高压断路器在线监测技术研究内容摘要对电力设备进行状态监测的目的在于及时发现早期故障的征兆，以便运行维护人员在事故处于萌芽状态时，就能够通过检测手段及早消灭隐患，从而避免恶性事故的发生。对电力设备进行在线监测，是实现设备预知性维修的前提，是保证设备安全可靠运行的关键，也是对传统离线预防性试验的重大补充和新的发展。本文第一部分从高压断路器的用途、结构、分类等方面对高压断路器进行了介绍；第二部分介绍了高压断路器在线监测系统的组成、监测目的和未来高压断路器在线状态监测的发展方向。第三部分对高压断路器在线监测的传统技术和新技术进行了分析和探讨，希望能对高压断路器在线监测技术的发展提供参考。关键词：高压断路器；在线监测；技术1 3 高压断路器在线状态监测技术3.1 高压断路器在线监测传统方法3.1.1 机械故障的检测国内外有关高压断路器故障统计表明，操动机构故障为主要故障。操动机构的在线监测的方法很多，如红外线分析，系统动态响应特性的测试分析、壳体的振动信号检测、系统压力的动态测试、超声波的分析等。其关键是综合考虑各种监测方法现场实施的难易程度和成本，既要保证监测系统的准确度和可靠性，又要使监测系统本身不过于复杂。利用机械振动信号加速度传感器检测高压断路器操作过程中的振动信号，同时采集分合闸线圈电流信号，通过波形对照和数据的处理分析，揭示外部振动信号与机械部件运动和撞击的对应关系。从而获得机构的状态信息，通过与机构的参考特征信号相比，可诊断机构的传动、变形、磨损、润滑等故障。3.1.2 断路器、分闸线圈电流的监测高压断路器一般都以电磁铁作为操作的第一级控制元件，操动机构中使用的绝大部分是直流电磁铁。当线圈中通过电流时，动铁心受磁力吸引，使断路器分闸或合闸。从能量角度看，电磁铁的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过动铁心的动作，再转换成机械功输出。合/闸线圈的电流中含有可作为诊断机械故障用的丰富信息，可以选用补偿式霍尔电流传感器监测电流信号。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，对于诊断拒动和误动故障有效[4]。3.1.3 断路器行程、速度的监测位移量采集是靠光电式行程传感器来实现的，其工作原理为：把旋转光栅安装在断路器操动机构的主轴上，利用光栅和光电断续的相对运动，经光电转换，将速度行程信号转换为电信号。经数据处理后可得断路器操作过程中的行程和速度随时间的变化关系。据此可计算出动触头行程、超行程、刚合及刚分前 10 ms 内平均值等参数。通过触头的时间、行程信号可以提取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部分磨损、疲劳老化、变形、生锈、阀的缓慢动作等故障。10 3.1.4 合闸弹簧状态监测直接监测应用压力传感器，通过测量合闸弹簧压力值的大小，判断弹簧压缩状态。这种方法需要安装压力传感器。间接监测应用电流传感器，通过测量储能电动机的工作电流变换及工作时间，监测合闸弹簧的状态，通过分析电流波形得到电流特征参数的变化，从而反映弹簧状态的变化。3.2 高压断路器在线监测新技术3.2.1 基于模糊综合评估方法的高压断路器在线监测其原理为在高压断路器工作状态评估中对属于不同层次和类别的对象(检测量)进行多级模糊综合评判。其主要步骤为：先确定评判对象的因素集及各因素权重，建立评语集，建立最低层函数的隶属度，然后采用模糊算子进行综合评判，最终确定设备状态、检修规模和检修时间[10]。3.2.2 基于状态物元评估法的高压断路器在线监测基于模糊理论的评估方法，有利于描述事物本身所具有的模糊、不确定的特征量。但容易造成各评价指标之间的不相容现象，而且层次分析法确定的固定权重无法客观反映个别关键参数严重偏离正常值时对高压断路器运行状态带来的影响。物元理论是解决矛盾或不相容问题的有力工具，能够分别处理定量指标和定性指标，对多因素指标体系进行综合评价，给出直观的评价结果，同时可以动态地进行评价指标体系的添加和删除，而不会引起评价过程发生很大的变化。3.2.3 基于突变理论的模糊改进算法的高压断路器在线监测利用初始模糊隶属函数和突变级数，将突变理论与模糊分析结合起来， 对高压断路器这样的复杂系统进行多屡次目标分解和量化递归运算． 动态地对高压断路器的运行状态进行模糊综合分析与评判。3.2.4 基于人工神经网络评估算法的高压断路器在线监测基于人工神经网络的状态识别，就是利用神经网络的自学习和自组织能力。 通过对已有状态模式的学习，根据从设备提取的状态特征量进行识别，其基本过程可用图3.1 表示。11 图 3.1 设备状态识别过程3.2.5 基于熵权理论模糊算法的高压断路器在线监测为了克服传统的模糊综合评判中主观赋权的局限性，借助于信息工程学中“熵”的概念。根据各评价指标的差异程度来修正权重，建立一种新的综合评判模型，并将该模型应用到高压断路器状态评估当中对高压断路器进行在线监测。讨论影响高压断路器状态的各种因素，从评判的模糊性人手，运用模糊数学的原理和方法对各因素从理论上进行定量分析。对因素权重的确定，不单凭主观判断， 而采用熵权系数法进行客观计算。因此，该模型具有更好的有效性和实用性。12 4 结论状态监测已成为电力设备维修领域的一项重要技术，并且在世界范围内受到越来越多的关注。其在降低维修费用、延长设备使用期限、增加操作安全性、减少和预防突发与破坏性事件，提高电能质量方面起着积极的作用。通过对断路器在线状态监测和故障诊断的简要分析，对断路器状态监测和发展方向有以下看法，在线监测应进一步加强状态检测装置自身电磁兼容、抗干扰性能和系统自身的可靠性以及检测装置自诊断功能的研究；检测系统应具备多状态、多设备的检测功能，减少监测系统的复杂性和监测装置的冗余，同时要规范借口及通信标准，增强检测系统的开放性和兼容性；充分利用先进的计算机技术、通信技术、信号处理和人工智能技术，使下一代状态监测装置向着高灵敏度、高可靠性、智能价廉的方向发展。13 参考文献[1] 苏鹏声，王欢.电力系统设备监测与故障诊断技术分析.电力系统自动化.2003.[2] 朗福成，徐建源，林莘.真空断路器机械特性的在线监测[J].东北电力技术，2005.[3] 叶琦娅，戴文进.高压断路器机械性能的检测[J].江西电力，2001.[4] 孟永鹏，贾申利.真空断路器机械特征的在线监测方法[J].高压电器，2006.[5] 张蓬鹤,王殊,王宇.真空断路器的速度测量方法[J].低压电器，2005.[6] 吕锋，曹国臣.基于 DSP 的断路器在线监测与诊断系统[J].仪表技术与传感器，2008.[7] 陈维荣.电力系统设备状态监测的概念及现状[J].电网技术，2000.[8] 袁大陆.全国电力系统高压开关设备十年运行状况述评[J].电力设备，2001.[9] 刘全志，师明义.高压断路器在线状态检测与诊断技术[J].高电压技术，2001．[10] 黄瑜珑，钱家骊．高压断路器机械状态的监测[J]．清华大学学报(自然科学版)，1998．14 目 录内容摘要...........................................................................................................................1引 言................................................................................................................................41 高压断路器概述...........................................................................................................51.1 高压断路器用途...............................................................................................51.2 高压断路器结构...............................................................................................51.3 高压断路器分类...............................................................................................62 高压断路器在线状态监测...........................................................................................72.1 状态监测概述...................................................................................................72.2 高压断路器在线状态监测系统组成...............................................................82.3 高压断路器在线状态监测目的和意义...........................................................82.3.1 高压断路器在线监测的目的................................................................82.3.2 高压断路器在线监测的意义................................................................93 高压断路器在线状态监测技术.................................................................................103.1 高压断路器在线监测传统方法.....................................................................103.1.1 机械故障的检测..................................................................................103.1.2 断路器、分闸线圈电流的监测..........................................................103.1.3 断路器行程、速度的监测..................................................................103.1.4 合闸弹簧状态监测..............................................................................113.2 高压断路器在线监测新技术.........................................................................113.2.1 基于模糊综合评估方法的高压断路器在线监测..............................113.2.2 基于状态物元评估法的高压断路器在线监测..................................113.2.3 基于突变理论的模糊改进算法的高压断路器在线监测..................113.2.4 基于人工神经网络评估算法的高压断路器在线监测......................113.2.5 基于熵权理论模糊算法的高压断路器在线监测..............................122 4 结论.............................................................................................................................134.1 存在问题和不足.............................................................................................134.2 展望.................................................................................................................13参考文献.........................................................................................................................143 引 言随着电力系统容量的增大和电力网规模的不断扩大，对用户可靠供电成为电力企业保证自身经济发展的重要前提。安全供电是供电企业必须做到的，是企业管理工作的一项重要基础工作。电力设备故障给人们的生产和生活所带来的影响越来越大，因此电力设备的检修工作也愈显其重要性。作为重要电气设备的断路器在电能传输中占有重要位置，大到向一个国家或地区送电、小到向一个用户送电，都必须通过断路器。因维修或事故需要停电时，又必须通过断路器断电。断路器相当于传输中的咽喉要道。运行实践表明通过高压断路器设备状态检修可以提高电网整体可靠运行水平。在高压断路器的操作过程中，力学性能的不正常是引起故障的一个重要因素。为了能准确地测量和检验高压断路器的力学性能，对其进行综合运行状态判断。外部监测与诊断技术能够在线判断断路器的机械状况，是提高高压断路器可靠性的重要方法 4 1 高压断路器概述1.1 高压断路器用途高压断路器是发电厂、变电所及电力系统中最重要的控制和保护设备。3KV 及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统中最重要的控制和保护设备。高压断路器在高压电路中起控制作用，是高压电路中的重要电器元件之一。断路器用于在正常运行时接通或断开电路，故障情况在继电保护装置的作用下迅速断开电路，特殊情况（如自动重合到故障线路上时)下可靠地接通短路电流。高压断路器是在正常或故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。断路器的工作状态（断开或者闭合）是由其操动机构控制的。其在电网中主要有控制作用和保护作用。1.2 高压断路器结构断路器典型结构如下图 1.1 所示 图 1.1 高压断路器典型结构简图1 开端元件 2 绝缘支柱 3 基座 4 操动机构 5 绝缘套管 6 接地外壳图中开断元件是断路器用来进行关合、承载和开端正常工作电流和故障电流的执行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的粉盒动作是靠操动机构来带动的，常用的操动机构有电磁操动机构、压缩空气起动操动机构和液压操动机构等。开断元件放在绝缘支柱上，使出于高电位的触头、导电部分及灭弧室与地位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基座上。这类结构成为外壳带点断路器，也有人称之为绝缘支柱式断路器。另一类结构的断路器称为外壳接地断路器，又称落地灌式如图 1.1（b）所示。开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体（压缩空气或六氟化硫）或液体5 （变压器油）来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳定，常在额定电压高的高压和超高压断路器中使用，抗地震性能好。1.3 高压断路器分类根据保护控制对象不同，高压断路器大致可以分为以下几种类型：1．发电机断路器控制、保护发电机用的断路器。断路器的额定电压在 40.5KV 以下，额定电流大，不需要快速自动重合闸。2．输电断路器用于 110（63）KV 及以上输电系统中的断路器。其中 110KV、220KV 电压等级使用的断路器称为高压断路器，330KV 及以上电压等级使用的断路器称为超高压断路器。输电断路器除要求具备快速子偶那个重合闸功能外，还常要具备开合近区故障、失步故障，加空线路和电缆线路充电电流的能力。由于电压高、断路器的结构也比较复杂。3．配电断路器用于 35KV 及以下的配电系统中的断路器。这类断路器除要求具备快速自动重合闸的功能，有时还要求具备开合电容器组（单个电容器组成或多个并联电容器组）和电缆线路充电电流的能力。由于电压低，断路器结构较简单。4．控制断路器用于控制、保护经常需要启停的电力设备（如高压电动机、电弧炉等）的断路器。断路器的额定电压在 12KV 以下。要求断路器能够频繁操作并具有高的机械和电寿命。6 2 高压断路器在线状态监测2.1 状态监测概述状态监测是指对设备的运行状态及变化趋势进行监测的一种方法或过程，对设备的健康水平进行评估并为设备的维护、维修提供决策支持。对实际应用中的概念：故障预报、故障诊断和状态监测加以区别，阐明了它们之间的相互关系和理论依据。状态监测是实行电气设备状态检修体制的前提和基础，一个状态监测系统通常由下列几部分组成：1．传感器(Sensor) 传感器将电信号、其他物理量或者化学量转换成适合于数据采集装置处理的电信号。传感器的选择依赖于状态监测采用的方法和被监测设备的故障产生机理，通常要求具有适合于在线监测、灵敏度高、价廉和非侵入性等特点。2．数据采集(Data acquisition) 数据采集的任务包括对传感器输出信号的去噪、选取、滤波、模/数转换以及对传感器的补偿和校正等。通常涉及数据通信和微处理器等技术。3．故障检测(Fault detection) 故障检测的首要目的是明确被检测设备是否出现初期的故障征兆，为故障报警和进一步故障分析提供依据。故障检测一般包括参考模型和故障特征提取两种方法。前者将测量结果与基于数学仿真模型或人工智能等方法的预测模型进行比较得出结论。故障特征提取方法主要是通过时/频分析，小波变换等数字信号处理技术而获得。4．诊断与决策(Diagnosis) 对检测到的异常信号进行处理、分析，制定维修策略。这一工作以前主要由该领域专家和离线数据分析完成，现在倾向于由计算机采用先进的数字信号处理、人工智能(AI)技术进行在线、自动地分析处理，从而给出设备的故障类型、故障定位和维修决策等信息[1]。下图 2.1 简要概括了状态监测系统的任务、工作过程和相关技术理论。数字信号处理、人工智能等技术以其强大的数字信号处理能力在设备的状态监测领域得到了广泛应用。自动分析处理功能和在线故障诊断是实行状态监测的显著特征，状态监测将向着快速计算、智能分析和低成本的方向发展。7 图 2.1 状态监测系统的基本流程和功能模块2.2 高压断路器在线状态监测系统组成1．信号的监测系统：主要由传感器和信号预处理系统构成。一般传感器直接安装在被监测断路器上．预处理系统是为了防止干扰及提高信噪比，将监测的小信号进行放大和滤波处理。2．传输系统：将监测得到的信号传送到控制室。3．处理系统：具有传输信号的接收、处理、存储和显示等作用，它由信号处理的硬件、计算机以及分析处理软件构成[7]。系统组成框图如图 2.2 所示：图 2.2 高压断路器在线监测系统组成框图2.3 高压断路器在线状态监测目的和意义2.3.1 高压断路器在线监测的目的1．监测高压断路器本体的状况；2．监测高压断路器辅助设备和控制功能的状态；3．优化检修工作；4．延长高压断路器的使用期；5．降低高压断路器的故障率；8 6．提高设备运行经济效益；7．增加对高压断路器的认识。2.3.2 高压断路器在线监测的意义高压断路器在线状态监测系统用于变电站、开闭高压断路器的机械性能、电气绝缘性能、触头电寿命及操作回路工作状态的监测，通过综合分析在线监测的数据和相关历史数据，诊断出高压断路器当前的工作状态，为电气设备状态检修提供决策依据。在电力系统中，高压断路器数量多，检修量大，费用高。有关统计表明，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，断路器的解体大修，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷[9]。在目前相对保守的计划检修中，检修缺乏一定的针对性。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的部位，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。9