基于電機轉速觀測的敞開式隔離開關機械缺陷診斷方法研究

楊 濤 王永志 徐吉用 雷 東 鄧亞奎

（云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 紅河 661100）

0 引言

高壓隔離開關是電力系統中關鍵的開關設備，其用量大，起到隔離電壓、保證檢修人員及電網安全的重要作用，對其機械狀態的監測是保證電力系統安全穩定運行與運維人員人身安全的必要條件，同時也是電力系統一鍵順控雙確認判據的必要條件。以高壓隔離開關驅動電機電信號特性監測為依據的開關機械故障在線診斷是當前最可能達到一鍵順控雙確認標準的技術手段，其中又以功率驅動電機功率監測技術優勢最為明顯。

驅動電機功率監測技術的核心原理是能量平衡，認為隔離開關機械狀態直接反映于其轉軸操作力矩，而其轉軸操作力矩與驅動電機輸出功率有直接對應關系[1-3]，因而通過對電機功率的分析可以實現對隔離開關機械狀態的評估。

但是在實際操作中，因為高壓隔離開關的驅動電機多為開環運行，即只在電機定子三相接入站用電，通過三相前端接觸器與行程限位開關控制電機啟停，沒有速度傳感器，只能通過在電機輸入端測量電壓/電流的方式獲得電機的輸入功率，而考慮到電機傳動損耗的非線性因素，其輸入功率難以直接表征主軸操作力矩，進而在診斷準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轉速觀測與轉差功率補償的敞開式隔離開關機械故障診斷方法，并進行仿真驗證，以實現敞開式隔離開關機械故障的在線監測。

1 基于電機轉速觀測的敞開式隔離開關機械缺陷診斷方法

1.1 診斷方法原理

敞開式隔離開關由操作機構內三相異步電機正、反向轉動，實現隔離開關合、分閘運動，其輸出力矩均由三相異步電機提供。所以，首先在隔離開關驅動電機三相電輸入側利用電壓傳感器和電流傳感器采集三相電壓/電流并進行計算，獲得隔離開關驅動電機輸入功率：

然后利用預先標定的隔離開關驅動電機參數，采用無速度傳感器的驅動電機轉速方法對隔離開關驅動電機的轉速進行觀測，獲得轉速觀測值，再根據獲得的轉速觀測值按照轉差功率補償的方式計算驅動電機輸出功率。其原理如下：

構建驅動電機dq坐標系下模型：

式中：isd、isq分別為定子電流在d軸和q軸上的分量；ird、irq分別為轉子電流在d軸和q軸上的分量；U為控制電壓；ω為感應電機轉速；ω1為坐標系旋轉速度，而ωs=ω1-ω；Rs、Rr分別為定子和轉子電阻；Ls、Lr分別為定子和轉子自感；Lm為定子和轉子之間的互感；τ為電磁轉矩；τc為負載轉矩；f為摩擦阻尼系數；j為轉子轉動慣量；xs、xr分別為定子和轉子自感阻抗，xs可直接測量，xr需通過觀測得到。

然后將電機模型進行代數變換得到：

其中：

進而構建如下轉速觀測器：

其中：

其對應的誤差方程如下：

選取李雅普諾夫函數：

結合轉速觀測器、誤差方程與李雅普諾夫函數，得到轉速觀測ωc，為驗證轉速觀測的準確性，設計仿真驗證，對電機功率進行補償：

Po=Pi（1-s），s=ωsyn-ω，ω=ωc

式中：Po為電機輸出功率；Pi為電機輸入功率；s為轉差率；ωsyn為驅動電機同步轉速；ω為電機轉速；ωc為轉速觀測值。

對電機功率進行補償獲得輸出功率。將獲得的驅動電機輸出功率曲線與開關正常運行時的基準曲線進行對比，若不一致，則可以得出故障，根據實測功率曲線的不同，可以對不同故障進行診斷。以卡澀故障為例，若電機實測功率曲線與基準曲線相比存在明顯的功率絕對值增大，則認定為傳動機構發生卡澀故障。

1.2 診斷方法流程及實現

結合上文所述原理，提出了一種基于驅動電機轉速觀測的敞開式隔離開關機械缺陷診斷方法，其流程圖如圖1所示。

圖1 機械缺陷診斷方法流程圖

敞開式隔離開關由隔離開關本體、操動機構、傳動機構及導電部分等組成。隔離開關操作機構內驅動電機和隔離開關機械結構相連，驅動電機則通過接觸器連接于變電站站用電三相接口。驅動電機在實際運行中采用開環方式連接于變電站站用電三相接口，前端連接有接觸器，當分合閘指令下達后，接觸器閉合，電機回路通電，電機開始轉動，帶動隔離開關機械結構實現隔離開關的分合閘操作。通過采集驅動電機電壓、電流信號，計算電機輸入功率，如圖2所示。

圖2 機械缺陷診斷方法回路接線圖

在獲取驅動電機輸入功率后，根據無速度傳感器電機轉速觀測算法對轉速進行觀測，進一步采用轉差補償的方式對功率進行補償計算，求得驅動電機的輸出功率，最后與該開關機械狀態正常時測得的輸出功率曲線進行對比，得到機械狀態監測與故障診斷結果。

2 仿真驗證

基于上文研究，建立了一種基于轉速觀測的敞開式隔離開關機械故障診斷系統模型進行仿真驗證，如圖3所示。

圖3 基于轉速觀測的敞開式隔離開關機械故障診斷系統模型

該系統主要通過以下步驟進行故障判斷：

首先獲取三相電壓/電流，并進行計算，獲得隔離開關驅動電機輸入功率。

其次通過處理模塊預先標定的隔離開關驅動電機參數，采用無速度傳感器的驅動電機轉速觀測方法對隔離開關驅動電機的轉速進行觀測，獲得轉速觀測值，然后根據獲得的轉速觀測值按照轉差功率補償的方式計算驅動電機輸出功率，如圖4所示。

圖4 驅動電機轉速觀測方法的驗證結果

接著通過故障模塊獲得高壓隔離開關目前運行時驅動電機輸出功率與高壓隔離開關正常運行時驅動電機輸出功率，并進行對比，當高壓隔離開關目前運行時驅動電機輸出功率超過高壓隔離開關正常運行時驅動電機輸出功率±10%時，則判定高壓隔離開關存在故障。

最后通過診斷模塊獲取高壓隔離開關各個典型故障時驅動電機輸出功率曲線，將高壓隔離開關目前運行時驅動電機輸出功率曲線與各個典型故障時驅動電機輸出功率曲線匹配，當匹配到相同峰形的典型故障時驅動電機輸出功率曲線，則認定為高壓隔離開關目前運行出現該典型故障，如圖5所示。

圖5 高壓隔離開關卡澀故障診斷波形圖

3 結語

經仿真及現場試驗驗證，本文闡述的基于電機轉速觀測的敞開式隔離開關機械故障診斷方法，能通過現場采集轉換敞開式隔離開關驅動電機輸出功率，然后通過設計電機轉速觀測器觀測驅動電機的轉速，對轉差功率進行補償以求得驅動電機的實際輸出功率，進而通過高壓隔離開關機械缺陷診斷系統，比較輸出功率與典型故障電機輸出功率的對應關系，以實現對敞開式隔離開關機械缺陷的判斷。