高壓隔離開關非侵入式機械缺陷診斷方法及現場應用

楊濤　徐吉用　朱啟龍　王永志　劉佳立

摘要：高壓隔離開關是電力系統中用量最多的一次設備，其缺陷率隨著運行年限增長逐年增加?，F闡述了一種高壓隔離開關電機功率非侵入式檢測方法，在不改變隔離開關完整結構的情況下，檢測操作機構箱電機的電流、電壓信號，然后根據驅動電機的動作時間以及持續計算的電機功率信號建立功率曲線，通過將該功率曲線與機械狀態正常時的功率曲線進行對比，判斷隔離開關是否存在機械缺陷，并進行現場實際驗證。

關鍵詞：高壓隔離開關;非侵入式;功率曲線;機械缺陷

中圖分類號：TM564.1? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）11-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.11.001

0? ? 引言

高壓隔離開關是電力系統中用量最多的高壓設備，主要用于隔離電源、倒閘操作、連通和切斷小電流回路等，是電網可靠運行必不可少的一種電力設備。由于敞開式高壓隔離開關戶外工作環境較為惡劣，常年經受風霜、雨雪、沙塵、污穢等的侵蝕，加之其結構較為簡單、造價相對便宜，部分隔離開關的設計缺陷、選材不當、日常運維質量不佳等因素，致使隔離開關缺陷頻發[1-5]。當隔離開關存在機械故障時，其可能無法正常分合閘，同時觸頭、觸指嚙合狀態不良將導致隔離開關發熱的缺陷，嚴重危害電網安全穩定運行。

針對高壓隔離開關機械缺陷的檢測診斷，目前國內外的研究主要有：

（1）通過加強日常運行維護來預防高壓隔離開關機械故障[6-7];

（2）通過改變敞開式高壓隔離開關原有軸系，斷開操作桿，在斷開的操作桿之間安裝力矩傳感器、角度傳感器來判斷隔離開關的機械狀態[8];

（3）根據操作力矩與應變之間的關系，通過檢測敞開式隔離開關動作過程中操作桿的應變來判斷隔離開關的機械狀態[9];

（4）通過檢測敞開式高壓隔離開關動作時操作機構箱的電機電流來判斷隔離開關的機械狀態[10-11];

（5）采用隔離開關操作力矩—轉角檢測設備，離線檢測敞開式高壓隔離開關動作過程的操作力矩—轉角曲線，然后將檢測曲線和標準曲線或運行狀態良好的歷史曲線進行比較分析，來判斷被測隔離開關的機械狀態[12]。

以上技術均需在停電后進行檢測，且需在嚴格的實驗室條件下才能開展，而對隔離開關的帶電檢測及診斷技術研究較少。下文將介紹一種高壓隔離開關驅動電機功率非侵入式檢測方法，能在不破壞隔離開關完整結構的情況下，實現對隔離開關機械狀態的在線檢測及診斷。

1? ? 高壓隔離開關驅動電機功率非侵入式檢測方法

1.1? ? 檢測技術原理

高壓隔離開關一般由合、分閘接觸器控制三相異步電機正、反向轉動，從而完成其合、分閘運動。目前可以實現通過檢測高壓隔離開關驅動電機功率來診斷其機械狀態。

交流電路中，有功功率是指一個周期內負載消耗的功率的平均值，也稱平均功率，計算公式如下：

異步電機是典型的三相對稱負載，采用二表法測量電機三相功率，通過測量兩相電流以及對應的線電壓，可以計算電機的輸入功率，計算公式如下：

所以在檢測工作中，一般需要在電機回路并接電壓傳感器，同時串接電流互感器，測量電機動作過程中的電機電壓信號與電流信號，從而計算其功率信號。在得到電機功率信號后，需通過接收系統傳輸至后臺計算機處理系統，計算機根據檢測數據持續計算電機功率信號，根據驅動電機的動作時間以及持續計算的電機功率信號建立功率曲線，將該功率曲線與機械狀態正常時的功率曲線進行對比，即可判斷待檢測高壓隔離開關的機械狀態是否正常。

1.2? ? 電機功率非侵入式檢測方法

根據上述原理分析，提出了一種驅動電機功率非侵入式檢測方法。采用卡扣式電流互感器配合數據采集模塊直接測量相電流，將卡扣式電流互感器安裝在接觸器A、C兩相的進線端，從而引出相應的電流信號，通過數據采集模塊測量接觸器A、C兩相相電流IA和IC。采用電壓探夾配合數據采集模塊測量接觸器A、C兩相電壓，將電壓探夾夾持在接觸器的端子處，通過電壓探夾金屬部分與端子螺絲接觸，從而引出相應的電壓信號，通過數據采集模塊測量接觸器A、C兩相電壓UAB和UCB，如圖1、圖2所示。

現場檢測時，在確保計算機、數據采集模塊、電壓探夾和卡扣式電流互感器之間連接好后，開始持續檢測接觸器的電流、電壓信號，得到驅動電機的電流、電壓信號。當驅動電機動作時，檢測到的接觸器A、C兩相電流值大于0.1 A，數據采集模塊開始記錄并存儲相關檢測數據，計算機則根據檢測數據持續計算電機功率信號，并根據驅動電機的動作時間以及持續計算的電機功率信號建立功率曲線。由人工將該功率曲線與機械狀態正常時的功率曲線進行對比，即可判斷機械狀態是否正常。

在上述技術方案的基礎上，為進一步實現計算機自動判斷機械狀態，可在計算機上編寫程序，使計算機基于功率曲線以及相關特征量，自動對高壓隔離開關進行機械狀態診斷。高壓隔離開關機械狀態診斷流程如圖3所示。

首先，在測得待檢測隔離開關的電機功率曲線后，提取相關特征量，包含其合閘時間t合、合閘過程平均輸出功率P合、合閘過程最大輸出功率P合max、正常狀態合閘時間t合標、電機額定功率P額。對于折臂式隔離開關，還需計算其合、分閘過程做功之比（W合/W分）。

然后，計算機開始比較被測隔離開關t合和t合標，當運動時間t合低于標準時間t合標的α%時（α的設定應結合不同型號開關所配合的操作機構箱具體設定，具體原則應為當運動時間低于標準時間的α%時，隔離開關的回路電阻為標準值的3倍以上），其轉角不在允許范圍內，說明存在動作不到位故障。

該故障原因有兩種：其一是開關未完成指定動作，控制回路存在問題;其二是開關未完成指定動作，存在嚴重卡澀故障。因此，計算機還需將測得的功率最大值P合max與電機額定功率P額進行對比，若測得P合max≥P額，則為開關存在嚴重卡澀故障;若測得P合max

被測隔離開關若不存在上述故障問題，則計算機繼續比較被測隔離開關的合閘過程平均輸出功率P合和電機額定功率P額，當被測隔離開關合閘過程P合超出P額的γ%（γ的數值應根據不同高壓隔離開關型號決定）時，判定存在卡澀缺陷。

最后，若被檢測高壓隔離開關不存在上述任一故障和缺陷，則判斷待檢測隔離開關機械狀態正常。

此外，若被檢測高壓隔離開關是折臂式隔離開關，由于折臂式開關設有平衡彈簧，以平衡動作過程中導電臂重力勢能的變化。一般情況下，應保證處于分閘狀態的隔離開關不能自動合閘，因此合閘過程所需的驅動力較大，電機功率較大，合閘做功應大于分閘做功。因此，除上述故障和缺陷診斷外，計算機還需根據其合、分閘過程做功之比（W合/W分）進行判斷，若測得（W合/W分）≥1，則說明平衡彈簧狀態正常;若測得（W合/W分）<1，則說明開關平衡彈簧已經疲勞。

2? ? 應用情況

2.1? ? 某GW36-550型隔離開關試驗情況

對某GW36-550型隔離開關采用此非侵入式方法進行檢測，通過模擬現場故障，采集了不同機械狀態的功率曲線。不同機械狀態下的曲線存在明顯區別，結合各機械狀態功率曲線的特征量驗證該檢測方法及診斷流程的準確性。

正常機械狀態下，合閘輸出功率曲線如圖4所示。提取對應狀態量，該隔離開關合閘過程運動11.64 s，合閘過程平均輸出功率為375 W，合、分閘做功之比為1.57。

人為模擬隔離開關合閘過程中發生傳動部分卡澀的情況，得出卡澀狀態下與正常狀態下的曲線對比，如圖5所示?？瓲顟B下合閘過程運動11.82 s，合閘過程平均輸出功率為490 W，比正常狀態增加115 W，合、分閘做功之比為1.62，合、分閘做功之比基本不變。

將疲勞的平衡彈簧進行更換后，得出平衡彈簧疲勞狀態下與正常狀態下的曲線對比，合閘曲線如圖6所示，分閘曲線如圖7所示。彈簧疲勞狀態下的合閘過程運動11.12 s，合閘過程平均輸出功率為189 W，分閘過程平均輸出功率為297 W，合、分閘做功之比為0.6，小于1。

2.2? ? 某GW7C-252型隔離開關現場檢測實例

運用此檢測方法及裝置對某500 kV新建變電站220 kV隔離開關開展驗收，對某GW7C-252型隔離開關檢測時發現電機功率曲線異常波動，結合該隔離開關工作原理及曲線波動情況，確定了曲線異常的原因，情況如下所述：

該型號隔離開關在觸頭、觸指嚙合前，導電臂基本勻速水平旋轉，驅動電機僅需克服摩擦阻力運動，功率較小且平穩。觸頭、觸指嚙合過程中，觸頭先逐漸與觸指接觸，電機功率迅速增大，整個嚙合過程，翻轉機構內的彈簧先被拉伸，然后逐漸釋放，但觸頭、觸指夾緊力逐漸增大，因此嚙合階段力矩存在多個形狀不同的波峰。

該隔離開關在3.6 s、5.6 s時曲線存在明顯的波動，如圖8所示。

結合上文判據，初步判斷導電臂水平旋轉過程中存在異?？闆r。結合故障點發生的時間對隔離開關傳動部分進行檢查，發現3.6 s時由于主旋轉絕緣子底座拉桿固定螺栓下端與地刀異常接觸，存在卡澀情況，如圖9所示。5.6 s時發現由于導電臂水平旋轉過程中，主旋轉絕緣子底座閉鎖盤與地刀閉鎖軸承接觸過于緊密，造成異常卡澀，如圖10所示。

對以上異常卡澀點進行處理后，電機輸出功率曲線恢復正常，如圖11所示。對該站同類型隔離開關檢測結果顯示，大部分隔離開關均存在以上問題，均為安裝工藝不良造成。

3? ? 結語

經現場試驗論證，本文介紹的高壓隔離開關驅動電機功率非侵入式檢測方法，能在不破壞隔離開關完整結構的情況下，通過提取高壓隔離開關分、合閘過程中的驅動電機功率信號，然后提取能有效表征機械缺陷的特征量，形成隔離開關分、合閘狀態輸出功率曲線，通過與正常功率曲線對比，再結合不同型號隔離開關機械缺陷的不同判據，可以實現隔離開關機械缺陷的帶電檢測及診斷。

該方法通過曲線對比可大致判斷隔離開關傳動部分卡澀、平衡彈簧疲勞兩類典型故障，但是要準確定位高壓隔離開關機械故障部位、判別故障程度還需進行更深入的研究。

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收稿日期：2022-03-28

作者簡介：楊濤（1989—），男，云南嵩明人，工程師，主要從事變電檢修工作。

徐吉用（1989—），男，云南宣威人，工程師，主要從事繼電保護、科技創新管理工作。

朱啟龍（1988—），男，云南宣威人，高級工程師，主要從事高壓試驗工作。