基于模態(tài)分析法的高壓隔離開關(guān)在線監(jiān)測技術(shù)探討

摘要：隔離開關(guān)是變電站中非常重要、數(shù)量最多的一次設(shè)備，由于設(shè)備制造、環(huán)境污染、地基變形、長期運行、嚴(yán)重超載運行、觸點氧化、電弧沖擊等原因，隔離開關(guān)在閉合時存在閉合不到位、過位、觸點松動等問題，運行時亦存在發(fā)熱、溫度上升等安全隱患，這一現(xiàn)象在負(fù)荷增長較快的地區(qū)顯得尤為普遍。

關(guān)鍵詞：高壓隔離開關(guān)；在線監(jiān)測技術(shù)；變電站；模態(tài)分析法；觸點氧化；電弧沖擊 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM591 文章編號：1009-2374（2016）05-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.065

2013年國家電網(wǎng)公司印發(fā)的《電力安全工作規(guī)程變電部分》中關(guān)于判斷設(shè)備實際位置提出了“至少應(yīng)有兩個非同樣原理”的要求，2014年《國家電網(wǎng)公司2014年調(diào)度控制工作會議工作報告》中要求實施“雙確認(rèn)”信息改造、擴(kuò)展遠(yuǎn)方操作范圍以及積極開展故障停運情況下的遠(yuǎn)方試送，本文針對上述兩項要求、就提高隔離開關(guān)操作可靠性展開討論。

1 現(xiàn)狀分析

隨著無人值守變電站越來越多，要求我們的設(shè)備不論是一次還是二次都要具有較高的可靠性，同時對在線運行的設(shè)備要有實時監(jiān)測手段，實時掌握設(shè)備的運行狀況。一次設(shè)備的重要部分——隔離開關(guān)觸點的狀態(tài)監(jiān)測及自動實時監(jiān)測至今還沒有實現(xiàn)，絕大多數(shù)變電站仍然依靠人工測量，如定期派人到現(xiàn)場用紅外線或激光測溫儀遠(yuǎn)距離測量，或者是人工觀察、貼片觀察等，但這些都不具有狀態(tài)監(jiān)測、實時監(jiān)測、實時報警、及時處理等功能。因此，亟需一種有效的檢測手段，實現(xiàn)變電站隔離開關(guān)狀態(tài)的實時監(jiān)測報警，杜絕因隔離開關(guān)閉合不到位、過位、觸點松動、驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障、發(fā)熱以及溫度上升而產(chǎn)生的安全事故，使原來的定期檢修逐步過渡到定點檢修，提高供電可靠性，減少安全監(jiān)測盲區(qū)，減少人為疏忽而導(dǎo)致的安全事故。

2 出現(xiàn)問題、原因分析及防范措施

高壓隔離開關(guān)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但其觸頭、觸指裸露在惡劣的戶外環(huán)境下運行，觸頭、觸指接觸處易氧化，導(dǎo)致接觸電阻增大而發(fā)熱。如果不對這些發(fā)熱的接觸部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測，將導(dǎo)致設(shè)備燒損甚至火災(zāi)的發(fā)生。宿州供電公司部分變電站現(xiàn)場攝像頭不僅數(shù)量有限，拍攝有死角，而且會受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制，導(dǎo)致圖像質(zhì)量受損，監(jiān)控畫面會有失真現(xiàn)象，還有可能造成畫面滯后，不能及時地監(jiān)測隔離開關(guān)工況。

2.1 防范措施

宿州供電公司基于多年的運行維護(hù)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)通過基于模態(tài)分析法的高壓隔離開關(guān)振動狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，可以實現(xiàn)變電站高壓隔離開關(guān)狀態(tài)的實時監(jiān)測報警。減少因高壓隔離開關(guān)主刀動觸頭導(dǎo)電部分傳動連桿脫落、兩側(cè)刀頭受自身重力自然下沉、閉合不到位、過位、觸點松動、發(fā)熱以及溫度不斷上升而產(chǎn)生的安全事故。同時，采用專業(yè)攝像頭監(jiān)測手段，進(jìn)一步提高遙控操作的安全可靠性。使原來的定期檢修逐步過渡到定點檢修，并傳至專用后臺系統(tǒng)顯示及報警，提高供電可靠性，減少安全監(jiān)測盲區(qū)，減少人為疏忽而導(dǎo)致的安全事故。更重要的是，能夠可靠判斷高壓隔離開關(guān)分合閘到位狀態(tài)，直接給出一個正常或異常信號，配合隔離開關(guān)的輔助接點信號，一起作為高壓隔離開關(guān)真正分合閘到位的狀態(tài)，將為變電站遙控高壓隔離開關(guān)帶來本質(zhì)的促進(jìn)。

2.2 監(jiān)測方法

2.2.1 刀閘觸點溫度實時監(jiān)測。隔離開關(guān)運行時存在發(fā)熱、溫度上升等安全隱患，如果不對這些發(fā)熱的接觸部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測，將導(dǎo)致設(shè)備燒損甚至火災(zāi)的發(fā)生。針對刀閘觸點溫度的實時監(jiān)測，溫度傳感器采用無線通訊技術(shù)傳輸溫度信號，溫度信號從測溫模塊到通訊模塊不需要任何接線，無任何絕緣安全問題，Pt電阻溫度傳感器能夠安裝到帶電物體的表面，直接測量帶電物體的溫度。測溫準(zhǔn)確、可靠，精度高，不受其他因素影響。采集單元運行在高電位側(cè)，熱敏電阻傳感器輸出信號進(jìn)入采樣及處理環(huán)節(jié)，經(jīng)過信號提取、信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)打包后，無線傳輸?shù)郊袉卧＜す鈫卧盏郊袉卧膯用詈螅ㄍㄟ^無線模塊），發(fā)出光能量到采集單元。同時整合自身的狀態(tài)信息，通過無線送到集中單元。

2.2.2 刀閘分合狀態(tài)振動信號模態(tài)分析。通過振動加速度傳感器獲取刀閘振動波形數(shù)據(jù)，傳送至變電站主控室內(nèi)的振動分析專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)首先記錄每次刀閘動作的波形，然后與記錄的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，配合海量的刀閘特征積累數(shù)據(jù)以及采用先進(jìn)的最大熵譜法的分析方法，可捕獲采用其他方法如電氣監(jiān)測法所不能監(jiān)測的故障，并預(yù)測可能出現(xiàn)的故障隱患。減少因高壓隔離開關(guān)閉合不到位、過位、觸點松動、發(fā)熱以及溫度不斷上升而產(chǎn)生的安全事故，提高遙控操作的安全可靠性。

2.2.3 合閘問題的檢測方法。合閘出現(xiàn)的問題包括合不到位、過位、觸點接觸不良以及在運行過程中逐漸松動等。因為觸頭結(jié)合的緊密程度直接影響了隔離開關(guān)整個和部分的模態(tài)特性，對于每一種型號的隔離開關(guān)，其隔離開關(guān)整個和部分的模態(tài)特性是一致的，技術(shù)試驗過程中可以針對一種型號的隔離開關(guān)預(yù)先進(jìn)行模態(tài)分析，獲得其模態(tài)特性，建立完善的數(shù)據(jù)庫。這樣觸頭結(jié)合的緊密程度就可以用在線模態(tài)分析的方法實時監(jiān)測到。圖1到圖3是隔離開關(guān)在合緊狀態(tài)、接觸但未合緊狀態(tài)以及未接觸狀態(tài)的頻譜圖，從圖上顯示的特征值和重復(fù)性，可對隔離開關(guān)合閘狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。

2.3 系統(tǒng)取能策略

由于供能設(shè)備的電線在變電站工作環(huán)境下會造成一定的安全隱患，其長度限制了設(shè)備的使用范圍，因而無線的供能系統(tǒng)就顯得很重要，可以實現(xiàn)在一定的距離范圍內(nèi)精確地實現(xiàn)對電子設(shè)備的無線供能與無線傳輸。

供能：低壓側(cè)激光發(fā)射器經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換模塊將光能轉(zhuǎn)換成電能，提供控制檢測板的工作電源。

2.4 攝像頭監(jiān)測分合閘狀態(tài)

2.4.1 每組隔離開關(guān)的每個觸頭都安裝一個監(jiān)控探頭，安裝部位為絕緣瓷瓶下方，實現(xiàn)一對一拍攝。

2.4.2 在隔離開關(guān)分合閘完成后會上傳一幀現(xiàn)場圖片，同時也可查看實時影像。

2.4.3 由于攝像頭是由下向上拍攝，所以要考慮諸多環(huán)境因素對圖像質(zhì)量的影響，如防止紅外光對采集圖像的影響、如何調(diào)節(jié)白平衡、如何控制曝光、鏡頭上面有灰塵或異物等：（1）在光學(xué)信號處理系統(tǒng)中，選用濾紅外鏡頭以防止紅外光對Sensor采集圖像造成影響，同時在PCB板設(shè)計中嚴(yán)格確保鏡頭聚焦中心在Sensor的感光矩陣中心上，使圖像清晰成像。（2）圖像電信號處理系統(tǒng)中，使用Sensor輸出的為Bayer pattern，這些數(shù)據(jù)通過isp處理轉(zhuǎn)化為rgb信號。在isp處理過程中加入了自主研發(fā)的5A算法（自動白平衡、自動增益、自動曝光控制、自動降噪、自適應(yīng)對比度增強）對白平衡，曝光控制進(jìn)行改進(jìn)，并且通過gamma校正，flicker消除進(jìn)行調(diào)節(jié)。單獨對每系列的設(shè)備設(shè)計基于不同場景的圖像參數(shù)，這些圖像參數(shù)包括公開給廣大用戶的對比度、亮度、飽和度、銳度，同時具備超低照度圖像處理系統(tǒng)，可達(dá)0.02lux超低照度成像。（3）當(dāng)鏡頭上方有異物時，鏡頭上方有自動定期清掃功能。（4）視頻傳輸時，后期編碼對視頻流通過dsp進(jìn)行編碼，可實現(xiàn)720P的圖像壓縮到2Mbps，將1080P壓縮到4Mbps，非常適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.5 預(yù)警系統(tǒng)功能

2.5.1 可以對系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行配置管理。用戶可根據(jù)現(xiàn)場實際情況靈活管理振動及溫度監(jiān)測點的配置及報警值。

2.5.2 實現(xiàn)了上位微型計算機(jī)與智能傳感器的數(shù)據(jù)通訊與控制，具有強大的抗干擾能力，并具有設(shè)備自檢功能，包括振動及溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集變換器、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等。系統(tǒng)設(shè)備的自我診斷能力方便了設(shè)備的檢查、維修工作，同時也保證了設(shè)備正常有效的工作。

2.5.3 隔離開關(guān)維護(hù)預(yù)測。

2.5.4 隔離開關(guān)機(jī)械振動監(jiān)測。

2.5.5 可選擇故障模型判定及專家系統(tǒng)，具備學(xué)習(xí)功能，支持基于圖形的振動分析及顯示功能。

2.5.6 系統(tǒng)充分發(fā)揮智能傳感器和微型計算機(jī)相結(jié)合的強大功能，通過在隔離開關(guān)閉合時產(chǎn)生的機(jī)械振動監(jiān)測以及對隔離開關(guān)觸點的連續(xù)溫度測量，能夠預(yù)測隔離開關(guān)的故障趨勢，及時提供故障類型和檢修指導(dǎo)，避免發(fā)生重大事故。各類信息可以被永久保存。

2.5.7 歷史資料分析和統(tǒng)計功能保存了自系統(tǒng)安裝運行以來的所有測點的振動及溫度的數(shù)據(jù)和變化情況。根據(jù)用戶的需要選擇不同的測點、不同的時間段，可綜合分析隔離開關(guān)的運行情況。

2.5.8 對用戶身份進(jìn)行分級管理。使用者必須用密碼登陸系統(tǒng)，用戶只有在“管理員”權(quán)限才允許對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 結(jié)語

基于模態(tài)分析法的振動信號記錄與分析的基本原理是利用振動加速度傳感器，非介入性地監(jiān)測隔離開關(guān)操作過程中的機(jī)械振動信號，獲取傳動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息和工作模式，是目前較為有效的監(jiān)測與診斷方法，得到了很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘玉平.高壓隔離開關(guān)故障原因與檢修方法探討[J].華東科技（學(xué)術(shù)版），2014，（11）.

作者簡介：趙敏（1980-），女，安徽宿州人，供職于國網(wǎng)安徽省電力公司宿州供電公司，研究方向：電力系統(tǒng)自動化及其設(shè)備運維管理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）