隔離開關機械狀態監測診斷系統的研制

雷 興，徐 楠，李 洋，何 夢，王少偉，陳 佳

(國網上海市電力公司檢修公司，上海 201204)

隔離開關是變電站內數量最多的一次設備之一，隔離開關出現故障，將會導致停電范圍擴大、設備檢修時間延長等問題。目前，機械故障[1]約占隔離開關故障的80%，但對隔離開關的機械狀態缺乏有效的狀態監測手段[2-4]。基于電流量這單一狀態量[5-6]進行故障診斷具有一定的局限性。

本文借助傳感技術、物聯網等實用化技術，研發了這套“隔離開關機械狀態監測診斷系統”，實現了主軸扭矩和轉角等機械參數的在線監測，可在早期發現隔離開關的機械故障隱患并給出診斷結果，方便運檢人員及時采取處理措施，提高設備檢修智能化水平。

1 技術方案

根據現狀—愿景—目標—方法這一思維序列制定技術路線，如圖1所示。

圖1 技術路線

2 系統組成

本系統分為兩大部分：現場測量裝置和專家診斷系統。現場測量裝置是本系統的“手”，負責采集負載扭矩、主軸轉角、電機功率信號等參數。專家診斷系統是本系統的“腦”，負責對本系統采集的各類參數進行處理、分析及建模，并按使用者需求智能分析出該臺產品是否存在異常并給出處理建議。系統組成見圖2。

系統通過現場測量裝置采集狀態量，生成M-θ曲線、P-θ曲線，不斷完善曲線數據庫，專家診斷系統能夠自學，進行智能診斷，原理框圖見圖3所示。

圖2 系統組成

圖3 系統原理框圖

3 關鍵模塊設計

關鍵模塊包括扭矩測量模塊、轉角測量模塊、Zigbee網絡拓撲和專家診斷系統等四部分，如圖4所示。

圖4 關鍵模塊

3.1 扭矩測量模塊設計

扭矩測量模塊應用電阻應變測量技術，將電阻應變片安裝在隔離開關主軸上、采用橋式電路抗干擾，如圖5所示。

圖5 扭矩測量模塊

本模塊具有靈敏度高、抗干擾性強的優點，且安裝簡單、方便。

3.2 轉角測量模塊設計

轉角測量模塊應用光電傳感技術，將光電傳感器安裝在隔離開關主軸上、采用多連桿支架固定，如圖6所示。

本模塊具有靈敏度高、測量范圍廣的優點。

圖6 轉角測量模塊

3.3 專家診斷系統軟件解決方案

系統將采集的數據生成“M-θ”、“P-θ”曲線直觀展示機械參數在運行周期內的變化情況。通過對幾種常用型號的隔離開關設置了機構卡澀、分合閘不到位、操作失靈等典型機械故障模擬試驗，收集了大量隔離開關運行關鍵參數的樣本。通過特征提取，形成隔離開關故障機械狀態特征信息庫。專家診斷系統軟件解決方案如圖7所示。將被測隔離開關機械狀態特征自動納入信息庫，使專家分析的結論更具合理性和科學性，提高了專家診斷系統的準確性。

3.4 信息安全

Zigbee無線通信具備低功耗、低成本、可靠、短延時、網絡容量大的特點，本系統網絡接入方案將經信息技術部門審核，設立專網通道和內網防火墻，監測數據經加密接入內網平臺，以確保信息安全。

圖7 專家診斷系統軟件解決方案

4 工程應用

專家診斷系統存儲有各型隔離開關的安裝、檢修和運維信息，在實際生產中的測試過程如圖8(a)所示，通過與數據庫中保存的該型隔離開關的標準曲線和歷史曲線進行智能化對比，從而給出診斷結果和相關的檢修及維護建議，如圖8(b)和圖8(c)所示。

圖8 應用實例展示

5 系統特點

本系統可實現對隔離開關“機械狀態監測—隱患發現—故障定位—提出檢修建議—出具檢測報告”的全流程智能檢修，具有以下特點。

(1)扭矩轉角精密測量。基于電阻應變測量技術和光電傳感器技術的隔離開關主軸扭矩和轉角測量元件測量精確、穩定。測量元件均具有安裝簡便、使用成本低，不影響隔離開關主軸軸系結構的優點。

(2)機械性能在線監測。能在不停電狀態下自動監測隔離開關機械性能。測量可結合日常倒閘操作進行，實現了對隔離開關機械狀態的實時測量，具有隱患早發現早處理的優點。

(3)機械故障智能診斷。專家智能診斷系統，能通過對海量的隔離開關機械故障樣本進行特征提取，形成 特征信息庫，將被測隔離開關機械狀態特征自動納入信息庫，具有對隔離開關機械特性曲線的分析準確，特征信息庫自我完善的優點。

(4)特征圖譜深度挖掘。該系統實現了基于環境因素等隔離開關機械劣化因變量的特征圖譜分析功能。結合溫濕度、污穢等級對隔離開關所處環境進行評估與類型劃分，具有對不同隔離開關分地區分季節的差異化檢修的優點。

6 結語

本系統已通過產品檢測認證、出廠型式試驗，成功實現了隔離開關機械故障狀態在線監測和診斷功能，填補了隔離開關機械狀態在線監測領域的行業空白。本成果已推廣至江蘇如高開關廠等單位使用，現場運行效果良好。

具有模塊化、小型化設計的優點，不僅適用于已投運的國內外各類型隔離開關，還便于在新型隔離開關生產過程中進行一體化定制，因此對于新老設備均具備很高的推廣價值。