高壓設(shè)備電氣故障判定方法與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊絮

摘要：高壓電力設(shè)備故障診斷的主要目的是對于設(shè)備有無故障進(jìn)行相應(yīng)的判斷工作，其判斷的內(nèi)容主要包括故障的性質(zhì)、原因以及所屬類型。在判斷過程中，研究者認(rèn)為應(yīng)先判斷故障的類型，待類型確定后，再對其進(jìn)行具體故障的診斷，從而有效提升故障的診斷效率。

1 設(shè)備故障診斷

1.1 依據(jù)樣板進(jìn)行的診斷

（1）閾值診斷

作為一種廣泛應(yīng)用的電力設(shè)備診斷方式，閾值診斷在我國高壓電力設(shè)備故障的診斷工作中具有極為重要的意義。從定義上來講，閾值又被稱為“臨界值”，顧名思義，其主要用電力設(shè)備在正常狀態(tài)下所能達(dá)到臨界值作為診斷的具體標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)對于設(shè)備狀態(tài)的判定工作。

（2）頻率特征診斷

在運(yùn)行過程中，電力變壓器繞組出現(xiàn)變形主要是由于在承受了機(jī)械力作用后，其繞組可能出現(xiàn)幅向和軸向變形與扭曲的情況。通常來說，造成該繞組出現(xiàn)變形情況的主要因素是變壓器在運(yùn)行的過程中受到了多種短路故障的沖擊或者其在運(yùn)輸過程中發(fā)生了碰撞[1]。

（3）時域波形診斷

作為以電磁鐵為操作的控制元件，高壓斷路器的控制回路大多數(shù)直接采用直流電。假設(shè)在t0的瞬間，斷路器下達(dá)分（合）閘的命令，此時流經(jīng)電磁鐵線圈中的電流為i0。則在電流波形中，橫軸標(biāo)注的刻度可以被視為電磁鐵的動鐵芯在動作過程中狀態(tài)出現(xiàn)變化的時間點(diǎn)。其中，t0代表該過程的起點(diǎn);t1代表動鐵芯開始進(jìn)行運(yùn)動;t2代表鐵芯觸動操作機(jī)構(gòu)并造成負(fù)載的時間點(diǎn);t3代表電磁線的回路斷開的時間點(diǎn)。假設(shè)直流電源的電壓值為U，回路的電阻值為R，線圈的電感值為L，則在分（合）閘的命令下達(dá)后，電流i應(yīng)滿足以下公式：

時間點(diǎn)為t0時，動鐵芯未進(jìn)行運(yùn)動，則此時L保持不變，此外，電流i伴隨著時間t依照指數(shù)的規(guī)律上升，當(dāng)時間到達(dá)t1（即電流量為I1）時，該設(shè)備線圈中的電流與磁路中的磁通已經(jīng)增加到可以驅(qū)使鐵芯進(jìn)行運(yùn)動的臨界值，則設(shè)備內(nèi)的動鐵芯開始進(jìn)行運(yùn)動。此時間點(diǎn)后，由于動鐵芯的運(yùn)動，L的值發(fā)生了相應(yīng)的變化，從而造成電流的數(shù)值逐漸下降，當(dāng)期下降到t2時，動鐵芯造成操作機(jī)構(gòu)負(fù)載，從而出現(xiàn)速度的顯著減弱或者停止。t2后，L的數(shù)值不再發(fā)生變化，則電流量繼續(xù)上升，直到t3（即電流量為I3）時，斷路器的輔助觸點(diǎn)斷開，同時切斷電磁線圈的回路。在t3后，電流量的數(shù)值逐漸下降為0，由此可以得出，電流與電磁鐵內(nèi)動鐵芯的狀態(tài)具有密切的聯(lián)系，該圖可以作為故障診斷的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行使用，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備的實際工作數(shù)值與其有顯著偏差，則證明設(shè)備存在相關(guān)缺陷。

（4）指紋診斷

指紋診斷主要是指在對電力設(shè)備進(jìn)行相關(guān)測試后，將所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成相應(yīng)的圖像，然后以此與樣本進(jìn)行比對，從而對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。在設(shè)備狀態(tài)的判定工作上，研究者主要通過對于圖像波形進(jìn)行分析來取得最終的判定結(jié)果。以設(shè)備局部放電故障的判斷為例，作為判斷高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)重要的標(biāo)準(zhǔn)，局部放電的判斷對于設(shè)備維修來說具有極其重要的意義。

2 依據(jù)規(guī)則進(jìn)行的診斷

（1）模糊診斷

設(shè)備故障的初期，診斷得出的相關(guān)數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)性與模糊性，其中，隨機(jī)性可以使用概率論的方法進(jìn)行處理，模糊性需要使用模糊集合論進(jìn)行解決。

（2）邏輯診斷

在進(jìn)行邏輯診斷的過程中，研究者主要將特征歸納為“有故障”或者“無故障”等兩種情況，從而可以采用二值邏輯對于設(shè)備的狀態(tài)與特征進(jìn)行相應(yīng)的描述。在優(yōu)勢上，邏輯診斷的方式較為簡單明了，因此受到了極為廣泛的應(yīng)用。

3電氣設(shè)備故障系統(tǒng)設(shè)計

3.1 開關(guān)柜故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個監(jiān)測系統(tǒng)主要由信號線纜、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換器、RS-485轉(zhuǎn)換器、RS-485總線以及系統(tǒng)監(jiān)測模塊構(gòu)成。其中，在系統(tǒng)設(shè)計中，每個開關(guān)柜需要配置6個用于進(jìn)行溫度監(jiān)測的傳感器。在設(shè)計中，需考慮系統(tǒng)在高壓、高溫以及高磁場環(huán)境下可以保持正常工作。

①溫度采集模塊：通過該模塊可以對開關(guān)柜內(nèi)的溫度進(jìn)行有效的采集并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸工作。根據(jù)傳感器的不同，采集模塊設(shè)計方式也應(yīng)有所區(qū)別。

②溫度傳感器：為了確保傳感器的使用壽命，針對高壓過熱故障選用光纖傳感器，針對低壓過熱故障選用數(shù)字式單總線傳感器，為了確保監(jiān)測的準(zhǔn)確性，傳感器精度應(yīng)不低于100。

③RS-485總線：在控制中心與溫度采集模塊之間，利用RS-485總線進(jìn)行連接，從而有效確保信號的傳輸。為了確保通訊質(zhì)量，監(jiān)測計算機(jī)與開關(guān)柜的距離應(yīng)不超過1200m，在總線末端，應(yīng)選取相應(yīng)的RS-485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)信號的轉(zhuǎn)換。

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計上，選取MFC作為編程語言，憑借其預(yù)留代碼的優(yōu)勢，可有效縮短系統(tǒng)開發(fā)的時間，從而促進(jìn)工作效率的提升。從總體上來看，系統(tǒng)的功能模塊大致可以分成自檢模塊、數(shù)據(jù)分析與顯示模塊、溫度控制模塊、運(yùn)行預(yù)警模塊、日志生成模塊。

①系統(tǒng)功能自檢模塊

為了有效確保系統(tǒng)的正常工作，在首次通電時，系統(tǒng)會對傳感器、溫度采集模塊以及監(jiān)測計算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自檢，從而及時發(fā)現(xiàn)并提示相關(guān)故障。

②數(shù)據(jù)顯示分析模塊

該模塊主要用于對研究過程中所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的顯示，從而便于操作者對設(shè)備情況進(jìn)行分析。各個測溫點(diǎn)的溫度應(yīng)使用溫度變化曲線與數(shù)碼管進(jìn)行表示。

③溫度數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊主要用于設(shè)置溫度報警的極限值，通常情況下，根據(jù)開關(guān)柜的溫度檢測情況，可以將報警極限值劃分為三種類型：溫升趨勢報警、溫度上限報警以及溫差報警。在操作過程中，對該模塊進(jìn)行設(shè)置需具有管理員權(quán)限，以免系統(tǒng)出現(xiàn)異常報警現(xiàn)象。

（3）相關(guān)設(shè)備參數(shù)設(shè)計

溫度在線監(jiān)測儀

通過溫度在線監(jiān)測儀所組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以有效對傳感器的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在安裝問題上，可以將監(jiān)測儀直接嵌入開關(guān)柜的柜門上，也可將其放置與其他位置。

作為重要的電氣設(shè)備之一，開關(guān)柜對于電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要的意義和價值，通過在線監(jiān)測的方式，可以有效對開關(guān)柜內(nèi)的溫度、壓力以及磁場環(huán)境等情況進(jìn)行實時監(jiān)測，從而有效促進(jìn)了監(jiān)測工作的效率[2]。

（4）開關(guān)柜設(shè)備熱源的計算流程設(shè)計

通常情況下，開關(guān)柜出現(xiàn)發(fā)熱的情況與熱場、電磁場、流體場具有密切的聯(lián)系，因此，在求解的過程中，應(yīng)有效實現(xiàn)多個物理場的聯(lián)合。其中，在對多物理場進(jìn)行仿真計算時，應(yīng)根據(jù)電磁場仿真計算方法與解析公式進(jìn)行熱源的計算，在計算結(jié)果得出后，將其作為荷載，與其他邊界條件同步加載到流體場和熱場中進(jìn)行相應(yīng)的計算。

（5）應(yīng)用原理

本方案選取開關(guān)柜檢測儀進(jìn)行監(jiān)測工作，裝置下級的功能單元主要使用模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計，各個模塊之間具有相對的獨(dú)立性，所有模塊均受到智能開關(guān)柜監(jiān)測儀器的統(tǒng)一控制。其中，各個功能單元負(fù)責(zé)對各類信號進(jìn)行處理，并最終由監(jiān)測儀進(jìn)行統(tǒng)一管理。在監(jiān)測工作中，監(jiān)測儀為研究者提供了數(shù)據(jù)的存儲與查詢便利，同時，借助USB接口，可以實現(xiàn)歷史記錄的轉(zhuǎn)存。

（6）進(jìn)風(fēng)通道改良設(shè)計

通過上述結(jié)果，可以對開關(guān)柜設(shè)備的進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)行相應(yīng)的改良，從而有效實現(xiàn)溫度的降低。在降溫措施中，通過風(fēng)機(jī)的使用，可以對設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，借助抽風(fēng)與送風(fēng)結(jié)合的方式，可以有效實現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口面積的擴(kuò)大，以便更好地實現(xiàn)外界空氣向開關(guān)柜內(nèi)的吹入，以便更好地增強(qiáng)對流風(fēng)量。若設(shè)備內(nèi)設(shè)有多個風(fēng)機(jī)，可以通過對風(fēng)機(jī)的布局進(jìn)行優(yōu)化，以便有效避免風(fēng)機(jī)風(fēng)量的抵消。

【參考文獻(xiàn)】

1.肖遠(yuǎn)文.紅外熱成像技術(shù)對高壓電氣設(shè)備的診斷與分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（14）：155-156.

[2]? 王勝輝.基于OpenCV的高壓電氣設(shè)備放電紫外成像檢測圖像量化參數(shù)提取[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2016，33（09）：167-170+189.