故障的86%)屬于機械性質(zhì)，主要涉及操作機構(gòu)、監(jiān)視裝置和輔助裝置。目前國內(nèi)高壓開關(guān)的問題也主要體現(xiàn)在機械故障上，如：絕緣拉桿脫落、斷裂、擊穿，水平拉桿斷銷等。因此，高壓開關(guān)機械故障的檢測具有十分重要的意義。
1高壓開關(guān)機械故障檢測基本方法及原理
1.1分、合閘線圈電流的檢測
高壓開關(guān)一般都是以電磁鐵作為操作的一級控制元件，并且大多數(shù)開關(guān)皆以直流作為控制電源。在每次分、合過程中，直流電磁線圈的電流隨時間變化，此變化波形中蘊藏著極為重要的信息。線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵心行程、鐵心卡滯、線圈狀態(tài)(如是否有短路匝)、與鐵心頂桿連接的鐵閂和閥門的狀態(tài)、合、分線圈的輔助接點狀況與轉(zhuǎn)換時間。通過對分合操作線圈動作電流的檢測，運行人員可以大致了解開關(guān)二次控制回路的工作情況及鐵心的運動有無卡滯等，為檢修提供一個輔助判據(jù)。分合閘線圈的電流是開關(guān)狀態(tài)檢測的一個重要內(nèi)容。通過霍爾傳感器可以很方便的采集分合閘線圈的電流。通過實測的波形與典型波形進行比較即可判斷開關(guān)的鐵心有無卡滯等問題。
1.2高壓開關(guān)動觸頭行程的檢測
高壓開關(guān)的行程–時間特性是表征高壓開關(guān)機械特性的重要參數(shù)，也是計算高壓開關(guān)分、合閘速度的依據(jù)。高壓開關(guān)分合閘速度，尤其是開關(guān)合閘前、分閘后的動觸頭速度，對開關(guān)的開斷性能有至關(guān)重要的影響。因此，高壓開關(guān)的行程–時間特性檢測，是高壓開關(guān)檢測的重要內(nèi)容。由于開關(guān)動觸頭作直線運動，可以安裝一個與動觸頭一起運動的附加件，當(dāng)動觸頭做分、合操作時，該附加件隨連桿做直線運動，通過光電傳感器，將連續(xù)變化的位移量變成一系列電脈沖信號。記錄該脈沖的個數(shù)，就可以實現(xiàn)動觸頭全行程參數(shù)的測量；同時，記錄每一個電脈沖產(chǎn)生的時刻值，將位移同時間相除，就可計算出動觸頭運動過程中的大速度和平均速度。目前測量高壓開關(guān)的行程–時間特性，多采用光電式位移傳感器與相應(yīng)的測量電路配合進行，常用的有增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器或直線光電編碼器。目前市場上根據(jù)這種方法研制的產(chǎn)品眾多，可將測試結(jié)果直接打印，部分測試儀具備RS232/485接口，可將測試結(jié)果上傳。
1.3振動信號的檢測
高壓開關(guān)是一種瞬動式機械，在其分合過程中，有一系列運動構(gòu)件的起動、制動、撞擊的出現(xiàn)，這些運動形態(tài)的改變都在其構(gòu)架上引起多個沖擊振動，每個振動對應(yīng)著開關(guān)分、合過程中特定的動作事件。這些沖擊振動的波形呈上升和衰減過程，其峰值點在時間上具有很好的辨認性。但是，從振動發(fā)生到振動傳感器測量到的峰值時間之間，總會由于振動波的傳播帶來一定的誤差，因此峰值時間較振動發(fā)生時間有一定的時間延遲。不過，檢測系統(tǒng)只是根據(jù)振動信號來求取各個振動事件之間的時間差，并不一定需要知道其發(fā)生的準確時刻。所以只要每個事件均進行了相似的簡化，時間差的計算誤差不受影響，可以利用振動信號的峰值時間作為各個振動事件的發(fā)生時刻，并將它們相減后得到動觸頭運動過程中各個振動事件之間的時間差。此外，對于某一臺特定的開關(guān)而言，在健康狀態(tài)下它的分、合操作的振動信號具有較強的相似性。對于實時測量得到的振動信號，可在離線實驗數(shù)據(jù)(振動信號波形和機械特性曲線)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合考慮該次動作的機械特性曲線來粗略確定各個振動事件發(fā)生的先后次序和時間區(qū)段，然后將各個區(qū)段的峰值時間作為該振動事件的發(fā)生時刻。各時間相差后得到各事件之間的相對時間，以接到分、合電脈沖時間為基準計算各事件的發(fā)生時間，就能找到動靜觸頭間的合、分時刻。將動觸頭的行程信號同該合、分時刻結(jié)合，并根據(jù)相應(yīng)的定義，就可以計算出剛分(合)速度、行程、超行程；將三相的分合時刻相差就可獲得該次動作的不同期參數(shù)。傳動機構(gòu)系統(tǒng)的檢測和診斷對保證高壓開關(guān)安全運行有重要的意義。而基于振動信號的開關(guān)機械狀態(tài)診斷方法作為一種間接的、不拆卸的診斷方法、目前已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。
對于高壓開關(guān)，在分合閘操作過程中，內(nèi)部主要機構(gòu)不見得運動、撞擊和摩擦都會引起表面的振動，振動是內(nèi)部多種現(xiàn)象激勵的響應(yīng)，這些激勵包括機械操作、電動力或靜電力作用、局部放電以及SF6氣體中的微粒運動等。振動信號中包含豐富的機械狀態(tài)信息，甚至機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上某些細微變化也可以從振動信號上發(fā)現(xiàn)出來。因此，以外部振動信號為特征信號，可以對高壓開關(guān)的這些狀態(tài)進行檢測。具體做法是在開關(guān)適當(dāng)部位，如具有較大的振動強度，較高信噪比的部分，安裝振動傳感器，當(dāng)開關(guān)進行分合閘操作時。采集振動信號經(jīng)處理后作為診斷的根據(jù)。
檢測振動信號的突出優(yōu)點是振動信號的采集不涉及電氣測量，振動信號受電磁干擾小，傳感器安裝于外部，對開關(guān)無任何影響。同時，振動傳感器尺寸小，工作可靠，價格低廉，靈敏度高，抗干擾好，特別適用于動作頻繁的高壓開關(guān)的在線檢測及不拆卸檢修。振動檢測的難點在于信號的一致性較差及如何提取特征量。目前主要的分析方法有以下幾種：①振動信號出現(xiàn)的時間及幅值；②時域、頻域復(fù)合分析；③“狀態(tài)圖”，均值、方差、過零次數(shù)，翻轉(zhuǎn)次數(shù)等；④動態(tài)時間規(guī)整法；⑤偏差測試法；⑥指數(shù)衰減振蕩子波分解法；⑦人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。目前開關(guān)振動的測量研究是熱點，但還沒有較成熟的產(chǎn)品問世。
2高壓開關(guān)機械故障檢測存在的主要問題
目前高壓開關(guān)機械故障的檢測方法基本上成熟，機械特性測試儀產(chǎn)品眾多，大部分具有分、合閘線圈電流及行程測試的功能。其有效性已被開關(guān)生產(chǎn)廠商和供電部門所認可。存在的主要問題在于缺乏有效的數(shù)據(jù)管理及分析診斷平臺。大部分的測試儀都可將測試結(jié)果打印出來，但無法存儲；對于故障的判斷，大多采用閾值的方法，對某個斷路器的多次測試結(jié)果無法通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析等手段進行有效的“縱比”，更無法對各地同一型號斷路器的測試結(jié)果進行“橫比”，不利于故障的診斷。因而，設(shè)計和開發(fā)高壓開關(guān)機械故障分析和診斷平臺十分必要的。
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