断路器在线监测综述

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2018-07-11
简介
随着国民经济的发展,电力的需求量愈来愈大,为促使电力事业迅速发展,不断扩大电网,用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。需了解断路器的运行状况,以掌握其变化趋势,提高设备的利用率,减少维修保养的费用,提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。

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1断路器在线监测综述断路器是电力系统的关键设备之一,其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。当它发生故障时,往往会带来严重的后果。以往多采用离线例行试验对断路器进行定期检修,这种计划性的预防检修盲目性大、费用高。用状态检修模式取代现有的计划检修模式,是电力工业发展的趋势。本文对于断路器的在线监测的具体内容、方法作了综述。关键词:断路器;在线监测0引言随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高,人们对电力的需求量愈来愈大,促使电力事业迅速发展,电网不断扩大,用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。而国外的几次重大停电事故更是给我国的城市电网敲响了警钟。因此,国家计划投资2600亿来改造城乡电网,尤其是改造配电网。城市电网建设改造对高中压开关设备提出了新的要求,更加可靠、更加小型、维护更少[1-3]。断路器是电力系统中最重要的控制与保护设备,它在电网中的作用至关重要,其故障带来的后果是十分严重的。直接的危害是被断路器所保护的线路、设备受损。电量损失;间接的危害则造成用户大面积停电,影响正常的生活、生产甚至社会稳定。随着电力系统的电压等级和电网容量的不断提高,需要及时了解断路器的运行状况,以掌握其变化趋势[4-6]。电力系统早期采取的是“事后检修”的检修方式,即坏了才修,不坏不修。检修完全处于被动地位。大约在上世纪50年代初期开始出现了一种以预防为主的检修方式,称为“计划检修”或“预防检修”。这种检修方式是根据设备的运行制造情况,预先设定检修工作内容与周期,到了规定周期进行检修,以防止事故发生。到目前为止,计划检修还是主流检修方式。但是这种方式不可避免会产生“过剩维修”,不但造成设备有效利用时间的损失以及人力、物力、财力的浪费。还有可能引发维修故障。近年来,随着传感器技术、计算机技术、信息技术、微电子技术、数据采集与处理技术的飞速发展与应用,出现了一种新的检修技术——状态检修。它旨在不影响设备正常运行的情况下,通过各种方法对设备健康水平进行监视和评估,从而实时了解设备的运行状态,捕捉故障征兆,并对故障部位、故障严重程度及发展趋势做出判断,最后确定各组件的最佳维修时机,做出针对性的检修计划[7]。1断路器在线监测的意义电力系统中,断路器尤其是高压断路器数量多,检修量大,费用高。有关资料表明,变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上,而其中60%又是用于断路器的小修和例行检修上。另外据统计,10%的断路器故障是由于不正确的检修所致,断路器的大修完全解体,既浪费时间,费用也很高。而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷,在目前相对保守的计划检修中,检修缺乏一定的针对性[8]。对断路器的重要参数进行长期连续的在线监测,不仅可以提供设备现在的运行状态,而且还能分析各种重要参数的变化趋势,判断是否存在故障的先兆,从而延长设备的维修保养周期,提高设备的利用率,减少维修保养的费用,提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。这方面的研究已成为世界范围内电力工业运行及制造部门越来越关注的热点问题[7-9]。2监测内容以及具体实现方法2001年国际电气工程师协会开关设备委员会出台的标准指出,断路器检测方法应分为5个步骤:①故障类型分析;②选取合适的监测对象来发现最可能发生的故障;③对设备可能发生的故障进行风险分析;④进行利益分析来确定是采用在线监测还是周期检测;⑤制定方法。在上述标准的指导下,根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些在线监测的运行经验,断路器在线监测的内容有:⑴合、分闸线圈回路。⑵合、分闸线圈电流。⑶合、分闸线圈电压。⑷断路器动触头行程。⑸断路器动触头速度。⑹开断电流。⑺断路器的操动次数统计。⑻断路器操动过程中的机械振动。⑼合闸弹簧状态。⑽导电接触部位的温度。⑾绝缘状态。⑿SF6断路器的气2体密度。⒀真空断路器的真空度。上述监测项目从不同角度反映断路器的状态,在实际的在线监测系统中,可根据实际需要并考虑可实现性和经济性对上述项目进行选择[9,10]。目前常见的监测项目有以下几个:a.行程——时间特性真空断路器动触头的行程——时间特性是表征断路器机械特性的重要参数,据此可计算以下参数:动触头行程,超行程,刚分后及刚分前10ms内平均速度,最大速度等,还可以提取动触头运动过程中各个事件发生的时刻,根据事件时间来诊断故障,这种方法可以诊断断路器机械部分磨损、疲劳老化、变形、生锈、阀的缓慢动作等故障。因此它是断路器机械特性监测的一项重要内容。文献[14]提出选用旋转式光栅行程传感器,安装在操动机构的转动轴上,间接计算触头的运动特性。文献[7][11]都指出最直接的方法是在操动机构直线运动的连杆上安装直线位移传感器,经过采样、数字滤波后,可得断路器动触头行程随时间的变化关系。文献[11]还指出,对于40.5kv及以下的中压断路器,由于其构紧凑,在连杆附近可以用来安装传感器的空间非常有限,因此可以通过在主轴上安装角位移传感器测量断路器主轴的分合闸角位移——时间曲线,来间接得到动触头的直线位移——时间曲线。文献[15]指出,使用以往的光栅法或转角法需要较多的电子、器件,操作很复杂,测量效果不够理想。因此目前的主要方法是使用直线位移传感器。b.分、合闸线圈电流电磁铁线圈的电流波形中包含了很多信息,反映了电磁铁本身及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头等在操作过程中的工作情况,如铁芯运动机构有无卡滞、脱扣,释能机械负载变动的情况,线圈的状态(如电阻是否正常),与铁芯顶杆连接的锁闩和阀门的状态。文献[7][12][15]都提出选用补偿式霍尔电流传感器监测电流信号,因为它精度高、线性度动态特性和电气性能好,而且体积小,不会对高压断路器主系统的正常运行造成影响。对线圈电流的监测主要是提取事件发生的相对时刻,根据时间间隔来判断故障征兆,对于诊断拒动,误动故障有效。典型的电流波形如图1所示:图1分、合闸线圈电流波形分析电流波形可知,电流有两个峰值点和一个谷值点。以t0为命令时间的零点,特征参数有t1,t2,t3,t4,t5,I1,I2,I3等。引起线圈电流变化的因素很多,如电压、铁芯空行程、摩擦阻力、卡滞以及操作机构的机械动作状况等。通过对实际的操作线圈电流绘制波形图的分析便能得出断路器的运行状态,同时可以进行故障的诊断。例如,如果出现三个峰值点的话,可能是电磁铁动静铁芯吸合不良;如果波形是上升趋势,同时还有波动的话,可能是卡滞或空行程太小。c.开断电流通过监测开断电流可以得到断路器触头电磨损进而间接地在线监测断路器触头的电寿命。因为断路器触头电磨损是影响断路器电寿命的重要因素,是状态监测的一个重要内容。利用文献[7]中所述,利用各种断路器的N-Ib曲线(开断次数与开断电流的关系曲线)建立相对磨损和相对电寿命的概念,并根据求得的相对电磨损量进而得到相对电寿命值。d.导电接触部位的温度针对导电接触部位温度的测量,文献[11]提出了采用一种自主开发的非接触式红外温度传感器,该传感器通过接受被测物体的红外辐射来测量其温度,当环境温度在20-70℃之间时,传感器的测量误差不大于±3℃。此外,文献[5]提到了温度测量的其它方法,如观察法、使用集成温度传感器测温法、使用光纤温度传感器测温法。e.机械振动振动波形和分、合闸线圈电流波形一样含有丰富的信息。在断路器的分、合闸操作过程中,内部3主要机构部件的运动和撞击都会引起表面的振动响应。文献[12]采用压电式加速度传感器获得振动器转换成电压信号,再通过共振解调器获得故障信号。具体实现过程如图2所示:图2振动信号的采集f.绝缘状态对断路器绝缘状态的监测,主要指的是对中压断路器的环氧套管或高压断路器的支撑绝缘子外绝缘对地泄漏电流的监测。泄漏电流的采集是通过在环氧套管或支撑绝缘子上用导电胶做成取流环实现的。g.真空度真空度的在线监测一直是真空断路器在线监测的一个难点,但是真空灭弧室泄漏、慢性漏气或突发性漏气又是真空断路器的常见故障,这类故障是直接威胁电网的安全持久稳定运行。因此国内外很多研究机构对此都作了大量的研究试验,也取得了一定的成果,日本明电舍公司开发的中压真空断路器真空度在线监测装置已挂网运行[5]。目前真空度在线监测一般采用电光变换法,电光变换法的原理是基于“电光效应”,即利用某些光学元件如泡克尔斯(Pockels)在电场中能改变光学性能的原理,把与真空度对应电场的变化转换成光通量的变化,再经光纤传到低电场区或控制系统中进行检测[16]。原理图见图3:图3真空断路器灭弧室原理结构图3结论综上所述,目前断路器在线监测的技术在行程——时间特性、分、合闸线圈电流和开断电流这几个项目上相对比较成熟,而在其余方面还有待进一步的研究。例如真空断路器的真空度,文献[17]提出了一种新的真空灭弧室,文献[2]也提到对真空灭弧室波纹管的研究。因此,对断路器本身的一些构造的改进和一些配件材料的改进可以弥补在线监测技术的不足之处。由于考虑到生产成本,断路器在线监测在高压领域应用比较多。在中压领域非常少。但是随着城市电网建设的规模的扩大,电网对于重要的一次设备的要求越来越高,断路器作为一次设备的重要部件,对其实施在线监测及时发现故障的征兆必将是今后发展的趋势。随着传感器技术,微电子技术和计算机技术的进一步发展,断路器在线监测技术也必然能更加成熟,更加实用。参考文献[1]王章启,顾霓鸿编著,配电自动化开关设备[M].北京:中国电力出版社,1999.[2]王月,HelmutRebstock.中压真空断路器在保障城市电网供电可靠性中的应用.电网技术.2006,30(2):102–106[3]李冶,武建文.配电自动化开关设备的几个技术问题.自动化技术.[4]赖明江,耿英三,张国钢,王建华.高压断路器在线监测软件系统结构设计[A].第9届全国智能化电器及应用学术年会[C],温州,2006.[5]荣命哲,马强.开关电器设备状态检测及故障诊断[A].第9届全国智能化电器及应用学术年会[C],温州,2006[6]YHan,YHSong.ConditionMonitoringTechniquesforElectricalEquipment——ALiteratureSurvey[J].IEEETrans.OnPowerDeliver,2003,18(1):4–13[7]张虹,张爱民,张杭,王俊婷.高压断路器在线监测系统的研制[A].第9届全国智能化电器及应用学术年会[C],温州,2006[8]胡文平等.高压断路器在线状态监测系统的应用.诊断技术.2004,3:30–31[9]许大宇,李先允.高压断路器机械状态在线监测系统[A].第8届全国智能化电器及应用学术年会[C],深圳,2005.[10]王阳,唐琦.高压断路器在线监测系统.电气时代.2005,9:128–129[11]戴怀志,吕一航,贾申利,等.断路器综合在线监测系统研制[A].HighVoltageApparatus.2004,40(2):104–106[12]杜凌艳,王振浩,王刚,李国庆.高压断路器运行状态实时监测系统设计[A].电力自动化设备.2006,26(1):58–60[13]王林,鲁治淮.高压断路器状态在线监测系统[B].吉林电力.2005,5:27–29[14]汪永华.真空断路器的状态监测与故障诊断探析.电气试验.2005,1(1.):35–37[15]郎福成,徐建源,林莘.真空断路器机械特性的在线监测[B].东北电力技术.2005,1:12–15[16]石岩,周旭.真空灭弧室真空度在线监测装置[B].电力自动化设备.2004,24(5):61–62[17]汤之申.真空断路器真空度的在线监测[B].江苏电机工程.2005,24(1):45,49.4作者简介:蔡晶晶(1982-),女,江苏启东人,汉族,硕士研究生,研究方向为断路器在线监测。Email:cjjmht@163.com。乐秀璠(1952-),男,上海人,汉族,副教授,研究方向为电力系统监控、继电保护。断路器在线监测综述作者:蔡晶晶,乐秀璠作者单位:河海大学电气工程学院,江苏南京,210098相似文献(10条)1.期刊论文王阳.朴在林.王雪梅.刘海营.WANGYan.gPIAOZai-lin.WANGXue-me.iLIUHai-ying断路器电寿命在线监测的几种计算方法-沈阳农业大学学报2005,36(2)断路器在线监测一直是电力系统十分关注并亟待解决的问题之,一断路器在线监测的重要参数是断路器的电寿.命基于影响断路器电寿命的主要因素,论述了断路器电寿命在线监测的四种计算方法、各自特点及其应用范围.2.期刊论文刘庆.欧阳琦珏.徐瑜.蓝小萌.LIUQing.OUYANGQi-jue.XUYu.LANXiao-mengSF6断路器故障辨识及在线监测的探讨-广东电力2006,19(12)根据国内外有关SF6断路器故障统计和事故分析,提出SF6断路器故障模式和辨识指标,旨在改变断路器传统的定期检修方式.按照本文提出的故障模式和辨识指标,对SF6断路器进行在线监测,可实现"按状态检修"或"以可靠性为中心检修"的先进检修模式,有利于提高SF6断路器的可靠性,避免危及系统安全的严重事故发生,降低断路器检修维护费用.3.学位论文范海炉断路器动特性在线监测及基于振动信号的故障识别方法研究2007高压断路器是电网中的故障多发设备之一,其动特性状态能有效体现断路器的运行故障。针对目前国内外对断路器动特性在线监测特征量单一,并很少有通过对特征量信息的监测采用先进方法对断路器运行故障进行有效诊断研究的现状。论文从分析断路器动特性状态及其对断路器运行的影响入手,研究了断路器行程特性在线监测传感器的选择及特性试验,完成了断路器行程特性在线监测系统的设计及实验室调试,并根据体现断路器运行故障的重要参量——振动信号诊断故障较难的现状,研究了基于振动信号的小波神经网络故障识别方法。首先对断路器行程特性在线监测位移传感器进行了研究,根据拉线式位移传感器不仅适宜于作直线运动的机械物体位移测量,更适宜于机械物体作曲线运动的位移测量的特点。在真型断路器上对拉线式位移传感器进行了特性试验,分析了不同安装位置对传感器输出特性的影响,确定了行程——时间特性测试的位移传感器的最佳位置,通过对其位移——时间曲线的综合分析,证明该种传感器能满足断路器行程——时间特性监测的要求。完成了基于G语言的图形编程软件LabVIEW的断路器行程特性的在线监测系统,完成了断路器行程特性监测系统的数据采集、分析与存储等功能模块的设计及调试,实现了断路器行程特性的监测与分析,通过实验室对110kVSF<,6真>型断路器行程时间特性的对比测试,证明了该系统的稳定性和较好的精确度。根据在工程实际中同一厂家同一类型断路器正常运行时振动信号相似的特点,根据被监测断路器振动信号的特征信息,可有效判断该断路器运行的故障情况。论文对断路器振动信号进行监测的基础上,结合小波能量和神经网络对振动信号的特征量进行分类和处理;利用小波包分解和重构原理将振动信号分解到不同频段中,提取每个频段的能量经过归一化处理构成特征向量,作为径向基神经网络的输入向量;以径向基神经网络作为分类器,实现了基于振动信号的断路器故障有效识别及分类,通过模拟试验分析证明了该方法的有效性。4.期刊论文马义.郑建勇.梅军.MAYi.ZHENGJian-yong.MEIJun六氟化硫断路器在线监测模型及系统搭建探索——建立符合IEC61850标准的信息模型-电工电气2009(9)随着IEC61850标准的推广,符合IEC61850标准的过程层一次设备的模型构建及通信问题急需解决,而六氟化硫断路器作为苇要的一次设备,其状态在线监测系统的模型和通信如何符合IEC61850标准变得尤为重要.根据六氟化硫断路器状态在线监测的特点,合理利用IEC61850中逻辑节点GGIO,为模型建立提供了新的思路;由于断路器状态监测装置和间隔层保护设备的数据通信是通过GOOS面E(向通用对象的变电站事件)报文实现的,对GOO报SE文的通信机制进行了具体阐述,并设计了状态在线监测装置系统硬件平台搭建方案.5.会议论文史宗谦.贾申利.荣命哲断路器机械特性的在线监测和故障预测2000本文针对断路器机械特性检测的现状提出了一种机械特性的在线监测的方,以案单片机为中央处理单元对断路器的分合闸动作位移曲线进行在线监,从测中得到分闸时间、合闸时间、平均分闸速度、平均合闸速度、超行程、触头弹跳等.除了在下位机进行一些显示和阀值判断外,还能够和上位计算机进行通讯,根据已积累的动作特性的知识库对断路器的机构状态和故障点进行预测.6.学位论文栾鑫基于小波变换的断路器在线监测系统研究2008近年来,电力系统自动化技术取得了很大进步,但在反映电气设备健康状况的状态监测方面还有所欠缺。断路器作为电力系统控制和保护元件,机械和电气动作频繁,其在线监测技术是实现变电站无人值守的关键环节,影响电力系统稳定性和供电可靠性。本文在介绍断路器状态在线监测技术发展现状的背景下,提出一种新的断路器状态在线监测方法。机械性能监测是断路器状态在线监测的主要内容,而其首要的问题就是要确定断路器分合闸准确时间,从而正确得到断路器分合闸速度、分合闸同期性和燃弧时间等其他参数。本文介绍了小波变换在断路器状态在线监测中的应用,利用小波变换有效地从噪声背景中提取断路器动触头行程信号的必要信息,在保证行程信号处理过程中不失真的前提下,获取断路器分合闸时间和速度,从而准确判断断路器运行状态,实现断路器在线监测和故障诊断。另外,为了完善断路器状态在线监测功能,对断路器的机械寿命和电寿命也作了监测。结合国网南京自动化研究院和南京供电公司合作的“基于自愈控制技术的城市电网自动化系统”这个项目,使用快速数字(D处S理P芯)片TMS320VC作3为3中央处理器设计断路器在线状态监测装置,对断路器的机械特性、电磨损等参量进行监测。7.会议论文赵勇.吕一航.成永红基于嵌入式系统断路器综合在线监测平台的研制2004断路器作为电力系统的关键设备,对它的运行状态进行在线监测具有重大的意义.为了能够及时充分了解开关的运行情况,有必要对开关的多种参量进行在线监测.本文设计了一种基于双CP的U断路在线监测平台,并通过双总线通信方式准确地、实时地把监测结果以及故障波形上传给主控制,方室便技术人员查询.实验室调试的情况表明,该系统平台工作稳定,实时性好、能够对多种断路器的运行参量进行准确的测量.8.学位论文曹飞断路器在线监测数据分析的研究与应用2008断路器是变电站机械和电气动作最频繁的设备,在运行过程中若出现故障,极易引起电网事故,造成较大的经济损失,因此对其可靠性提出了非常高的要求。断路器在线状态监测系统能及时了解断路器的工作状态和缺陷部位,减少过早或不必要的停电试验和检修,减少维护工作量,降低维修费用,提高检修的针对性,可显著提高电力系统可靠性。状态监测是实施状态检修的基础,以科学的方法对设备运行状态进行监测和诊断是实施状态检修的关键。我国对于电力设备状态检修的研究多集中于变压器,发电机一类的大型设备,对于断路器的状态监测和诊断的研究还处于起步阶段,现有的在线监测系统中普遍存在以下问题:监测量少,功能单一,缺乏系统性和综合性;采用的分析方法少,对断路器的运行状态的识别缺乏有效的数学方法和技术手段。…
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