高压开关柜的在线监测与故障诊断技术(2021新版)

高压开关柜的在线监测与故障诊断技术(2021新版)

Security technology is an industry that uses security technology to provide security services to society. Systematic design, service and management.

( 安全管理 )

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编号：AQ-SN-0396

高压开关柜的在线监测与故障诊断技术

(2021新版)

高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备。现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对高压开关柜的可靠性也提出了更高的要求。同时，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对开关柜的运行状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。它对于保证开关柜的正常运行，减少维修次数，提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有重要意义。

高压开关柜分户内式和户外式两种，10kV及以下多采用户内式，根据一次线路方案的不同，可分为进出线开关柜、联络开关柜、母线分段柜等。10kV进出线开关柜内多安装少油断路器或真空断路器，断路器所配的操动机构多弹簧操动机构或电磁操动机构，也有配手

动操动机构或永磁操动机构的。不同的开关柜在结构上有很大的差别，这将影响到传感器的安装和选择。

1.高压开关柜的故障表现及其原因

调查统计表明，高压开关柜的故障主要有以下几类：

（1）拒动、误动故障：这种故障是高压开关柜最主要的故障，其原因可分为两类：一类是因操动机构及传动系统的机械故障造成；另一类是因电气控制和辅助回路造成。

（2）开断与关合故障：这类故障是由断路器本体造成的，对少油断路器而言，主要表现为喷油短路、灭弧室烧损、开断能力不足、关合时爆炸等。对于真空断路器而言，表现为灭弧室及波纹管漏气、真空度降低、切电容器组重燃、陶瓷管破裂等。

（3）绝缘故障：表现为外绝缘对地闪络击穿,内绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管、电容套管闪络、污闪、击穿、爆炸，提升杆闪络，ＣＴ闪络、击穿、爆炸，瓷瓶断裂等。

（4）载流故障：7.2～12ｋＶ电压等级发生载流故障主要原因

是开关柜隔离插头接触不良导致触头烧融。

（5）外力及其他故障：包括异物撞击，自然灾害，小动物短路等。

2.高压开关柜的监测与诊断方法

针对高压开关柜的不同故障类型，相应有不同的故障检测方法：（1）机械特性在线检测，其监测的内容有：合、分闸线圈回路，合、分闸线圈电流、电压，断路器动触头行程，断路器触头速度，合闸弹簧状态，断路器动作过程中的机械振动，断路器操作次数统计等。

目前，断路器机械状态监测主要有行程和速度的监测，操作过程中振动信号的监测等。断路器操作时的机械振动信号监测是根据每个振动信号出现时间的变化、峰值的变化，结合分、合闸线圈电流波形来判断断路器的机械状态。机械性能稳定的断路器，其分、合闸振动波形的各峰值大小和各峰值间的时间差是相对稳定的。振动信号是否发生变化的判别依据是对新断路器或大修后的断路器进行多次分、合闸试验测试，记录稳定的振动波形，作为该断路器的

特征波形"指纹"，将以后测到的振动波形，与"指纹"比较，以判别断路器机械特性是否正常。文献〔3〕根据径向基函数网络理论(RBF 网络)，将健康振动信号和断路器实际振动信号波峰幅值之差形成的残差以及冲击事件发生的时间作为断路器故障诊断的特征参数，来判断断路器是否故障及故障类型。文献〔4〕基于小波变换的信号奇异性检测理论，对断路器合闸时的振动信号首先进行小波去噪处理，提纯有用信号。然后利用Hilbert变换提取信号包络，对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形。最后根据小波变换各尺度上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数，以此作为断路器故障诊断的一种特征参数，是一种新颖而比较有效的方法。

行程－时间特性监测是指通过光电传感器，将连续变化的位移量变成一系列电脉冲信号。记录该脉冲的个数，就可以实现动触头全行程参数的测量；同时，记录每一个电脉冲产生的时刻值，就可计算出动触头运动过程中的最大速度和平均速度。因此测得断路器主轴连动杆的分合闸特性，即可反映动触头的特性。监测储能电机负荷电流和启动次数可反映负载(液压操作机构)的工作状况，也可

判断电机是否正常,同时反映液压操作机构密封状况。

（2）电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测。利用不同开断电流下的等效磨损曲线，累计每次电流开断所对应的相对电磨损，每台断路器的允许电磨损总量由其额定短路开断电流及允许开断满容量次数来标定，采用触头累积磨损量作为判断其电寿命的依据。文献〔5〕阐述了影响真空断路器和某些SF6断路器触头寿命的因素，提出了一种改进的真空断路器电寿命在线监测方法，该方法考虑了各相实际的开断过程和燃弧时间，准确性有较大的提高，可以更加真实地反映各相的电磨损情况。

对真空度的在线监测方法有很多。目前，国内外真空灭弧室真空度的在线检测方法主要有:光电变换法〔6〕、耦合电容法〔7〕、三相桥法与电弧电压法〔8〕、电阻应变片法〔9〕、微型冷阴极磁控计法〔10〕、吸气剂膜法〔11〕。文献〔12〕提出了一种通过测量屏蔽罩的直流电位，即屏蔽罩上积聚的静电荷数量来在线检测真空度的新方法。该方法使用了旋转式电场探头，在电场探头离开屏蔽罩125mm时，仍具有较高的测量灵敏度。

（3）温度在线监测包括母线连接处的温度及断路器触头温度在线监测。用于母线连接处温升测量的常用传感器有石英传感器、光微薄硅温度传感器和吸收型光纤温度传感器，它们分别以石英晶体、硅片及玻璃构成的Ｆａｂｒｙｐｅｒｏｔ槽和ＧａＡｓ晶体作为感温元件，以光纤作为传输介质，这就有效地解决了电磁干扰问题。文献〔13〕介绍了Fabry-perot光微薄硅温度传感器在线测温技术，该技术已在变电站设备的状态监测技术中应用。

由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前测温工作方式基本上采用被动式测温或主动式测温两种形式。被动式测温采用接收被测量点幅射出的远红外波，通过判断远红外波长来确定测量点温度；而主动式测温则是通过埋设在测量点的温度传感器直接测量温度。文献〔14〕介绍了一种采用红外光电隔离及高压供电方式测量触头温度的方法，通过选择适当的抗干扰措施及元器件能使监测仪既有较好的技术性能，成本又能保持在较低的水平上。该系统已成功地在国内几