GIS設備中隔離開關負載特性測試研究

成毅 劉昶

摘要：隨著經濟和各行各業的快速發展，任何設備性能狀態的變化一般都有一個由量變到質變的過程，及早識別狀態的變化并進行人工干預，就能減少或杜絕事故的發生。設備狀態識別的關鍵就是利用各種傳感器和測量手段對反映設備運行狀態的物理、化學量進行檢測，包括對有關設備運行參數及相關零部件性能工況的在線或離線監控、測量、試驗等。目前，國內外對GIS的狀態監測進行了大量的研究與應用，如現場監測絕緣性能、SF6氣體狀態、斷路器機械特性等。唯獨隔離開關機械故障還沒有一個用于運行現場的有效測試手段。通過分析隔離開關的幾種主要特征信號（如電機電流、操作力矩、主軸轉動速度等）的測試原理和方法，介紹了一種基于嵌入式人機界面的、攜帶、測試方便的并具有自動故障診斷功能的負載特性現場智能測試裝置。該裝置的研制也為研究第三代智慧變電站的智能設備提供新的方案。

關鍵詞：GIS;隔離開關;負載特性;狀態檢修

引言

接地開關、隔離開關是GIS的重要組成部分，接地開關用于在安裝維護期間把GIS的各個對地絕緣部分接地，以便保護人身安全。隔離開關可以隔離電路，同接地一起實現對高壓輸電線路和電氣設備的控制、保護和檢修。在實際GIS運行過程中，接地開關、隔離開關最常見的故障為操作機構拒動問題，本文對隔離開關操作機構延時動作問題進行故障分析，并進行故障處理及改進優化。

1負載特性測試原理和方法

負載特性測試就是通過各種傳感器來測試被測試對象運動特性的變化，從而來判斷其性能的優劣。本項目GIS設備中隔離開關布置十分緊湊，運行中的隔離開關均處于封閉狀態，其本體傳動件無一外露。在現場通過測試轉軸、拐臂等傳動件扭矩來反映負載特性十分困難，而其操作機構卻暴露在殼體外部，機構通過傳動軸驅動本體運動，本體運動特性的變化將直接傳導到機構使某些參數發生改變。因此，機構中的電機電流、手動操作力矩、主軸速度作為測試目標量是首選研究對象。在現場測試還要考慮不改動原有二次接線及零部件。如果隔離開關發生卡澀，其輸出軸轉動速度將發生變化，因此，通過檢測機構輸出軸的轉動速度，可反映其本體負載特性的變化。轉動速度降低越多說明本體傳動部分阻力越大。本裝置選用姿態傳感器進行角度和轉動速度的測量，其可同時輸出輸出軸角度和轉動速度等多種數據。姿態傳感器（E.T-ahrs）是基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計（即IMU）、三軸電子羅盤等輔助運動傳感器，通過內嵌的低功耗ARM處理器輸出校準過的角速度、加速度等，通過基于四元數的傳感器數據算法進行運動姿態測量，實時輸出以四元數、歐拉角等表示的零漂移三維姿態數據。本測試裝置只需采集角速度及角度信號。傳感器輸出TTL、RS485等多種接口，可直接與測試裝置的相應端口連接。

2故障原因分析及處理

同一合閘/分閘信號（脈沖信號）觸發三相機構動作，并且有一相或兩相已經能正常動作，所以說明合閘/分閘信號及供電電源正常。故障相延時一定時間后正常動作，說明合閘繼電器ZJ1A/B/C或分閘繼電器ZJ2A/B/C已經正確動作，并且完成自鎖供電，所以故障的原因在電機回路。電機回路主要元氣件有：合分閘繼電器輔助觸點、電動解鎖線圈Y1及微動開關S7、電機電樞繞組DS、電機激磁繞組JC、電容。由于電機能正常操作，所以故障可能原因為主要為：合分閘繼電器輔助觸點、電動解鎖線圈Y1及微動開關S7。

3隔離開關負載特性測試

3.1測試裝置軟件方案

系統軟件采用高級語言C++，其HMI主要實現初始化設置、數據處理，數據可視化（繪圖）、故障診斷、數據存儲等功能。與傳統的檢測儀相比，裝置實現了傳統儀器的硬件與計算機的結合，并擴展傳統儀器的功能，完成數據采集、智能診斷和顯示。數據處理，數據本身是通過傳感器采集，將模擬量轉化為數字信號，再傳入到上位機系統中。傳感器本身不可避免的受到噪聲的干擾，再加上數字信號轉換過程中引入的噪聲，使得HMI接受到的數據會出現異常點，偏離了正常數值。為了準確地剔除噪聲，還原真實數據，使用高斯濾波（Gaussfilter）算法對數據進行處理。引入此算法后，得到信噪比SNR較高的信號，數據的重復性和穩定性都得到很大的提高。

3.2隔離開關裝配試驗

根據相關權威數據統計，GIS設備因裝配及安裝工藝不良導致故障的占比為13.1%，其主要體現在裝配過程母線導體插入時水平度及對中未調整好，導致導體間摩擦金屬碎屑增多引起內部電場畸變和關鍵組部件公差裝配后公差配合不好，導致分合閘不到位擊穿放電。復現隔離開關裝配及機械操作試驗，檢查裝配后的隔離開關裝配公差是否滿足要求，其次在裝配好的隔離開關基礎上，依據十八項反措要求進行200次機械操作試驗可驗證金屬碎屑及異物掉落情況。重點檢查隔離開關與絕緣拉桿的裝配公差配合，未見異常;裝配后的隔離開關開展200次機械操作磨合試驗，徹底清理罐體底部后，再次開展300次操作，再檢查隔離開關底部的異物情況，并再次檢查測量絕緣拉桿的裝配尺寸未見明顯變化。

3.3故障排查

在檢修期間，對所有停電間隔內的幾十個隔離開關、接地開關分合閘繼電器進行檢查，檢查發現，繼電器觸點接觸電阻普遍偏高，數值由幾十歐姆到幾千歐姆。所以繼電器觸點接觸電阻高是隔離開關、接地開關延時動作的根本原因。

3.4局放及耐壓試驗

隨機抽取3根絕緣拉桿分別完整裝配至隔離開關上，完成500次機械操作試驗后，開展局放及工頻耐壓和雷電沖擊電壓試驗。在開展工頻交流耐壓試驗同步開展特高頻局放檢測，3根絕緣拉桿裝配至隔離開關后的局放量均約為0.6pC，特高頻局放基本為背景信號，未見異常局放信號;其次再進行雷電沖擊電壓試驗，依據國家標準及出廠試驗檢驗規范，施加標準雷電1.2μs/50μs波形，峰值電壓值為1675kV，正負極性各施加3次，未發生絕緣擊穿。

3.5測試裝置硬件方案

交流電流信號采集選用ZDKCT10M開合式精密儀用電流傳感器;直流信號采集選用HSDS016L開合式霍爾電流傳感器;主軸角速度、角度采集選用姿態傳感器WT61P;操作力矩信號采集選用100N·m扭矩傳感器，其無線傳輸選用ATK-HC05藍牙無線收發模塊，所有傳感器組成數據采集模塊。

結語

為防止此類故障再次發生，一是建議加強絕緣件質量管控和異物清理，提升觸頭裝配工藝，及時發現隱性缺陷，合理設置微粒陷阱，從源頭杜絕故障產生，防止缺陷GIS設備掛網運行;二是目前對GIS內部微粒運動機理認識不夠，建議開展GIS試驗技術研究。探討了GIS設備中隔離開關負載特性的幾種測試原理和測試方法并介紹了測試裝置硬軟件設計方案。只是初步探索，還需繼續驗證與完善。投入運行若干時間后在現場對其狀態再次檢測，分析其負載特性的變化趨勢來預測是否有缺陷存在，從而為狀態檢修提供科學依據。

參考文獻

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