電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)的研究

楊永雄，龔 森，陳延秋，鄭奕輝

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

1 電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要性

電氣設(shè)備，尤其是經(jīng)常需要?jiǎng)幼鞯碾姎庠O(shè)備(如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等)在運(yùn)行中受到電、熱、機(jī)械負(fù)荷作用以及自然環(huán)境(氣溫、氣壓、濕度以及污穢等)影響，長(zhǎng)期工作后會(huì)產(chǎn)生老化、疲勞、磨損，導(dǎo)致性能下降和可靠性降低。在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件由于長(zhǎng)期的負(fù)荷作用或操作，造成銹蝕、磨損而導(dǎo)致動(dòng)作失靈、漏氣漏液或其他結(jié)構(gòu)性破壞。這些變化(即劣化)過(guò)程一般是緩慢、漸變的過(guò)程，可能引起設(shè)備故障率增大，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

目前，在電力系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)可電動(dòng)操作的隔離開(kāi)關(guān)一般常常用本身的行程輔助接點(diǎn)來(lái)控制分、合閘狀態(tài)，即用本身的行程輔助接點(diǎn)來(lái)接通或斷開(kāi)合閘(分閘)線圈。操作時(shí)，由于電氣或本身機(jī)械方面原因，可能造成不能正確分、合閘，此類故障在形成前都會(huì)在電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)上體現(xiàn)出來(lái)。電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)因?yàn)槟p、過(guò)載和輕載而發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)該電流的長(zhǎng)期跟蹤和測(cè)試，可預(yù)測(cè)刀閘是否需要檢修，繼而提前預(yù)知故障，及時(shí)檢修，以提高電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率，延長(zhǎng)刀閘和電動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命。

2 隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械故障檢測(cè)的原理

高壓隔離開(kāi)關(guān)的主要功能有3點(diǎn)：(1) 隔離電源，保證高壓電器及裝置在檢修時(shí)的安全；(2) 倒閘操作；(3) 分、合小電流電路。

國(guó)產(chǎn)隔離開(kāi)關(guān)配用的電動(dòng)機(jī)構(gòu)有CJ5，CJ6，CJ2-XG，CJA7G等型號(hào)，采用0.5—0.6 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)減速裝置(蝸輪蝸桿、齒輪或絲杠等)驅(qū)動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)主軸，進(jìn)行分、合閘操作，每次轉(zhuǎn)角為180°。在分、合閘結(jié)束時(shí)，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)來(lái)切斷電動(dòng)機(jī)電源。

2.1 主軸轉(zhuǎn)角時(shí)間特性

電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)與隔離開(kāi)關(guān)本體連接后，在開(kāi)關(guān)由分到合或由合到分的過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ與時(shí)間t的對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為轉(zhuǎn)角時(shí)間特性，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)角時(shí)間特性曲線

在圖1中，曲線1表示標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)角時(shí)間特性，在安裝調(diào)試完畢后測(cè)得；曲線2表示運(yùn)行若干時(shí)間后測(cè)得的特性；T1，T2為全行程時(shí)間。從圖形上看，如果傳動(dòng)系統(tǒng)有卡澀現(xiàn)象，最直觀的結(jié)果是全行程時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，因此ΔT是一個(gè)很重要的特征參數(shù)。

如果在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生輕微卡澀，表現(xiàn)在特性曲線上就是產(chǎn)生曲折形狀，如圖2所示。

圖2 有卡澀時(shí)的轉(zhuǎn)角時(shí)間特性曲線

從轉(zhuǎn)角時(shí)間特性上，還可以分析分合閘結(jié)束時(shí)的緩沖情況及行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)機(jī)是否恰當(dāng)。如果主軸轉(zhuǎn)角未達(dá)180°，表明行程開(kāi)關(guān)切斷過(guò)早；如果在180°附近產(chǎn)生較大的過(guò)沖和反彈，表明行程開(kāi)關(guān)切斷過(guò)遲；如果在轉(zhuǎn)角未達(dá)180°時(shí)產(chǎn)生較大的過(guò)沖和反彈，表明隔離閘刀機(jī)械限位過(guò)早接觸。根據(jù)上述情況，就可以解決隔離開(kāi)關(guān)分合閘準(zhǔn)確到位的問(wèn)題。

隔離開(kāi)關(guān)安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試時(shí)，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)角時(shí)間特性可分析限位開(kāi)關(guān)及分合閘的機(jī)械限位調(diào)整是否合適、機(jī)構(gòu)與開(kāi)關(guān)本體的連接是否合適，還可分析在主刀的整個(gè)分合閘過(guò)程中地刀與主刀的機(jī)械閉鎖裝置是否有比較嚴(yán)重的摩擦。

2.2 電動(dòng)機(jī)電流波形

異步電機(jī)是電動(dòng)機(jī)構(gòu)中的能量轉(zhuǎn)換裝置，電機(jī)定子電流可全面反映機(jī)械系統(tǒng)的信息。通過(guò)電流傳感器測(cè)量電動(dòng)機(jī)的工作電流，可以判斷有無(wú)卡澀。

記錄隔離開(kāi)關(guān)安裝調(diào)試好的特性曲線，找出最大偏差，據(jù)此可判斷有無(wú)卡澀發(fā)生；對(duì)于GW6型的開(kāi)關(guān)，還可判斷平衡彈簧是否失效或脫落。將特性曲線保存在指紋檔案庫(kù)，與后續(xù)測(cè)得的特性曲線進(jìn)行相關(guān)性分析，可識(shí)別其相似程度。典型的電流波形如圖3所示。

在圖3中，t0—t1為電機(jī)通電時(shí)刻，這時(shí)電流有一較大的脈沖(啟動(dòng)電流)；t1—t2表示轉(zhuǎn)子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)反電勢(shì)產(chǎn)生，電流回落；t2—t3電機(jī)平穩(wěn)工作；t3時(shí)刻為開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭剛接觸，負(fù)荷驟然增大，電流也隨之上升，電流在t4時(shí)刻出現(xiàn)峰值；t4時(shí)刻限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作,電流被切斷。?

圖3 電機(jī)的電流波形

將t1，t2，t3，t4，Ia，Im作為特征參數(shù)，電流特征參數(shù)變化可反映整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的變化。

通過(guò)對(duì)某變電站某間隔存在刀閘傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡阻、合閘不到位的CJ7A型刀閘操作機(jī)構(gòu)測(cè)試，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。從系統(tǒng)軟件顯示的測(cè)試刀閘電機(jī)電流波形可知，測(cè)量刀閘電機(jī)動(dòng)作電流為A相2.7 A，B相2.5 A，C相2.6 A，大于刀閘操作機(jī)構(gòu)電機(jī)額定動(dòng)作電流1.9 A。該故障的診斷結(jié)果：電機(jī)與刀閘間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀、刀閘分合閘不到位，電機(jī)繞組內(nèi)部故障。

3 數(shù)據(jù)的采集及通信

3.1 主軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量

增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器是安裝在電動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸上作為測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸角位置傳感器；它采用圓光柵，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。該傳感器的特點(diǎn)是重量輕、力矩小，可靠性高。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器輸出A，B 2路相位相差90°的正交脈沖。通過(guò)信號(hào)處理電路，能從A、B 2路信號(hào)的相對(duì)相位確定碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。如果A超前B，碼盤(pán)向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)；若B超前A，表明碼盤(pán)向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是正交信號(hào)具有的易于被識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)加/減計(jì)數(shù)器對(duì)A，B 2路信號(hào)計(jì)數(shù)，能得到角位移的增(減)量，角位移采集框如圖4所示。

圖4 角位移采集框示意

從旋轉(zhuǎn)光電編碼器輸出的2路正交脈沖，經(jīng)光電隔離后，再由施密特觸發(fā)器整形，得到A和反相A以及B和反相B的方波信號(hào)。這4路方波信號(hào)經(jīng)過(guò)單穩(wěn)器件，得到各自的上升沿和下降沿信號(hào)A，A′，B，B′，這些脈沖經(jīng)過(guò)“與—或—非”電路，實(shí)現(xiàn)了正交信號(hào)處理，輸出反應(yīng)角位移的信號(hào)P+和P-。

利用3片4029組成12位加/減計(jì)數(shù)器，2路加減脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)加/減計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，輸出10位二進(jìn)制編碼，其值與角位移相對(duì)應(yīng)。采集系統(tǒng)以一定的采樣頻率讀取這10位結(jié)果信息，得到開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中的主軸角位移時(shí)間曲線。

3.2 電量信號(hào)的采集與通信

為了不影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，現(xiàn)采用一種性能優(yōu)異的傳感器——基于霍爾效應(yīng)的霍爾電流傳感器，該傳感器輸出的電壓信號(hào)正比于電動(dòng)機(jī)電流。首先通過(guò)CPU高速輸入單元HSH測(cè)算出周波頻率，由此得到采樣/保持器的控制頻率，CPU通過(guò)對(duì)1個(gè)周期進(jìn)行32點(diǎn)頻率采樣，利用傅氏算法將時(shí)域內(nèi)采集到的電流信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)數(shù)據(jù)。

由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線將數(shù)據(jù)傳送到便攜式PC或控制室的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊和上位機(jī)采用RS-485串行通信，接口芯片采用MAX485。

4 電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)施

研究現(xiàn)場(chǎng)主要對(duì)220 kV某間隔的7把電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)施監(jiān)測(cè)。使用主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置和霍爾電流傳感器分別采集主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、電動(dòng)機(jī)電流采樣信號(hào)，然后通過(guò)電纜引入到電動(dòng)刀閘監(jiān)測(cè)戶外端子箱中。這些信號(hào)再?gòu)碾妱?dòng)刀閘監(jiān)測(cè)端子箱經(jīng)電纜傳送到檢測(cè)中心監(jiān)控分析后臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

通過(guò)對(duì)不同品牌、型號(hào)的電動(dòng)刀閘機(jī)械電氣原始數(shù)據(jù)的分析，提出可信的判據(jù)或?qū)μ卣髦翟O(shè)定合適的閾值，然后采用上述方案對(duì)隔離開(kāi)關(guān)實(shí)行在線監(jiān)測(cè)。隔離開(kāi)關(guān)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與變電設(shè)備狀態(tài)檢修平臺(tái)相互關(guān)聯(lián)，成為智能化檢修的組成部分。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，跟蹤電動(dòng)刀閘合(分)閘時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流變化及主軸角位移信息，以此判斷工作狀態(tài)和預(yù)測(cè)故障；通過(guò)分析上位機(jī)瀏覽和分析歷史數(shù)據(jù)，可獲得電動(dòng)刀閘的操作、檢修記錄，并以此預(yù)測(cè)故障。此研究可為開(kāi)展電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷工作提供借鑒。

隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)不僅能為設(shè)備是否需要檢修提供依據(jù)，還能檢驗(yàn)檢修的質(zhì)量水平。它的應(yīng)用將大大提高設(shè)備的可用率，降低設(shè)備強(qiáng)迫停運(yùn)率。隨著狀態(tài)檢修的智能化提升，隔離開(kāi)關(guān)的檢修必將向集約型轉(zhuǎn)變。

1 李中祥，宋建成．高壓隔離開(kāi)關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的研制[J]．高壓電器，2016，45(2)：11-14.