隔離開關機械狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的研制

雷 興，徐 楠，李 洋，何 夢，王少偉，陳 佳

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

隔離開關是變電站內(nèi)數(shù)量最多的一次設備之一，隔離開關出現(xiàn)故障，將會導致停電范圍擴大、設備檢修時間延長等問題。目前，機械故障[1]約占隔離開關故障的80%，但對隔離開關的機械狀態(tài)缺乏有效的狀態(tài)監(jiān)測手段[2-4]。基于電流量這單一狀態(tài)量[5-6]進行故障診斷具有一定的局限性。

本文借助傳感技術、物聯(lián)網(wǎng)等實用化技術，研發(fā)了這套“隔離開關機械狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)”，實現(xiàn)了主軸扭矩和轉角等機械參數(shù)的在線監(jiān)測，可在早期發(fā)現(xiàn)隔離開關的機械故障隱患并給出診斷結果，方便運檢人員及時采取處理措施，提高設備檢修智能化水平。

1 技術方案

根據(jù)現(xiàn)狀—愿景—目標—方法這一思維序列制定技術路線，如圖1所示。

圖1 技術路線

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)分為兩大部分：現(xiàn)場測量裝置和專家診斷系統(tǒng)。現(xiàn)場測量裝置是本系統(tǒng)的“手”，負責采集負載扭矩、主軸轉角、電機功率信號等參數(shù)。專家診斷系統(tǒng)是本系統(tǒng)的“腦”，負責對本系統(tǒng)采集的各類參數(shù)進行處理、分析及建模，并按使用者需求智能分析出該臺產(chǎn)品是否存在異常并給出處理建議。系統(tǒng)組成見圖2。

系統(tǒng)通過現(xiàn)場測量裝置采集狀態(tài)量，生成M-θ曲線、P-θ曲線，不斷完善曲線數(shù)據(jù)庫，專家診斷系統(tǒng)能夠自學，進行智能診斷，原理框圖見圖3所示。

圖2 系統(tǒng)組成

圖3 系統(tǒng)原理框圖

3 關鍵模塊設計

關鍵模塊包括扭矩測量模塊、轉角測量模塊、Zigbee網(wǎng)絡拓撲和專家診斷系統(tǒng)等四部分，如圖4所示。

圖4 關鍵模塊

3.1 扭矩測量模塊設計

扭矩測量模塊應用電阻應變測量技術，將電阻應變片安裝在隔離開關主軸上、采用橋式電路抗干擾，如圖5所示。

圖5 扭矩測量模塊

本模塊具有靈敏度高、抗干擾性強的優(yōu)點，且安裝簡單、方便。

3.2 轉角測量模塊設計

轉角測量模塊應用光電傳感技術，將光電傳感器安裝在隔離開關主軸上、采用多連桿支架固定，如圖6所示。

本模塊具有靈敏度高、測量范圍廣的優(yōu)點。

圖6 轉角測量模塊

3.3 專家診斷系統(tǒng)軟件解決方案

系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)生成“M-θ”、“P-θ”曲線直觀展示機械參數(shù)在運行周期內(nèi)的變化情況。通過對幾種常用型號的隔離開關設置了機構卡澀、分合閘不到位、操作失靈等典型機械故障模擬試驗，收集了大量隔離開關運行關鍵參數(shù)的樣本。通過特征提取，形成隔離開關故障機械狀態(tài)特征信息庫。專家診斷系統(tǒng)軟件解決方案如圖7所示。將被測隔離開關機械狀態(tài)特征自動納入信息庫，使專家分析的結論更具合理性和科學性，提高了專家診斷系統(tǒng)的準確性。

3.4 信息安全

Zigbee無線通信具備低功耗、低成本、可靠、短延時、網(wǎng)絡容量大的特點，本系統(tǒng)網(wǎng)絡接入方案將經(jīng)信息技術部門審核，設立專網(wǎng)通道和內(nèi)網(wǎng)防火墻，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)加密接入內(nèi)網(wǎng)平臺，以確保信息安全。

圖7 專家診斷系統(tǒng)軟件解決方案

4 工程應用

專家診斷系統(tǒng)存儲有各型隔離開關的安裝、檢修和運維信息，在實際生產(chǎn)中的測試過程如圖8(a)所示，通過與數(shù)據(jù)庫中保存的該型隔離開關的標準曲線和歷史曲線進行智能化對比，從而給出診斷結果和相關的檢修及維護建議，如圖8(b)和圖8(c)所示。

圖8 應用實例展示

5 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)可實現(xiàn)對隔離開關“機械狀態(tài)監(jiān)測—隱患發(fā)現(xiàn)—故障定位—提出檢修建議—出具檢測報告”的全流程智能檢修，具有以下特點。

(1)扭矩轉角精密測量。基于電阻應變測量技術和光電傳感器技術的隔離開關主軸扭矩和轉角測量元件測量精確、穩(wěn)定。測量元件均具有安裝簡便、使用成本低，不影響隔離開關主軸軸系結構的優(yōu)點。

(2)機械性能在線監(jiān)測。能在不停電狀態(tài)下自動監(jiān)測隔離開關機械性能。測量可結合日常倒閘操作進行，實現(xiàn)了對隔離開關機械狀態(tài)的實時測量，具有隱患早發(fā)現(xiàn)早處理的優(yōu)點。

(3)機械故障智能診斷。專家智能診斷系統(tǒng)，能通過對海量的隔離開關機械故障樣本進行特征提取，形成 特征信息庫，將被測隔離開關機械狀態(tài)特征自動納入信息庫，具有對隔離開關機械特性曲線的分析準確，特征信息庫自我完善的優(yōu)點。

(4)特征圖譜深度挖掘。該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于環(huán)境因素等隔離開關機械劣化因變量的特征圖譜分析功能。結合溫濕度、污穢等級對隔離開關所處環(huán)境進行評估與類型劃分，具有對不同隔離開關分地區(qū)分季節(jié)的差異化檢修的優(yōu)點。

6 結語

本系統(tǒng)已通過產(chǎn)品檢測認證、出廠型式試驗，成功實現(xiàn)了隔離開關機械故障狀態(tài)在線監(jiān)測和診斷功能，填補了隔離開關機械狀態(tài)在線監(jiān)測領域的行業(yè)空白。本成果已推廣至江蘇如高開關廠等單位使用，現(xiàn)場運行效果良好。

具有模塊化、小型化設計的優(yōu)點，不僅適用于已投運的國內(nèi)外各類型隔離開關，還便于在新型隔離開關生產(chǎn)過程中進行一體化定制，因此對于新老設備均具備很高的推廣價值。