基于模态分析法的高压隔离开关在线监测技术探讨

摘要：隔离开关是变电站中非常重要、数量最多的一次设备，由于设备制造、环境污染、地基变形、长期运行、严重超载运行、触点氧化、电弧冲击等原因，隔离开关在闭合时存在闭合不到位、过位、触点松动等问题，运行时亦存在发热、温度上升等安全隐患，这一现象在负荷增长较快的地区显得尤为普遍。

关键词：高压隔离开关；在线监测技术；变电站；模态分析法；触点氧化；电弧冲击 文献标识码：A

中图分类号：TM591 文章编号：1009-2374（2016）05-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.065

2013年国家电网公司印发的《电力安全工作规程变电部分》中关于判断设备实际位置提出了“至少应有两个非同样原理”的要求，2014年《国家电网公司2014年调度控制工作会议工作报告》中要求实施“双确认”信息改造、扩展远方操作范围以及积极开展故障停运情况下的远方试送，本文针对上述两项要求、就提高隔离开关操作可靠性展开讨论。

1 现状分析

随着无人值守变电站越来越多，要求我们的设备不论是一次还是二次都要具有较高的可靠性，同时对在线运行的设备要有实时监测手段，实时掌握设备的运行状况。一次设备的重要部分——隔离开关触点的状态监测及自动实时监测至今还没有实现，绝大多数变电站仍然依靠人工测量，如定期派人到现场用红外线或激光测温仪远距离测量，或者是人工观察、贴片观察等，但这些都不具有状态监测、实时监测、实时报警、及时处理等功能。因此，亟需一种有效的检测手段，实现变电站隔离开关状态的实时监测报警，杜绝因隔离开关闭合不到位、过位、触点松动、驱动机构故障、发热以及温度上升而产生的安全事故，使原来的定期检修逐步过渡到定点检修，提高供电可靠性，减少安全监测盲区，减少人为疏忽而导致的安全事故。

2 出现问题、原因分析及防范措施

高压隔离开关虽然结构较为简单，但其触头、触指裸露在恶劣的户外环境下运行，触头、触指接触处易氧化，导致接触电阻增大而发热。如果不对这些发热的接触部位的温度进行监测，将导致设备烧损甚至火灾的发生。宿州供电公司部分变电站现场摄像头不仅数量有限，拍摄有死角，而且会受网络带宽限制，导致图像质量受损，监控画面会有失真现象，还有可能造成画面滞后，不能及时地监测隔离开关工况。

2.1 防范措施

宿州供电公司基于多年的运行维护经验，发现通过基于模态分析法的高压隔离开关振动状态监测技术，可以实现变电站高压隔离开关状态的实时监测报警。减少因高压隔离开关主刀动触头导电部分传动连杆脱落、两侧刀头受自身重力自然下沉、闭合不到位、过位、触点松动、发热以及温度不断上升而产生的安全事故。同时，采用专业摄像头监测手段，进一步提高遥控操作的安全可靠性。使原来的定期检修逐步过渡到定点检修，并传至专用后台系统显示及报警，提高供电可靠性，减少安全监测盲区，减少人为疏忽而导致的安全事故。更重要的是，能够可靠判断高压隔离开关分合闸到位状态，直接给出一个正常或异常信号，配合隔离开关的辅助接点信号，一起作为高压隔离开关真正分合闸到位的状态，将为变电站遥控高压隔离开关带来本质的促进。

2.2 监测方法

2.2.1 刀闸触点温度实时监测。隔离开关运行时存在发热、温度上升等安全隐患，如果不对这些发热的接触部位的温度进行监测，将导致设备烧损甚至火灾的发生。针对刀闸触点温度的实时监测，温度传感器采用无线通讯技术传输温度信号，温度信号从测温模块到通讯模块不需要任何接线，无任何绝缘安全问题，Pt电阻温度传感器能够安装到带电物体的表面，直接测量带电物体的温度。测温准确、可靠，精度高，不受其他因素影响。采集单元运行在高电位侧，热敏电阻传感器输出信号进入采样及处理环节，经过信号提取、信号调理、AD转换、数据打包后，无线传输到集中单元。激光单元收到集中单元的启动命令后（通过无线模块），发出光能量到采集单元。同时整合自身的状态信息，通过无线送到集中单元。

2.2.2 刀闸分合状态振动信号模态分析。通过振动加速度传感器获取刀闸振动波形数据，传送至变电站主控室内的振动分析专家系统，专家系统首先记录每次刀闸动作的波形，然后与记录的历史数据进行比较，配合海量的刀闸特征积累数据以及采用先进的最大熵谱法的分析方法，可捕获采用其他方法如电气监测法所不能监测的故障，并预测可能出现的故障隐患。减少因高压隔离开关闭合不到位、过位、触点松动、发热以及温度不断上升而产生的安全事故，提高遥控操作的安全可靠性。

2.2.3 合闸问题的检测方法。合闸出现的问题包括合不到位、过位、触点接触不良以及在运行过程中逐渐松动等。因为触头结合的紧密程度直接影响了隔离开关整个和部分的模态特性，对于每一种型号的隔离开关，其隔离开关整个和部分的模态特性是一致的，技术试验过程中可以针对一种型号的隔离开关预先进行模态分析，获得其模态特性，建立完善的数据库。这样触头结合的紧密程度就可以用在线模态分析的方法实时监测到。图1到图3是隔离开关在合紧状态、接触但未合紧状态以及未接触状态的频谱图，从图上显示的特征值和重复性，可对隔离开关合闸状态进行实时监测。

2.3 系统取能策略

由于供能设备的电线在变电站工作环境下会造成一定的安全隐患，其长度限制了设备的使用范围，因而无线的供能系统就显得很重要，可以实现在一定的距离范围内精确地实现对电子设备的无线供能与无线传输。

供能：低压侧激光发射器经由光电转换模块将光能转换成电能，提供控制检测板的工作电源。

2.4 摄像头监测分合闸状态

2.4.1 每组隔离开关的每个触头都安装一个监控探头，安装部位为绝缘瓷瓶下方，实现一对一拍摄。

2.4.2 在隔离开关分合闸完成后会上传一帧现场图片，同时也可查看实时影像。

2.4.3 由于摄像头是由下向上拍摄，所以要考虑诸多环境因素对图像质量的影响，如防止红外光对采集图像的影响、如何调节白平衡、如何控制曝光、镜头上面有灰尘或异物等：（1）在光学信号处理系统中，选用滤红外镜头以防止红外光对Sensor采集图像造成影响，同时在PCB板设计中严格确保镜头聚焦中心在Sensor的感光矩阵中心上，使图像清晰成像。（2）图像电信号处理系统中，使用Sensor输出的为Bayer pattern，这些数据通过isp处理转化为rgb信号。在isp处理过程中加入了自主研发的5A算法（自动白平衡、自动增益、自动曝光控制、自动降噪、自适应对比度增强）对白平衡，曝光控制进行改进，并且通过gamma校正，flicker消除进行调节。单独对每系列的设备设计基于不同场景的图像参数，这些图像参数包括公开给广大用户的对比度、亮度、饱和度、锐度，同时具备超低照度图像处理系统，可达0.02lux超低照度成像。（3）当镜头上方有异物时，镜头上方有自动定期清扫功能。（4）视频传输时，后期编码对视频流通过dsp进行编码，可实现720P的图像压缩到2Mbps，将1080P压缩到4Mbps，非常适合网络传输。

2.5 预警系统功能

2.5.1 可以对系统监测参数进行配置管理。用户可根据现场实际情况灵活管理振动及温度监测点的配置及报警值。

2.5.2 实现了上位微型计算机与智能传感器的数据通讯与控制，具有强大的抗干扰能力，并具有设备自检功能，包括振动及温度传感器、数据采集变换器、网络通讯设备等。系统设备的自我诊断能力方便了设备的检查、维修工作，同时也保证了设备正常有效的工作。

2.5.3 隔离开关维护预测。

2.5.4 隔离开关机械振动监测。

2.5.5 可选择故障模型判定及专家系统，具备学习功能，支持基于图形的振动分析及显示功能。

2.5.6 系统充分发挥智能传感器和微型计算机相结合的强大功能，通过在隔离开关闭合时产生的机械振动监测以及对隔离开关触点的连续温度测量，能够预测隔离开关的故障趋势，及时提供故障类型和检修指导，避免发生重大事故。各类信息可以被永久保存。

2.5.7 历史资料分析和统计功能保存了自系统安装运行以来的所有测点的振动及温度的数据和变化情况。根据用户的需要选择不同的测点、不同的时间段，可综合分析隔离开关的运行情况。

2.5.8 对用户身份进行分级管理。使用者必须用密码登陆系统，用户只有在“管理员”权限才允许对系统的参数进行设置。

3 结语

基于模态分析法的振动信号记录与分析的基本原理是利用振动加速度传感器，非介入性地监测隔离开关操作过程中的机械振动信号，获取传动机构的状态信息和工作模式，是目前较为有效的监测与诊断方法，得到了很好的应用。

参考文献

[1]钟玉平.高压隔离开关故障原因与检修方法探讨[J].华东科技（学术版），2014，（11）.

作者简介：赵敏（1980-），女，安徽宿州人，供职于国网安徽省电力公司宿州供电公司，研究方向：电力系统自动化及其设备运维管理。

（责任编辑：蒋建华）