高壓開關機械特性非接觸式測量技術

秦娜 張西望

【摘? 要】針對高壓開關的拒動、誤動、慢分和三相嚴重不同期等機械故障可能造成嚴重李故的問題，對運行中的高壓開關相關機械特性參數進行測量：.判斷高壓開關能否正常工作.從而進行及時的維護和檢修。為此研究高壓開關機械特險非接觸式測量的技術已迫在眉睫，落于圖像處理技術和光傳導技術的日趨成熟，將相關技術引入到裔壓開關機械特性測試系統中.實現快速準確地非接觸式測童高壓開關機械特性。

【關鍵詞】高壓開關;機械故障;圖像處理;光傳導;測量

引言

近年來，電力系統對供電的可靠性和經濟性提出了愈來愈高的要求。高壓輸變電設備的安全運行已成為影響電力系統安全、穩定、經濟運行的重要因素。高壓開關在電網中起著控制和保護的作用，當發生故障或事故時會引起電網事故或擴大事故。國際大電網會議（CIGRE）對高壓開關及其操作機構的可靠性進行過兩次世界范圍的調查，結果表明，大多數開關故障（主要故障的70%和次要故障的86%）屬于機械性質，主要涉及操作機構、監視裝置和輔助裝置。目前國內高壓開關的問題也主要體現在機械故障上，如：絕緣拉桿脫落、斷裂、擊穿，水平拉桿斷銷等。因此，高壓開關機械故障的檢測具有十分重要的意義。

1高壓開關柜概述

高壓開關柜是以斷路器為主的電氣設備，其是根據電氣一次主接線圖的相關要求將控制器、保護器等高低壓電器及母線、絕緣子等元件裝配在一起形成能夠在電力系統中接受和分配電能的一類裝置。高壓開關柜可根據電網運行要求將部分電力設備或者部分電路網絡投入或者退出運行，也可將電力設備或者部分電路網絡快速切除，進而確保電力系統的無故障運行，同時也可保證檢修人員的安全。根據斷路器的安裝方式，可將高壓開關柜分為移開式和固定式。移開式高壓開關柜又稱為手車式高壓開關柜，柜體內的電器元件主要安裝在可抽出的手車上，該型高壓開關柜互換性較好，可提高供電系統的穩定性;固定式高壓開關柜內的電器元件不可移動，但是操作簡單，價格相對低廉，故常被應用于10kV及以下配電系統中。根據安裝地點，可將高壓開關柜分為戶內式和戶外式，因受戶外環境的影響，戶外式高壓開關柜型號較少。根據柜體結構，可分為金屬封閉鎧裝式、金屬封閉間隔式、金屬封閉箱式和敞開式等4種高壓開關柜，其中金屬封閉鎧裝式高壓開關柜因具有運行安全可靠性高、互換性好、受地面水平影響小、檢修方便、操作簡單等優勢而被越來越廣泛地應用。

2設計方案

2.1信號檢測

根據不同的現場檢測情況設計出2種方案進行信號的檢測，具體方案如下。1）激光位移傳感器檢測該方案是在高壓開關中的垂直滑動部位上安裝一個光反射桿，該光反射桿隨動觸頭一起運動。在底板上安裝激光傳感器，以此來測量激光傳感器與光反射桿之間的距離。激光傳感器上輸出的信號送入數據處理設備進行處理，得到距離變化與時間的曲線關系圖，可得出真空斷路器的各項性能參數。激光位移傳感器的重復測！精度一般都能達到1um，完全能滿足本項目的測量精度要求.該方案適合無接觸、高精度、有光差的情形下使用。

2）微型拉桿式直線位移傳感器檢測該方案將激光傳感器用微型拉桿式直線位移傳感器代替，就是此方案的監測方法。微型拉桿式直線位移傳感器是接觸式監測，允許極限運動速度可達到5m/s，重復測量精度為10um，相對線性精度為土0.3%。完全能滿足本項目的測量精度要求。該傳感器的安裝視實驗情況可作調整，以滿足最大限度地不影響高壓開關機械性能及方便安裝。該方案適合有接觸、要實現數字化的情形下使用。

2.2監控室數據處理與顯示

監控室收到現場傳輸來的數據后，對現場數據進行處理，上位機負責監控現場設備的工作狀態，實現報警管理（含手機發送功能）、歷史數據存檔、合（開）閘曲線圖顯示、歷史數據查詢、檢測項目指標生成與要求值顯示表、報表生成、圖表打印等功能。本系統要使用的上位機選用常用于工業控制的工控機。工控機是專門用于工業控制的特殊計算機，與普通計算機相比，優勢很多，機箱上有專門電源，電源有較強的抗干擾能力，機箱應采用鋼結構，有較強的防磁、防塵、防沖擊能力，具有連續長時間工作的能力。

2.3高壓開關動觸頭行程的檢測

高壓開關的行程–時間特性是表征高壓開關機械特性的重要參數，也是計算高壓開關分、合閘速度的依據。高壓開關分合閘速度，尤其是開關合閘前、分閘后的動觸頭速度，對開關的開斷性能有至關重要的影響。因此，高壓開關的行程–時間特性檢測，是高壓開關檢測的重要內容。由于開關動觸頭作直線運動，可以安裝一個與動觸頭一起運動的附加件，當動觸頭做分、合操作時，該附加件隨連桿做直線運動，通過光電傳感器，將連續變化的位移量變成一系列電脈沖信號。記錄該脈沖的個數，就可以實現動觸頭全行程參數的測量;同時，記錄每一個電脈沖產生的時刻值，將位移同時間相除，就可計算出動觸頭運動過程中的最大速度和平均速度。目前測量高壓開關的行程–時間特性，多采用光電式位移傳感器與相應的測量電路配合進行，常用的有增量式旋轉光電編碼器或直線光電編碼器。目前市場上根據這種方法研制的產品眾多，可將測試結果直接打印，部分測試儀具備RS232/485接口，可將測試結果上傳。

3誤差分析

針對高壓開關各檢測項目的測量誤差要求，分析出本設計方案的測量誤差的主要來自于傳感器的測量誤差、數據處理產生的誤差、信號測量頻率產生的誤差。由于傳感器的測量精度相當高，可達10um，相對線性測量精度達f0.3%，因此傳感器的測量誤差可忽略不計。至于數據處理產生的誤差，可通過算法的優化來達到最大程度地消除，因此它產生的誤差也相當小。由于受到信號測量頻率的限制，應盡量將信號處理的測量頻率提高來減小誤差。經分析得出，如果信號測量頻率為5kHz時，高壓開關最大運行速度按1m/s計算，則在最大運動速度下為每間隔0.2～采一次樣。按最大運動行程為5～計算，這時的測量最大誤差為4%。若按最大運動行程為巧～計算，這時的測量最大誤差為1.33%.如果信號測量頻率為10kHz時，高壓開關最大運行速度按1m/s計算，則在最大運動速度下為每間隔0.1mm采一次樣。按最大運動行程為5mm計算，這時的測量最大誤差為2%。若按最大運動行程為15mm計算，這時的測量最大誤差為0.667%.

結語

本設計方案源于保障高壓電氣成套設備安全運行，防止電力系統出現異常導致的高壓開關產生拒動、誤動、慢分和三相不同期等故障，要對運行中的高壓開關相關機械特性參數進行測量，判斷高壓開關能否正常工作，從而進行及時的維護和檢修，本研究設計出一種高壓開關機械特性非接觸式測量技術。本設計通過測量得出的曲線和特性，和離線常規測量的界面及參數種類一致，曲線中含有包絡線和主觸頭分合閘曲線。可以對原始數據實現保存、查詢、打印、傳輸、報警等功能。

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（作者單位：山東達馳電氣有限公司）