高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)與故障診斷分析

方勝兵

（重慶西南鋁機(jī)電設(shè)備工程有限公司，重慶401326）

0 前言

高壓開關(guān)柜是供配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，由于柜體采用密閉結(jié)構(gòu)，散熱條件差，而且長(zhǎng)期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，由此使得設(shè)備故障率較高[1]。且高壓開關(guān)柜爆燃則屬于惡性事故，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀及大面積停電，甚至傷及人身。開關(guān)柜監(jiān)測(cè)和故障診斷能通過及時(shí)監(jiān)控柜內(nèi)設(shè)備參數(shù)，對(duì)故障進(jìn)行診斷，為事故預(yù)警分析提供重要數(shù)據(jù)支撐，為缺陷定位、同類設(shè)備評(píng)估、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)維提供重要決策參考。

1 高壓開關(guān)柜常見故障

高壓開關(guān)柜的常見多發(fā)故障主要包括分?jǐn)喙收?、絕緣故障和誤動(dòng)故障等。

1.1 分?jǐn)喙收?/h3>

分?jǐn)喙收习ㄩ_斷、關(guān)合故障，與真空斷路器有關(guān)。例如，真空斷路器出現(xiàn)滅弧情況時(shí)，就會(huì)影響真空度，進(jìn)而對(duì)高壓開關(guān)柜造成干擾，此時(shí)真空斷路器不能正常工作，即使高壓開關(guān)柜檢測(cè)到電網(wǎng)故障，也不能進(jìn)行正常的保護(hù)動(dòng)作。分?jǐn)喙收媳容^常見，需結(jié)合故障診斷，準(zhǔn)確找出高壓開關(guān)柜中的開斷或關(guān)合故障，消除隱患。

1.2 絕緣故障

高壓開關(guān)柜的絕緣故障，風(fēng)險(xiǎn)大，類型多，原因復(fù)雜，主要原因包括CT閃絡(luò)擊穿，破壞高壓開關(guān)柜的絕緣性能，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高。通過故障診斷技術(shù)，根據(jù)絕緣故障的診斷表現(xiàn)，對(duì)癥維護(hù)，預(yù)防高壓開關(guān)柜的絕緣故障。

1.3 誤動(dòng)故障

動(dòng)作故障分為拒動(dòng)和誤動(dòng)，危害性大，導(dǎo)致開關(guān)柜無法正常運(yùn)行。此類故障的原因有：（1）電氣控制回路故障；（2）高壓開關(guān)柜機(jī)械故障。

2 監(jiān)測(cè)與診斷總體設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜在電網(wǎng)中具有控制、保護(hù)雙重功能。隨著變電站無人值守和智能化推廣，生產(chǎn)安全顯得愈發(fā)重要。高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)與故障診斷采用模塊化設(shè)計(jì)，由監(jiān)測(cè)和故障診斷兩部分組成。監(jiān)測(cè)是在目前SCADA基礎(chǔ)上，結(jié)合總線技術(shù)和無線通訊擴(kuò)展弧光、溫度、泄漏電流監(jiān)測(cè)等。故障診斷是核心，包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)管理、發(fā)展趨勢(shì)分析、故障診斷預(yù)警等功能模塊。故障診斷通過智能算法，建立故障診斷策略，通過監(jiān)測(cè)參數(shù)分析開關(guān)柜的故障原因。基于CAN總線的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)組成框圖

2.1 SCADA系統(tǒng)

SCADA是電網(wǎng)運(yùn)維的基礎(chǔ)，通過監(jiān)控主機(jī)、電量檢測(cè)儀、變送器、輸入模塊進(jìn)行采樣及控制，將所有用電回路的瞬時(shí)電量、斷路器狀態(tài)、故障等通過監(jiān)控主機(jī)以網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)時(shí)傳送給監(jiān)控中心。由中心計(jì)算機(jī)建立實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)HMI顯示和后臺(tái)數(shù)據(jù)分析，同時(shí)生成負(fù)荷曲線圖、電量/時(shí)間棒圖、歷史記錄列表、負(fù)荷超限報(bào)警、事故跳閘報(bào)警、操作記錄等。

根據(jù)SCADA，可以進(jìn)行負(fù)荷分析、運(yùn)維計(jì)劃訂制、遠(yuǎn)程控制和故障處理，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)運(yùn)行管理。

3 模塊化監(jiān)測(cè)

開關(guān)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在SCADA基礎(chǔ)上，擴(kuò)展弧光監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵位置溫度監(jiān)測(cè)、泄漏電流監(jiān)測(cè)、溫濕度控制等子系統(tǒng)。

3.1 弧光監(jiān)測(cè)

電弧光危害很大，電弧的能量可高達(dá)8～60MW。

電弧光產(chǎn)生原因主要有：（1）誤入帶電間隔；（2）隔離開關(guān)誤操作；（3）忘記接地；（4）設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作；（5）設(shè)備正常檢修后，工具遺漏在開關(guān)設(shè)備內(nèi)；（6）錯(cuò)誤的接線；（7）絕緣老化和機(jī)械磨損、以及過電壓；（8）小動(dòng)物、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素；（9）容性接地電流擴(kuò)大；（10）電氣連接點(diǎn)過熱燃燒等。

弧光傳感器裝在開關(guān)柜的不同位置，根據(jù)弧光傳感器的實(shí)際物理位置可實(shí)現(xiàn)保護(hù)分區(qū)，快速定位故障點(diǎn)，減少停電處理時(shí)間，快速恢復(fù)供電。

弧光保護(hù)還可以連續(xù)檢測(cè)故障前期相對(duì)微弱的弧光信號(hào)、強(qiáng)電暈等，如較為嚴(yán)重的爬電、電暈加強(qiáng)等，可及時(shí)給出預(yù)警，把事故消除在萌芽狀態(tài)。

3.2 溫濕度監(jiān)測(cè)

高壓開關(guān)柜通常工作在高電壓和大電流狀態(tài)，無疑會(huì)造成設(shè)備發(fā)熱，產(chǎn)生異常溫升，如果不及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備爆炸等事故。在大電流情況下，高壓開關(guān)柜動(dòng)、靜觸頭等是最易出故障的薄弱環(huán)節(jié)。如果接觸不良，致使接觸電阻增大，產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱，從而加劇接觸面氧化，形成惡性循環(huán)，這是高壓開關(guān)柜的主要故障。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)造成嚴(yán)重故障，危及供電安全。

開關(guān)柜相對(duì)密閉，潮氣進(jìn)入后無法排出，極易在柜內(nèi)產(chǎn)生凝露，造成短路。嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爬電、閃絡(luò)事故、電氣元件銹蝕導(dǎo)致接觸不良等問題。

傳統(tǒng)方法是柜體加裝電加熱器、干燥劑或者柜體密封，但不能徹底解決問題。通過安裝新型的超聲波防凝露或電子制冷除濕設(shè)備，可以把柜體內(nèi)的濕氣轉(zhuǎn)化成水滴，排出柜體外。該方式不會(huì)受氣候影響，在低溫、高溫狀態(tài)下也可以除濕。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，當(dāng)柜體內(nèi)濕氣超標(biāo)時(shí)會(huì)自動(dòng)工作。

3.3 漏電流監(jiān)測(cè)

開關(guān)柜內(nèi)的避雷器長(zhǎng)期運(yùn)行后出現(xiàn)老化受損，導(dǎo)致漏電流增大。例如金屬氧化鋅避雷器由于長(zhǎng)期承受電壓，內(nèi)部的閥片老化，閥片受潮，破壞了避雷器的性能，致使漏電流增大。漏電流將產(chǎn)生有功損耗，使閥片的溫度升高，導(dǎo)致避雷器損壞甚至爆炸，引發(fā)電網(wǎng)事故。

4 故障診斷技術(shù)

目前，成熟的高壓開關(guān)柜故障診斷技術(shù)，主要分為經(jīng)驗(yàn)故障診斷和規(guī)則故障診斷兩類。

4.1 基于經(jīng)驗(yàn)的故障診斷

基于經(jīng)驗(yàn)的故障診斷包括：（1）閾值診斷：按閾值規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)，如果實(shí)際數(shù)據(jù)與閾值不符，則高壓開關(guān)柜出現(xiàn)故障；（2）波形診斷：以物理量為主，實(shí)行波形診斷，觀察高壓開關(guān)柜物理變化的狀態(tài)，反饋設(shè)備運(yùn)行的信息。波形診斷分為時(shí)域和頻域診斷兩類；（3）指紋診斷：比對(duì)樣本數(shù)據(jù)，分析高壓開關(guān)柜中的故障。但該方法不能用于在線診斷。

4.2 基于規(guī)則的故障診斷

基于規(guī)則的故障診斷，主要是按電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則，實(shí)行故障診斷。（1）邏輯診斷法：此類診斷方法較為簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣，但缺乏精準(zhǔn)性；（2）模糊診斷方法：診斷精度高于邏輯控制，可以診斷大型故障；（3）統(tǒng)計(jì)診斷法：需要借助實(shí)驗(yàn)依據(jù)，才能完成準(zhǔn)確的診斷。

5 結(jié)論

鋁加工企業(yè)對(duì)供配電系統(tǒng)的安全性要求高，高壓開關(guān)柜等關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響企業(yè)效益。高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)具有實(shí)用性廣、可靠性高、開放性好的特點(diǎn)，對(duì)保證電網(wǎng)安全有很好的應(yīng)用前景。