高压隔离开关的机械故障诊断技术

 常见问题     |      2020-04-28 16:45

隔离开关是电力系统用量最多的高压开关设备之一,因安装调试不当或长时间运行后由于大气腐蚀、传动机构关节润滑脂流失、异物与灰尘积累等,导致隔离开关容易出现操作卡涩。针对隔离开关这类故障隐患的影响与诊断,目前研究较少,尚无有效检测诊断方法。

云南电网有限责任公司电力科学研究院、武汉大学电气与自动化学院、国网湖北省电力公司技术培训中心的研究人员马宏明、周涛涛、彭诗怡、邱志斌、朱琳,在2019年《电工技术学报》增刊2上撰文,提出一种基于操作力矩与操作杆转角检测的隔离开关机械故障诊断方法,总结出基于操作力矩-转角曲线的隔离开关机械故障诊断流程,为隔离开关的安装调试、检修维护提供参考。

高压隔离开关是一种起着隔离作用的开关设备,在变电站中使用较多,主要安装于断路器两侧,与断路器配合使用。由于高压隔离开关主要工作于户外环境,饱受风霜雨雪的侵蚀,长时间运行后金属传动机构容易氧化腐蚀,轴承轴销处的润滑脂变质、流失,同时运动关节处易积累灰尘与氧化物,加之运行维护不及时,容易出现如绝缘子断裂、导电回路过热、机械故障、二次回路失效等各种故障缺陷。

根据云南电科院的统计,在2008年1月~2016年12月,云南电网110kV及以上电压等级的隔离开关一共发生357起缺陷故障,其中机械故障缺陷发生195起,主要有分合闸不到位、操作卡涩、弹簧失效、夹紧力不足、三相不同期、传动部件损坏变形与松动等,占总故障量的54.62%。

有学者通过简化的GW4隔离开关数学模型定性分析了触头触指接触压力、接触轮廓和传动连杆的位置对操作力矩的影响。有学者基于Adams对折臂式隔离开关分合闸过程进行了动力学仿真计算,分析了理想情况下分合闸过程操作力矩的变化情况,并对传动机构中的关键部件进行强度校核。有学者指出,对于带手动操作机构的隔离开关,可根据操作时的手感轻重来判断有无机械卡涩,该方法与操作人员的经验有关,容易引起误判。有学者提出一种基于隔离开关电动操动机构电机电流的机械故障诊断方法,指出在不考虑电机励磁电流情况下,电机电流包络线与操作杆力矩存在二次函数关系,可根据电机电流包络线的变化来判断隔离开关操作过程中是否存在缺陷,该方法在电机工作电压恒定时可行,但在变电站现场隔离开关驱动电机的供电电压存在波动,无法利用该方法进行有效判断。有学者通过测量隔离开关动作过程中操作杆的应变来判断隔离开关是否存在机械故障缺陷,该方法虽能对隔离开关的机械状态进行判断,但对应变片贴片技术要求较高,贴片位置不恰当时,会导致测量数据不准,影响分析判断。有学者提出了通过测量隔离开关操作力矩来判断隔离开关状态,采用安装在手动操作机构手柄上的力矩传感器来测量隔离开关动作过程操作力矩,测量时要求匀速摇动手柄,测量结果受人为影响较大,数据可靠性不高,不能很好地反应隔离开关的机械状态。有学者设计并制作了某GW4型隔离开关测力触头,在分合闸过程中实时连续测量触头触指接触力,据此能有效判断触头触指加紧力是否满足要求、三相是否同期,但该方法在测量过程中需改变隔离开关原有结构,且操作繁琐。有学者将计算机视觉与图像处理技术引入到对高压隔离开关分合闸状态检测中,能有效判断GW4、GW7、GW23型隔离开关分、合闸状态。有学者根据高压隔离开关机械状态出现异常时,其振动信号会发生相应的改变,提出通过监测隔离开关振动信号来判断隔离开关机械状态,并针对故障诊断时特征库中故障类别不完备的问题,提出了基于多重支持向量域描述的故障诊断方法,能有效识别被测隔离开关的模拟故障状态和异常状态,为隔离开关机械故障诊断提供了一条可行的思路。在目前隔离开关机械故障缺陷频发,诊断方法尚不完善的背景下,有必要对隔离开关机械故障缺陷诊断技术进行研究,以及时发现机械故障隐患,防止事故扩大造成更大损失。

为此,云南电网有限责任公司电力科学研究院、武汉大学电气与自动化学院、国网湖北省电力公司技术培训中心的研究人员,以某GW4A 126型隔离开关为研究对象,在Adams中建立隔离开关虚拟样机模型,模拟仿真计算隔离开关在正常、卡涩、三相不同期三种状态的合闸力矩波形,并作对比分析;由不同机械状态对应的仿真力矩波形不同,提出一种基于操作力矩与操作杆转角检测的隔离开关机械故障诊断方法,并通过试验验证了该方法的可行性,在此基础上总结了基于操作力矩-转角曲线的隔离开关机械故障诊断流程,为隔离开关的安装调试、检修维护提供参考。

1)当隔离开关机械状态改变时,其动作过程操作力矩会发生相应的改变,因此可通过检测隔离开关动作过程的操作力矩与操作杆转角来判断隔离开关机械状态。

2)本文提出的一种隔离开关操作力矩与转角检测方法能够有效、准确检测隔离开关动作过程中操作力矩的变化情况。

3)不同机械状态下的操作力矩-转角曲线存在明显差别,可根据曲线特性如操作杆转动的角度、典型波峰波谷的数量、峰值、位置、力矩均值/极值等对各机械状态加以区分。

以上研究成果发表在2019年《电工技术学报》增刊2,论文标题为“GW4隔离开关机械故障仿真与诊断技术”,作者为马宏明、周涛涛、彭诗怡、邱志斌、朱琳。