GIS 高壓隔離開關機械特性在線監測裝置的研究與設計

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0 引言

在電力系統中，GIS（氣體絕緣封閉組合電器）高壓隔離開關的作用是： 在檢修維護工作時將帶電運行的電氣設備與停電檢修或處于備用的電氣設備隔離開來，這就要求隔離開關必須有足夠的開斷隔離距離[1-4]。對于戶外敞開式隔離開關，雖然可以通過肉眼觀察到隔離開關的動作狀態，但GIS 設備中的隔離開關是利用SF6氣體將其封閉在絕緣筒內的，不能直接觀測到動靜觸頭的分合到位情況[5-7]，只能通過機構箱上的位置指針、匯控柜內的分合閘燈和后臺位置來間接判定隔離開關的動作狀態[8]。所以極易發生因傳動軸套破裂、連桿材質不良引起的斷軸、到位行程開關位置不正，最后導致機構分合不到位、動靜觸頭開距不足、位置判定失效等故障。而此類故障如果發現不及時，將可能造成“帶負荷拉隔離開關”“帶接地開關送電”等惡性事故，嚴重危害到電網和人身安全[9-11]。

目前，行業內普遍通過檢測支柱絕緣子裂痕、帶點接觸點溫度等指標間接判斷高壓隔離開關的狀態，例如應用絕緣子上的超聲波探傷器、對觸頭進行紅外線測溫或者檢測觸頭尾部的壓力來判斷動作狀態。但是，直接對GIS 高壓隔離開關操作機構機械狀態進行在線監測，仍然缺乏行之有效的方法。國內外已有大量文獻針對10～35 kV 中壓開關設備機械狀態監測展開研究，有文獻指出10～35 kV 中壓開關設備的分合閘操作儲能彈簧驅動電磁鐵線圈電流及儲能彈簧驅動電機電流可以作為判斷中壓斷路器機械特性的指標，而且可以通過軟件模擬出電機的機械動態行進過程，進而有效反映操作機構的運行狀態，其研究結果可作為220 kV GIS 高壓隔離開關操作機構機械特性在線監測的重要參考依據。

結合已有文獻研究成果，本文提出一種基于電流分析法的GIS 隔離開關動作狀態監測裝置。該裝置首先對220 kV GIS 高壓隔離開關分合閘過程中操作機構驅動電機電流進行采集，繪制電流-時間曲線，并與投運時電流-時間曲線及+5%包絡線進行比對，進而判定隔離開關刀閘是否存在卡阻、隔離刀閘的分合過程是否完整、隔離開關的動靜觸頭開距/插入深度是否到位等，并通過試驗進行充分的驗證和應用，裝置研發成功能有效提高電網的運行可靠性。

1 GIS 高壓隔離開關操作機構在線監測的技術難點

GIS 高壓隔離開關主要作用是將高壓設備與高壓電網進行隔離[12]，因此它并不具備滅弧能力，也就不能直接投切負荷電流和開斷短路電流[13-15]。通常，220 kV GIS 高壓隔離開關通過驅動電機帶動操作機構，實現隔離開關動靜觸頭的分（合）閘動作，實現對帶觸點隔離開關設備主電路的開斷與關合[16]。其中，隔離開關操作機構由連桿機構、驅動電機等部件組成，高壓隔離開關的動靜觸頭通過操作機構的驅動電機驅動連桿動作來可靠地完成分合閘操作，操作機構動作的特點是： 在執行動作時，機械機構瞬變，機構動作會伴隨著沖擊、振動；在閉合通電時，隔離開關又長時間不動作，一旦有故障發生，又會要求隔離開關動作穩定可靠。根據高壓隔離開關機構動作的特點，高壓隔離開關操動機構與傳動機構的可靠運行尤為重要，對電力系統的安全運行起著關鍵作用。GIS 隔離開關操作結構在多次動作后，一些操作機構中連桿機構零部件的強度和剛度會變差，容易產生變形，從而導致隔離開關卡死，使之難以斷開，造成故障。同時，由于GIS 高壓隔離開關驅動電機帶動操作機構完成的每一次分合閘投切動作，都會對隔離開關操作機構機械部件造成損傷，且存在損傷累加效應，因此對隔離開關機械特性進行在線監測是智能電網發展的必然趨勢，也符合國家電網建設泛在電力物聯網的需求[17-20]。

目前，220 kV GIS 高壓隔離開關操作機構機械特性在線監測的技術難點在于： 由于GIS 設備中的隔離開關是封閉在絕緣筒內的，不能直接觀測到隔離開關動靜觸頭的分合到位情況，只能通過機構箱上的位置指針、匯控柜內的分合閘燈和后臺位置來間接判定隔離開關的動作狀態，如圖1 和圖2 所示?，F階段對于此類缺陷的反措手段多是對GIS 連桿進行劃線，但存在以下幾點不足： 部分廠家的機構連桿在機構箱內部，無法劃線；劃線方式不僅工作量大，而且大量倒閘操作還存在安全隱患；標識線的觀測手段嚴重不足，GIS 結構緊湊，觀測存在盲區，夜間難以觀測；傳動軸和動觸頭連接若脫扣，劃線標識無法起到作用。

2 GIS 高壓隔離開關操作機構機械特性在線監測原理

2.1 基于電流法的GIS 隔離開關操作機構機械特性在線監測原理

圖1 指針指示刀閘在合閘位置

圖2 指針指示刀閘在分閘接地位置

高壓隔離開關一般采用220 V 交流異步電動機通過連桿驅動操作結構，而連桿操作機構扭矩大小可由驅動電機扭矩反映出來，電機扭矩大小又與電機工作電流存在一定的對應關系[4]。為了實現對隔離開關操作機構機械特性的在線監測，需要研究操作機構驅動的電動機特性并分析其數學模型，異步電動機T 型簡化等效電路模型如圖3 所示。

圖3 異步電動機T 型簡化等效電路模型

圖3 中，r1，x1分別為異步電動機定子繞組等效電阻和等效漏電抗；r2′，x2′分別為折算到定子上后電機轉子繞組等效電阻和等效漏電抗；rm，xm分別為異步電動機等效勵磁電阻和等效鐵芯勵磁電抗；分別為異步電動機等效定子電動勢和等效后的轉子電動勢；s 為轉差率。

異步電動機剛啟動時，電機轉速為零。電機轉子處于堵轉狀態，n=0，則s=1，代表電機軸上機械負載的附加電阻，相當于簡化等效電路負載處于短路狀態，阻抗減小，電流增加，故電機啟動瞬時電流很大。

同時根據公式：

式中： T 為電機轉矩；KT為比例系數；Φm為氣隙磁通；I 為電機電流。當電機扭矩T 增大時，根據式（1），可以看出電流也隨之增加，因此操作機構驅動電機電流大小可以間接反映出操作機構連桿受力狀況。

通常，隔離開關操作機構驅動電機線圈額定電流為1～2 A，而驅動電機帶載時瞬間啟動電流較大，為此采用20 A：1 A 交流電流互感器采集驅動電機線圈電流，并繪制電流-時間曲線及+5%包絡線，如圖4 所示。根據電流-時間曲線及其包絡線，可以判斷出GIS 高壓隔離開關操作機構是否存在卡澀、開距不足、電機線圈斷線、斷桿及隔離開關刀口合閘不到位等故障。

圖4 電機線圈電流-時間曲線關系

圖4（a）為合閘位到分閘位電流隨時間變化曲線，分閘位通常也是接地位，從合閘位的動靜觸頭刀口脫離開始到分閘位，在分閘瞬間，即電機從靜態啟動，電流有沖擊，直到分閘位結束前驅動電機運行過程中電流基本沒有變化，到達分閘位后電機停止，電流恢復到零值。圖4（a）繪出了電流-時間曲線及+5%包絡線，通常將運維檢修后或首次投運時的電流-時間曲線及+5%包絡線進行存儲，將歷史曲線同存儲的電流-時間曲線及+5%包絡線進行比對，若偏離則說明隔離開關操作機構存在問題。

圖4（b）為分閘位到合閘位隨時間變化曲線，從分閘位到動靜觸頭接觸時的合閘位，在合閘瞬間，即電機從靜態啟動，電流有沖擊，一直到合閘位進入刀口前運行過程中電流基本沒有變化，動靜觸頭接觸后進入刀口電流開始增加，到達完全合閘后電機停止，電流恢復到零值。圖4（b）繪出了電流-時間曲線及+5%包絡線，通常將運維檢修后或首次投運時的電流-時間曲線及+5%包絡線進行存儲，將歷史曲線同存儲的電流-時間曲線及+5%包絡線進行比對，若偏離則說明隔離開關操作機構存在問題。

對比發現，圖4（b）后段電流比圖4（a）后段電流大，電流出現一定的突起狀，其原因在于GIS隔離開關從動靜觸頭接觸開始進入合閘位時，為了保證動靜觸頭可靠接觸，動靜觸頭靠彈簧壓力接觸，阻力較大，這2 組曲線描繪了隔離開關完整的動作過程。若圖4（b）中后段阻力消失，則表明隔離刀沒有進入刀口；若后段阻力變短，則表明動靜觸頭壓力減小，存在接觸面積減小的可能；若曲線消失，表明驅動電機線圈斷線；若中間段電流超出正常值，則表明機構存在卡澀等。

2.2 基于角位移傳感技術的GIS 高壓隔離開關機械狀態在線監測原理

GIS 隔離開關操作機構通常是旋轉運動，而旋轉角度和具體運動位置與驅動電機旋轉角度和運動位置是一一對應的，通過隔離開關操作機構驅動電機的旋轉角度可以間接獲得GIS 隔離開關具體運動位置，為此通過將旋轉式角位移傳感器固定在驅動電機的轉軸上，利用安裝在電機軸上的旋轉式角位移傳感器可以間接獲得隔離開關操作機構連桿的旋轉角度和旋轉位置，通過旋轉式角位移傳感器采集旋轉式電位器阻值的變化數據可準確判斷出隔離開關所處位置及狀態，即隔離開關觸頭處于合閘位、分閘位還是中間位。圖5所示為驅動電機旋轉角度隨時間變化曲線，其中A 點表示機械結構所處位置為分閘位，B 點為中間某一位置，C 點為合閘位。由于電機旋轉角度運行時間與分合閘動作時間完全一致，根據隔離開關動靜觸頭行程-時間曲線，再結合操作機構驅動電機分合閘電流-時間曲線，可以更加準確地判斷出隔離開關的動靜觸頭開距、刀閘插入深度及機構存在卡澀具體位置等信息，同時根據總行程及總運行時間，也可以獲得隔離開關分合閘平均速度。

3 隔離開關操作機械特性在線監測裝置的設計

圖5 隔離開操作機構驅動電機旋轉角度隨時間變化曲線

GIS 隔離開關在工作時易發生操作機構操作桿失靈、分合閘過程機構卡澀、分合閘動靜觸頭接觸不到位、操作桿斷桿、驅動電機線圈斷線等故障，進而影響GIS 隔離開關正常分合閘操作，類似事故已發生多起，威脅到電網運行安全。為此，本文提出一種基于電流分析法的GIS 隔離開關動作狀態監測裝置，該裝置首先對隔離開關分合過程中的操作機構驅動電機電流進行數據采樣，將采樣數據反饋至分析模塊進行數理分析，再將采集的電流-時間曲線與投運初期的電流-時間曲線及+5%包絡線進行比對，可以判定隔離開關刀閘是否存在卡阻、刀閘的分合過程是否良好、隔離開關動靜觸頭開距及刀閘插入深度是否到位，并結合隔離開關操作桿行程-時間曲線可以準確判斷出故障的具體位置。

大部分隔離開關操作機構采用單相交流異步電動機驅動，所以交流電機電磁線圈的電流波形中包含著診斷機械故障的重要信息。為了實現對其電磁線圈電流的監測，設計時采用開口式電流互感器測量操作機構驅動電機線圈電流，并經信號調理后送到A/D 采集電路，由微處理器電路處理后獲得電流值，旋轉式角位移傳感器選用10 kΩ 高精度旋轉式電位器，且將旋轉式位移傳感器同步安裝在操作機構驅動電機轉軸上，旋轉式電位器旋轉角度與電阻值一一對應，通過電阻值的變化，進而獲得電機角度的變化。為了將電阻值再轉化為電壓值，設計時給10 kΩ 高精度旋轉式電位器加入3.3 V DC 電壓信號，根據電阻分壓原理即可獲得電壓信號，即從10 kΩ 高精度旋轉式電位器中間輸出端獲得分壓后的電壓信號，電壓信號的大小與電機旋轉角度成正比，其原理框圖如圖6 所示。

分閘位到合閘位命令輸入通過控制驅動電機正轉的繼電器的一對常開輔助觸點給微處理器傳送合閘控制信號，微處理器電路接收到合閘命令后開始采集電流和電機角度信號，待合閘到位后，合閘位狀態發生改變，此時微處理器電路停止信號采集。

圖6 GIS 高壓隔離開關機械特性在線監測裝置原理框圖

同樣，合閘位到分閘位命令輸入通過控制驅動電機反轉的繼電器一對常開輔助觸點給微處理器傳送分閘控制信號，微處理器電路接收到分閘命令后開始采集電流和行程信號，待分閘到位后，分閘位狀態發生改變，此時微處理器電路停止采集。

采用分合閘命令控制微處理器同步采集電流和電機旋轉角度，可以保證電流和電機旋轉角度信號采集的同步性，同時微處理器電路接收到分閘位狀態或合閘位狀態改變立即停止采集。

3.1 在線監測裝置的電流采集電路設計

為采集操作機構驅動電機電流，選用0.5 級20 A∶20 mA 開口式電流互感器，同時為了將交流電流信號轉換為交流電壓信號，在開口式電流互感器二次輸出端并聯1 個1 kΩ/3 W 的精密采樣功率電阻，然后通過全橋整流電路和電容濾波電路獲得直流電壓信號，將電壓信號傳送至高速A/D 采集芯片進行電壓信號采集。GIS 高壓隔離開關操作機構驅動電機電流、角位移傳感器電壓信號均需要用到A/D 模數轉換，因此模數轉換的精度、轉換速度至關重要，STM32 微處理器自帶模數轉換器轉換速度慢、轉換精度低，因此，本文選用高速模數轉換器芯片AD9226 對監測電壓信號進行采集。

3.2 EEPROM 存儲電路設計

考慮到需要保存電流包絡線以及存儲歷史數據，在線監測裝置選用鐵電存儲芯片MB85RC64V，該芯片讀寫次數可達10 億次。同時，在55 ℃的溫度測試環境下，該芯片至少可以持續運行長達10 年，其工作溫度為-40 ℃～80 ℃，完全可以應對我國大部分地區的工作環境。MB85RC64V 存儲芯片采用SOP8 的封裝設計，采用IIC 的通信方式與微處理器進行數據通信，其最大通信頻率為400 kHz，功耗較低，工作電壓為2.7～3.3 V，為保證IIC 的2 根數據線能夠穩定傳輸數據，在SDA 和SCL 兩端分別接1 kΩ 上拉電阻，以確保信號傳輸的可靠性。

4 在線監測裝置性能測試

4.1 在線監測裝置實驗室電流標定試驗

由于高壓隔離開關操作機構驅動電機大多采用220 V 單相交流異步電機，工作電流一般在1～2 A，為了能夠準確測量出高壓隔離開關操作機構的驅動電機電流，需繪制出電流-時間曲線，以便獲得操作機構的機械特性，這就要求電機驅動電流值測量必須準確。因此，在實驗室對在線監測裝置進行電流測量標定試驗試時，主要借助0.5 級多功能三相電測量儀表校驗裝置，該校驗裝置操作簡單，使用方便。通過設置校驗裝置輸出的標準電流，由在線監測裝置對標準電流值進行測量，對比電流測試數據如表1 所示。

表1 校驗裝置設定電流與在線監測裝置實測電流對比

經過實驗標定與測試，校驗裝置產生的標準電流與監測裝置測量的電流數值誤差小于1%，滿足設計要求。

4.2 在線監測裝置現場測試試驗

為了驗證在線監測裝置現場的適應性及監測的可行性，在某供電公司新建220 kV 變電站220 kV GIS 隔離開關上安裝了1 套在線監測裝置，并進行了實際操作試驗。測試時將開口式電流互感器串入被測電機電源回路上，旋轉電位器固定在電機轉軸上，這樣就可以監測到隔離開關操作機構驅動電機線圈電流，繪制電流-時間曲線，利用旋轉位移傳感器監測操作機構旋轉角度，進而獲得分合閘動靜觸頭行程-時間曲線。

分合閘動靜觸頭行程-時間曲線如圖7 所示，從圖中接地位到合閘位電流隨時間變化曲線可以看出： 電機全壓啟動瞬間電流沖擊較大，之后電流趨于平緩，最后當刀閘進入刀口時阻力增加，且此時位置傳感器行程達到最大位置（圖中右下方直線），完成一個完整的接地位到合閘位的動作過程。圖中繪出了電流-時間±5%包絡線，其中，系列1 為正常運行時的電流-時間曲線，系列2為+5%包絡線，系列3 為-5%包絡線。同時根據圖中曲線可以對隔離開關機械結構狀況進行分析判斷，若電流-時間曲線偏離且高于投運時記錄的電流-時間曲線，則表明隔離開關操作機構存在卡澀現象，且通過行程-時間曲線可以判斷機構卡澀的具體位置；若曲線消失，則說明驅動電機線圈斷線。

圖7 驅動電機線圈電流-時間關系曲線

從圖7 可以直接看出GIS 隔離開關動作前后所處的位置，從接地位到隔離位的動作過程，即合閘過程；從隔離位到接地位，即分閘的動作過程；同時還可以顯示動作過程中各個時刻的電流值，根據某個點出現電流突變，結合動靜觸頭行程-時間曲線就可以對隔離開關具體的故障點進行定位。

5 結語

本文針對高壓隔離開關操作機構機械特性在線監測難題，研制了GIS 高壓隔離開關操作機構機械特性在線監測裝置。通過監測操作機構驅動電機線圈電流和電機旋轉角度，結合分合閘時驅動電機線圈電流值、電流-時間曲線及行程-時間曲線可以準確判斷驅動電機線圈是否斷線、操作機構是否存在卡澀及卡澀位置，獲取隔離開關合閘時動靜觸頭接觸面積及接觸壓力、隔離開關開距、合閘時刀閘插入插深度等操作機構機械特性的重要信息；根據操作機構驅動電機電流值、電流-時間曲線及投運時電流-時間及+5%包絡線，再結合電機行程-時間曲線可以準確判斷出隔離開關操作機構機械故障具體類型及具體位置，同時可以根據統計的分合閘動作次數預測高壓隔離開關機械壽命?；陔娏髯R別及角位移混合方法研制的高壓隔離開關操作機構工作狀態在線監測裝置，為GIS 高壓隔離開關機械特性在線監測提供了一種重要監測手段，經在某供電公司220 kV GIS 高壓隔離開關上試用，表明該監測方法簡單易行、安全可靠。