高压输变电设备高压开关机械故障检测

高琳琳+王江艳+刘宇珍

摘 要：高压输变电设备是电力系统供电的关键环节，它的安全运行影响整个电力系统安全、稳定、经济运行。高压开关在电网中起着控制和保护的作用，当发生故障或事故时会引起电网事故或扩大事故，因此，高压开关机械故障的检测具有十分重要的意义。

关键词：高压输变电设备；高压开关；机械故障检测

一、高压开关机械故障检测基本方法及原理

（一）高压开关动触头行程和速度的检测

高压开关的行程–时间特性是表征高压开关机械特性的重要参数，也是计算高压开关分、合闸速度的依据。高压开关分合闸速度，尤其是开关合闸前、分闸后的动触头速度，对开关的开断性能有至关重要的影响。行程测量的基本要求是：即不能影响机构原有的机械特性和绝缘特性，又要真实反映断路器的行程特性，同时还要便于安装，即检测传感器系统的适应性要强。行程的测量是通过位移传感器将断路器的触头位移量转换为电信号，由于开关动触头作直线运动，可以安装一个与动触头一起运动的附加件，当动触头做分、合操作时，该附加件随连杆做直线运动，通过光电传感器，将连续变化的位移量变成一系列电脉冲信号。通过A/D转换器对行程数据进行模数转换处理，完成对动触头行程信号的采集。同时，记录每一个电脉冲产生的时刻值，将位移同时间相除，就可计算出动触头运动过程中的最大速度和平均速度。目前测量高压开关的行程–时间特性，多采用光电式位移传感器与相应的测量电路配合进行，常用的有增量式旋转光电编码器或直线光电编码器。

（二）分闸合闸线圈电流的检测

在高压开关中，一般情况下都是以电磁铁作为操作的第一级控制元件。以直流作为控制电源是目前绝大多数开关所采用的方式。分合闸线圈的电流是开关状态检测的一个重要内容，在每次操作过程中，分合闸电磁线圈的电流随时间变化，应用电流传感器可以方便地测出其电流波形图，此变化波形中蕴藏着极为重要的信息。它包括分合命令到达时刻，铁芯开始运动时刻，铁芯触动操作机构的负载而显著减速或停止运动的时刻，开关辅助接点断开线圈电路时刻，控制电源和线圈电阻的关系，电磁铁铁芯运行机构有无卡涩及脱扣释能机械负载变动情况，操作传动系统运动的情况，还可以反映电源电压、线圈电阻及电磁铁铁芯速度信息。分析以上参数的变化就可以诊断断路器部分机械故障趋势，尤其是拒分拒合等故障。通过对分合操作线圈动作电流的检测，操作人员可以大致了解开关二次控制回路的工作情况，为检修提供辅助判据。

（三）基于斷路器机械振动信号的检测

断路器机械状态检测的目的是为了实现对各种运行状态的准确识别以及对潜在机械故障的分析和诊断，以便制定合理的维修策略。而当操动机构的某一或某些部件出现了早期缺陷时，其微弱的动态信息很难依靠常用的检测方法所提取的特征量反映出来。在众多高压断路器机械状态检测方法中，振动信号分析是一种非侵入式的检测方法。高压开关是一种瞬动式机械，在其分合过程中，有一系列运动构件的起动、制动、撞击的出现，这些运动形态的改变都在其构架上引起多个冲击振动，每个振动对应着开关分、合过程中特定的动作事件。这些冲击振动的波形呈上升和衰减过程，其峰值点在时间上具有很好的辨认性。但是，从振动发生到振动传感器测量到的峰值时间之间，总会由于振动波的传播带来一定的误差，因此峰值时间较振动发生时间有一定的时间延迟。不过，检测系统只是根据振动信号来求取各个振动事件之间的时间差，并不一定需要知道其发生的准确时刻。所以只要每个事件均进行了相似的简化，时间差的计算误差不受影响，可以利用振动信号的峰值时间作为各个振动事件的发生时刻，并将它们相减后得到动触头运动过程中各个振动事件之间的时间差。此外，对于某一台特定的开关而言，在健康状态下它的分、合操作的振动信号具有较强的相似性。对于实时测量得到的振动信号，可在离线实验数据（振动信号波形和机械特性曲线）的基础上，并结合考虑该次动作的机械特性曲线来粗略确定各个振动事件发生的先后次序和时间区段，然后将各个区段的峰值时间作为该振动事件的发生时刻。各时间相差后得到各事件之间的相对时间，以接到分、合电脉冲时间为基准计算各事件的发生时间，就能找到动静触头间的合、分时刻。将动触头的行程信号同该合、分时刻结合，并根据相应的定义，就可以计算出刚分（合）速度、行程、超行程；将三相的分合时刻相差就可获得该次动作的不同期参数。 传动机构系统的检测和诊断对保证高压开关安全运行有重要的意义。

二、高压开关机械故障检测存在的主要问题

目前高压开关机械故障的在线检测技术虽发展起步较晚，但在短短的十几年时间里得到了较快的发展。然而多数检测系统的功能比较单一，例如：仅对一种设备或多种设备的同类参数进行检测，没有很好的将诊断技术和监测技术结合起来；分析诊断也仅限于超标报警，具体详细的分析诊断基本上由试验人员完成。因此机械在线检测技术的发展趋势应应是：1、集成性。集高压断路器多项检测功能于一体，有利于多信息的融合，支持网络化集中管理。2、通用性。在硬件设计时应考虑足够多的采样通道，保证采样板的通用性，可以满足不同类型的断路器要求。3、扩充性。检测系统对检测的断路器的个数不受限制；考虑断路器就地采样单元与变电站在线检测系统的兼容，能为变电站综合自动化提供信息。4、组合性。断路器就地采样单元内部插件模块化。5、可靠性。检测系统还需要良好的电磁兼容性和自检功能。

参考文献：

[1]徐国政.高压断路器原理和应用[M].北京清华大学出版社，2006.