高壓隔離開關(guān)非侵入式機(jī)械缺陷診斷方法及現(xiàn)場應(yīng)用

引言

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中用量最多的高壓設(shè)備,主要用于隔離電源、倒閘操作、連通和切斷小電流回路等,是電網(wǎng)可靠運(yùn)行必不可少的一種電力設(shè)備。由于敞開式高壓隔離開關(guān)戶外工作環(huán)境較為惡劣,常年經(jīng)受風(fēng)霜、雨雪、沙塵、污穢等的侵蝕,加之其結(jié)構(gòu)較為簡單、造價(jià)相對便宜,部分隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)缺陷、選材不當(dāng)、日常運(yùn)維質(zhì)量不佳等因素,致使隔離開關(guān)缺陷頻發(fā)。當(dāng)隔離開關(guān)存在機(jī)械故障時(shí),其可能無法正常分合閘,同時(shí)觸頭、觸指嚙合狀態(tài)不良將導(dǎo)致隔離開關(guān)發(fā)熱的缺陷,嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對高壓隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的檢測診斷,目前國內(nèi)外的研究主要有:

(1)通過加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)來預(yù)防高壓隔離開關(guān)機(jī)械故障:

(2)通過改變敞開式高壓隔離開關(guān)原有軸系,斷開操作桿,在斷開的操作桿之間安裝力矩傳感器、角度傳感器來判斷隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài):

(3)根據(jù)操作力矩與應(yīng)變之間的關(guān)系,通過檢測敞開式隔離開關(guān)動作過程中操作桿的應(yīng)變來判斷隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài):

(4)通過檢測敞開式高壓隔離開關(guān)動作時(shí)操作機(jī)構(gòu)箱的電機(jī)電流來判斷隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài):

(5)采用隔離開關(guān)操作力矩一轉(zhuǎn)角檢測設(shè)備,離線檢測敞開式高壓隔離開關(guān)動作過程的操作力矩一轉(zhuǎn)角曲線,然后將檢測曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線或運(yùn)行狀態(tài)良好的歷史曲線進(jìn)行比較分析,來判斷被測隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)[12]。

以上技術(shù)均需在停電后進(jìn)行檢測,且需在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件下才能開展,而對隔離開關(guān)的帶電檢測及診斷技術(shù)研究較少。下文將介紹一種高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法,能在不破壞隔離開關(guān)完整結(jié)構(gòu)的情況下,實(shí)現(xiàn)對隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的在線檢測及診斷。

1高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法

1.1檢測技術(shù)原理

高壓隔離開關(guān)一般由合、分閘接觸器控制三相異步電機(jī)正、反向轉(zhuǎn)動,從而完成其合、分閘運(yùn)動。目前可以實(shí)現(xiàn)通過檢測高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率來診斷其機(jī)械狀態(tài)。

交流電路中,有功功率是指一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載消耗的功率的平均值,也稱平均功率,計(jì)算公式如下:

異步電機(jī)是典型的三相對稱負(fù)載,采用二表法測量電機(jī)三相功率,通過測量兩相電流以及對應(yīng)的線電壓,可以計(jì)算電機(jī)的輸入功率,計(jì)算公式如下:

所以在檢測工作中,一般需要在電機(jī)回路并接電壓傳感器,同時(shí)串接電流互感器,測量電機(jī)動作過程中的電機(jī)電壓信號與電流信號,從而計(jì)算其功率信號。在得到電機(jī)功率信號后,需通過接收系統(tǒng)傳輸至后臺計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),計(jì)算機(jī)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)持續(xù)計(jì)算電機(jī)功率信號,根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的動作時(shí)間以及持續(xù)計(jì)算的電機(jī)功率信號建立功率曲線,將該功率曲線與機(jī)械狀態(tài)正常時(shí)的功率曲線進(jìn)行對比,即可判斷待檢測高壓隔離開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)是否正常。

1.2電機(jī)功率非侵入式檢測方法

根據(jù)上述原理分析,提出了一種驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法。采用卡扣式電流互感器配合數(shù)據(jù)采集模塊直接測量相電流,將卡扣式電流互感器安裝在接觸器A、C兩相的進(jìn)線端,從而引出相應(yīng)的電流信號,通過數(shù)據(jù)采集模塊測量接觸器A、C兩相相電流IA和IC。采用電壓探夾配合數(shù)據(jù)采集模塊測量接觸器A、C兩相電壓,將電壓探夾夾持在接觸器的端子處,通過電壓探夾金屬部分與端子螺絲接觸,從而引出相應(yīng)的電壓信號,通過數(shù)據(jù)采集模塊測量接觸器A、C兩相電壓UAB和UCB,如圖1、圖2所示。

現(xiàn)場檢測時(shí),在確保計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、電壓探夾和卡扣式電流互感器之間連接好后,開始持續(xù)檢測接觸器的電流、電壓信號,得到驅(qū)動電機(jī)的電流、電壓信號。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)動作時(shí),檢測到的接觸器A、C兩相電流值大于0.1A,數(shù)據(jù)采集模塊開始記錄并存儲相關(guān)檢測數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)則根據(jù)檢測數(shù)據(jù)持續(xù)計(jì)算電機(jī)功率信號,并根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的動作時(shí)間以及持續(xù)計(jì)算的電機(jī)功率信號建立功率曲線。由人工將該功率曲線與機(jī)械狀態(tài)正常時(shí)的功率曲線進(jìn)行對比,即可判斷機(jī)械狀態(tài)是否正常。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動判斷機(jī)械狀態(tài),可在計(jì)算機(jī)上編寫程序,使計(jì)算機(jī)基于功率曲線以及相關(guān)特征量,自動對高壓隔離開關(guān)

進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)診斷。高壓隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)診斷流程如圖3所示。

首先,在測得待檢測隔離開關(guān)的電機(jī)功率曲線后,提取相關(guān)特征量,包含其合閘時(shí)間1合、合閘過程平均輸出功率P合、合閘過程最大輸出功率P合max、正常狀態(tài)合閘時(shí)間1合標(biāo)、電機(jī)額定功率P額。對于折臂式隔離開關(guān),還需計(jì)算其合、分閘過程做功之比EQ \* jc3 \* hps19 \o\al(\s\up 4(EQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(。

然后,計(jì)算機(jī)開始比較被測隔離開關(guān)l合和l合標(biāo),當(dāng)運(yùn)動時(shí)間l合低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間l合標(biāo)的a%時(shí)(a的設(shè)定應(yīng)結(jié)合不同型號開關(guān)所配合的操作機(jī)構(gòu)箱具體設(shè)定,具體原則應(yīng)為當(dāng)運(yùn)動時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的a%時(shí),隔離開關(guān)的回路電阻為標(biāo)準(zhǔn)值的3倍以上),其轉(zhuǎn)角不在允許范圍內(nèi),說明存在動作不到位故障。

該故障原因有兩種:其一是開關(guān)未完成指定動作,控制回路存在問題:其二是開關(guān)未完成指定動作,存在嚴(yán)重卡澀故障。因此,計(jì)算機(jī)還需將測得的功率最大值P合max與電機(jī)額定功率P額進(jìn)行對比,若測得P合max≥P額,則為開關(guān)存在嚴(yán)重卡澀故障:若測得P合max<P額,則為控制回路存在問題。

被測隔離開關(guān)若不存在上述故障問題,則計(jì)算機(jī)繼續(xù)比較被測隔離開關(guān)的合閘過程平均輸出功率P合和電機(jī)額定功率P額,當(dāng)被測隔離開關(guān)合閘過程P合超出P額的y%(y的數(shù)值應(yīng)根據(jù)不同高壓隔離開關(guān)型號決定)時(shí),判定存在卡澀缺陷。

最后,若被檢測高壓隔離開關(guān)不存在上述任一故障和缺陷,則判斷待檢測隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)正常。

此外,若被檢測高壓隔離開關(guān)是折臂式隔離開關(guān),由于折臂式開關(guān)設(shè)有平衡彈簧,以平衡動作過程中導(dǎo)電臂重力勢能的變化。一般情況下,應(yīng)保證處于分閘狀態(tài)的隔離開關(guān)不能自動合閘,因此合閘過程所需的驅(qū)動力較大,電機(jī)功率較大,合閘做功應(yīng)大于分閘做功。因此,除上述故障和缺陷診斷外,計(jì)算機(jī)還需根據(jù)其合、分閘過程做功之比EQ \* jc3 \* hps19 \o\al(\s\up 4(EQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(進(jìn)行判斷,若測得EQ \* jc3 \* hps19 \o\al(\s\up 4(EQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(≥1,則說明平衡彈簧狀態(tài)正常:若測得EQ \* jc3 \* hps19 \o\al(\s\up 4(EQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(<1,則說明開關(guān)平衡彈簧已經(jīng)疲勞。

2應(yīng)用情況

2.1某GW36二550型隔離開關(guān)試驗(yàn)情況

對某Gw36二550型隔離開關(guān)采用此非侵入式方法進(jìn)行檢測,通過模擬現(xiàn)場故障,采集了不同機(jī)械狀態(tài)的功率曲線。不同機(jī)械狀態(tài)下的曲線存在明顯區(qū)別,結(jié)合各機(jī)械狀態(tài)功率曲線的特征量驗(yàn)證該檢測方法及診斷流程的準(zhǔn)確性。

正常機(jī)械狀態(tài)下,合閘輸出功率曲線如圖4所示。提取對應(yīng)狀態(tài)量,該隔離開關(guān)合閘過程運(yùn)動11.64s,合閘過程平均輸出功率為375w,合、分閘做功之比為1.57。

人為模擬隔離開關(guān)合閘過程中發(fā)生傳動部分卡澀的情況,得出卡澀狀態(tài)下與正常狀態(tài)下的曲線對比,如圖5所示?？瓲顟B(tài)下合閘過程運(yùn)動11.82s,合閘過程平均輸出功率為490w,比正常狀態(tài)增加115w,合、分閘做功之比為1.62,合、分閘做功之比基本不變。

將疲勞的平衡彈簧進(jìn)行更換后,得出平衡彈簧疲勞狀態(tài)下與正常狀態(tài)下的曲線對比,合閘曲線如圖6所示,分閘曲線如圖7所示。彈簧疲勞狀態(tài)下的合閘過程運(yùn)動11.12s,合閘過程平均輸出功率為189w,分閘過程平均輸出功率為297w,合、分閘做功之比為0.6,小于1。

2.2某Gw7C一252型隔離開關(guān)現(xiàn)場檢測實(shí)例

運(yùn)用此檢測方法及裝置對某5ss0k新建變電站VVs0k隔離開關(guān)開展驗(yàn)收,對某Gw7C一V5V型隔離開關(guān)檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率曲線異常波動,結(jié)合該隔離開關(guān)工作原理及曲線波動情況,確定了曲線異常的原因,情況如下所述:

該型號隔離開關(guān)在觸頭、觸指嚙合前,導(dǎo)電臂基本勻速水平旋轉(zhuǎn),驅(qū)動電機(jī)僅需克服摩擦阻力運(yùn)動,功率較小且平穩(wěn)。觸頭、觸指嚙合過程中,觸頭先逐漸與觸指接觸,電機(jī)功率迅速增大,整個(gè)嚙合過程,翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈簧先被拉伸,然后逐漸釋放,但觸頭、觸指夾緊力逐漸增大,因此嚙合階段力矩存在多個(gè)形狀不同的波峰。

該隔離開關(guān)在3.6s、5.6s時(shí)曲線存在明顯的波動,如圖8所示。

結(jié)合上文判據(jù),初步判斷導(dǎo)電臂水平旋轉(zhuǎn)過程中存在異?？闆r。結(jié)合故障點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間對隔離開關(guān)傳動部分進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)3.6s時(shí)由于主旋轉(zhuǎn)絕緣子底座拉桿固定螺栓下端與地刀異常接觸,存在卡澀情況,如圖9所示。5.6s時(shí)發(fā)現(xiàn)由于導(dǎo)電臂水平旋轉(zhuǎn)過程中,主旋轉(zhuǎn)絕緣子底座閉鎖盤與地刀閉鎖軸承接觸過于緊密,造成異?？?如圖10所示。

圖9拉桿與螺栓接觸卡澀

圖10底座閉鎖盤與地刀閉鎖軸承接觸卡澀

對以上異?？c(diǎn)進(jìn)行處理后,電機(jī)輸出功率曲線恢復(fù)正常,如圖11所示。對該站同類型隔離開關(guān)檢測結(jié)果顯示,大部分隔離開關(guān)均存在以上問題,均為安裝工藝不良造成。

3結(jié)語

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)論證,本文介紹的高壓隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)功率非侵入式檢測方法,能在不破壞隔離開關(guān)完整結(jié)構(gòu)的情況下,通過提取高壓隔離開關(guān)分、合閘過程中的驅(qū)動電機(jī)功率信號,然后提取能有效表征機(jī)械缺陷的特征量,形成隔離開關(guān)分、合閘狀態(tài)輸出功率曲線,通過與正常功率曲線對比,再結(jié)合不同型號隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的不同判據(jù),可以實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)機(jī)械缺陷的帶電檢測及診斷。

該方法通過曲線對比可大致判斷隔離開關(guān)傳動部分卡澀、平衡彈簧疲勞兩類典型故障,但是要準(zhǔn)確定位高壓隔離開關(guān)機(jī)械故障部位、判別故障程度還需進(jìn)行更深入的研究。