高壓開關柜設備狀態的智能監測及診斷研究

伊犁新天煤化工有限責任公司 朱 榮 劉京帥 朱 濤 俞愛軍 陳朝暉

受益于當前基礎科學技術的發展進步，高壓開關柜設備在運行過程中也結合了多項時代前沿性技術的使用，如5G技術、物聯網技術、大數據分析技術，實現了對開關柜設備實時運行狀態的智能監督和監測，提高了設備運行的質量和效率。在此過程中，設計師需根據當前高壓開關柜設備的實際運行需求來合理優化對其所實施的監測管理作業，確保對開關柜設備的監測管理具備針對性和側重性，且采集到有用的數據信息，及時調整開關柜設備的實際運行狀態，最大限度地減少非計劃停電的現象。

1 高壓開關柜智能監測系統

高壓開關柜智能監測系統主要包含軟件部分和硬件部分，其具備的特征如下。

1.1 硬件設計部分

高壓開關柜智能監測系統的硬件組成部分大體上可分為三個層級，在基礎應用收集層級中涉及到各種各樣的傳感器以及連接設備，如變壓器真空開關、開關柜、電纜等，當數據采集層完成對數據的收集之后會將相應的信號資料傳遞到數據處理層級，而在數據處理層級又涉及到兩個方面的處理內容，即前端處理與后端處理，當完成數據信息的處理之后相應的系統會將相關資料以計算機指令的形式進行傳遞來操控對應的自動化設備、PNS，來做出在特定環境狀態下對設備的應急調整[1]。

在前端監測單元結構中，主要是以中央處理器以及信號調整單元為主，之后再借助對應的信息處理單元、通信單元以及數據信息儲存單元來完成信號數據的整理、整頓、分析；此外還需要結合供電單元為各種機電設備以及傳感器設備提供基本的電源；并且還包含相應的防護殼體來完成對設備的實體保護。在數據采集層面涉及到監測前端的設計內容，而在監測前端的設計內容中涉及到通信模塊，對應的通信模塊通常以無線網以及移動通訊信號通訊為主，通過建設對應的監測前端以及客服終端，借助服務器來實現數據信息以及相關指令的傳遞、傳輸，借助不同的網絡通信形式來構建不同類型的通訊網絡[2]。

1.2 軟件設計部分

軟件設計部分作為支撐各項硬件設施高效運轉的主要元素，在現有高壓開關柜智能監測系統的設計中具備重大的意義，是作為整個監控系統的控制管理核心部分。相應的軟件系統主要實現對狀態組合的分析以及實施過程管控，完成對數據的驗證處理，整個軟件板塊包含登陸試驗過程、數據處理、任務組態、狀態評估等諸多板塊內容，具體來說，在對應的登錄板塊可分為管理人員和試驗人員登陸部分；而在試驗過程板塊則涉及到操作控制、參數記錄以及數據分析、錄入等；在數據處理板塊包含數據查詢、檢索、對比、上傳；在輔助功能板塊又涉及到報告清單打印以及規程查詢；在狀態評估板塊包含對設備的綜合評估以及單一試驗評估。其涉及到的內容相對較多，共同輔助各種軟硬件設施，實現其高效、穩定的運轉。總之，在對應的軟件設計板塊，其側重實現對現場的溫度、停電、帶電狀況進行動態化管控，并且還需要實現對局部放電進行有效監測、處理和診斷，整個軟件設計所涉及到的編程語言通常為c++。

無論是在硬件板塊還是在軟件板塊，設計師在對其進行設計打造的過程中都應當結合現場工作的具體開展需求，融合高壓開關柜智能監測內容以及監測類型，實施對相關軟硬件設施的精細化建設和打造，來滿足具體的檢測需求。

2 高壓開關柜狀態監測內容

當今物聯網時代傳感器技術得到了快速的發展，相應的數據信號處理技術及人工智能技術在各行各業得到廣泛使用,在高壓開關柜設備狀態監測作業中結合此類高新技術能使得針對高壓開關柜設備的故障診斷更加精確、可靠，并及時借入高新技術來完成對現有診斷系統的優化。實施對高壓開關柜設備運行狀態的在線監測具備較大的現實意義，結合常態化的監測數據及對當前開關柜的實時運行狀態進行檢修后能夠使得后續針對開關柜設備維護管理的工作量進一步縮減，降低非計劃停電概率，及時發現其中存在缺陷的地方。

結合諸如開關柜溫度監測（圖1）、局部放電監測對其中的溫度信號、聲學信號、振動信號、電信號進行有效地收集，借助對應的中央處理系統來實現對各種信號的實時分析，以此來反映出高壓開關柜的實際運行狀況，其中所涉及到的溫度監測方式、檢測位置以及相關溫度傳感器的布局、固定方式都需要根據開關柜內部的實際構造來確認，而在放電研究過程中，需對整個監測系統所沿用的放電監測模式及其中暫態的電壓傳感器進行必要地探討，同時還需要對超聲波寬帶、射頻傳感器、高頻脈沖、電流傳感器進行有效設置，以此來使得監測得到的信息更加全面、豐富，使得整個智能監測系統所采集到的數據資料以及對故障的診斷更加精確、合理且具備代表性。

圖1 溫度監測模塊

3 高壓開關柜設備狀態的智能監測

3.1 設備狀態監測

在對設備運行狀態進行監測診斷的過程中，通常是結合開關柜局部放電監測作業來開展相關工作，使得在檢修設備過程中更加具備明確的工作重心和方向，結合設備狀態監測診斷還能進一步減少在檢測過程中在試檢、陪檢方面所投入的精力和時間，以此來進一步降低工作強度，并節約了大量的試錯時間，在某種程度上緩解了企業一線檢測人員不足的矛盾。此外，高壓開關柜狀態的檢修工作得到有效地落實和完善還能夠進一步提高工作人員對開關柜實際運行狀態的掌控能力，并對開關柜當前實際運行的工況及后續可能存在的運行趨勢進行分析、探討，從而幫助企業有針對性地制定巡檢計劃，使得后續工作的開展更加科學、合理[3]。

3.2 遠程通信組網診斷

通常在開關柜運行期間存在局部放電的事故往往具備相應的潛伏期，簡而言之，在特定時間內可能存在設備放電異常的現象，此時可結合智能監測系統實施遠程監控策略來對高壓開關柜所存在的局部放電狀況進行分析、探討，及時地在對應的通信組網內檢測到放電信息，以此來實現對開關柜設備遠距離的智能管控。

此外在現有的遠程通信組網診斷過程中也結合了超高頻局部放電監測法，此類方法主要是接收開關柜內部所存在的局部放電而產生的電磁波，此類電磁波往往具備較高的頻段，借助相應的高頻電波可以實施實時、穩定、高效的監測和故障定位，同時還能在不停電的狀況下完成對設備的安裝管理，并實施對設備動態化的監督管控，且具備較強的抗干擾能力。

在遠程通信組網診斷過程中所涉及到的內容主要分為四個部分，首先當系統對高壓開關設備實時運行狀態以及其內部的機械性能進行監測管理的過程中需要側重實現對開關柜內部的合閘線圈以及相關回路進行實時監測，同時還需要對斷路器的動觸頭行程和機械振動進行實時高效地監督，以此來實現對開關柜設備實際的運行狀態進行精確、可靠地診斷和監督。

而在對相應的系統進行設計管控過程中，可結合遠程通信組網監測相關設備的電氣性能，同時在設置不同的電流模式下相關斷路器所存在的等效磨損曲線，通過對磨損量的分析、對比來對當前開關柜設備的運行壽命進行預測。對于有載開關測試儀方面，要確保在高壓開關柜運行期間能夠實現對開關正常的關合處理，保證設備能夠正常、穩定地運轉。

此外，還需實現對高壓開關設備的運行溫度進行實時監督，在對高壓開關柜的溫度進行測量的過程中，通常是將開關柜設備的母線連接處的溫度、及斷路器觸頭部位的溫度進行重點監測，且在測量母線連接處溫度的過程中需結合特定的傳感器材料，如光纖溫度傳感器、石英傳感器來監測相關零部件的實時溫度，以此來避免電磁干擾給監測數據所帶來的影響；在現有遠程通信組網診斷過程中，還需對高壓開關設備絕緣部分性能進行監測，考量相關設備的絕緣部分是否存在老化缺陷的狀況，檢測連接部分是否存在接觸不良，確保高壓開關柜能夠正常穩定地運轉。

3.3 關鍵狀態信息的監測

在當前對高壓開關柜設備運行狀態智能監測的過程中應當結合多項時代前沿性的技術，如物聯網技術（圖2）、大數據技術來完成對整個設備以及監測系統智能化、信息化地改造，以此來打破相關設備在過往運行過程中所存在的局限性，充分發揮新時期、新技術所帶來的優勢。在結合無線化技術、IP化技術使用的過程中，還需及時構建一類智能化的監測體系，在確保監測質量的前提下進一步提高工作管理的效率，降低前期所投入了的各項建設成本。此外，還需對高壓開關柜設備的實時運行狀態以及其中所涉及到的關鍵特征數據進行分析、比較，完成對現有數據庫的構造，實現對相關設備綜合全面地評估、評價，并且還需要實現對當前供電可靠性預警以及修復功能。

圖2 信息監測的反饋圖

在對關鍵狀態信息進行監測診斷的過程中首先需要分析對應的開關柜設備是否存在拒動或誤動的現象，在對相關設備進行故障診斷的過程中應當結合逐一排查、逐一診斷的策略，側重分析開關柜所存在的拒動或誤動故障，并且當高壓開關柜內部的操作機構與傳動機構存在相應的機械故障時會導致整個系統機構的運行出現卡頓、卡塞的狀況，以至于后續開關柜設備出現諸如形變、位移等現象，從而使得開關柜無法正常穩定地運行。此外，如在對應的電氣控制中存在二次接線接觸不良或端子松動的現象也會存在設備誤動的狀況，從而影響設備正常運行。

通過數據調研、分析可看出，在當前高壓開關柜設備常見的開斷以及關合故障中，由斷路器而引起的本體故障占絕大部分，因此需實現對斷路器的本體進行精細化檢驗，及時發現其中存在的運行故障以及導致運行故障的根本原因，并做出有效的改善。高壓開關設備的載流故障也相對較為常見，相應的載流故障主要是由開關柜隔離插頭接觸不良而致使觸頭燒融而導致的故障。同時若開關柜在正常運行的過程中受到諸如外力的撞擊、沖擊也會使其正常穩定的運轉受到相應影響，需及時判斷開關柜是否遭受到外物的撞擊或沖擊。此外，在開關柜相關區域發生自然災害期間，也需對高壓開關柜設備的實時運行狀態進行監測，避免其受到外部環境的影響而出現運行故障。

4 結語

對現有的開關柜設備監測診斷系統進行優化和改善，借助新時期全新的傳感器技術、智能通訊技術、大數據分析技術來實現對各種信號資料的收集、整理、分析、反饋，以此來提高開關柜設備運行的質量和效率。在此期間，應根據開關柜設備的實際運行狀況來合理為其布置對應的監測軟硬件設施，使得監測得到的數據資料更加具備針對性和側重性，且能夠反映出設備實際運行的狀態。