GIS分合闸线圈电流特征分析及故障诊断

周凯峰, 李海涛, 薛峰, 魏东亮, 谢建容, 胡岳

(1. 上海交通大学电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 2002402. 广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

GIS分合闸线圈电流特征分析及故障诊断

周凯峰1, 李海涛2, 薛峰2, 魏东亮2, 谢建容2, 胡岳1

(1. 上海交通大学电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 2002402. 广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

由于GIS设备的全封闭设计，可能出现辅助接点及现场显示分合成功，但实际触头分合不到位的情况，造成相当大的经济损失和严重的社会影响。断路器在每次分合闸过程中，线圈电流随时间变化，其变化波形蕴藏着包含电磁铁本身、所控制锁扣、传动机构在操动过程中的工作情况等一系列重要信息。通过传感器测量分合闸操作时分合闸线圈的电流信号，然后提取电流波形特征量进行故障诊断，可以为判断GIS操动机构的状态，确认分合闸的到位提供重要的依据。

气体绝缘断路器;分合闸线圈;电流特征量置信区间故障诊断

0 引 言

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)是将变电站中除变压器以外的所有一次设备，经优化设计有机地封闭于金属壳内，并充SF6气体作为灭弧和绝缘介质。GIS具有占地面积小，可靠性高，安全性强，维护工作量很小等的优点，自20世纪60年代问世以来在输变电系统中占据了重要的地位。

由于GIS设备的全封闭设计，导致操作人员无法直接观察到设备内部的状态，仅依据辅助接点的返回信号和操作人员的现场确认来判断设备是否分合到位。因此可能出现辅助接点及现场显示分合成功，但实际触头分合不到位的情况，引起电网安全事件，造成相当大的经济损失和严重的社会影响。

广东电网在2014年就发生过因断路器合闸动作不到位引发的停电事故。在进行合22036断路器操作后，监控后台显示已在合位，但实际触头合闸不到位，导致在倒母线操作22035断路器时拉负荷电流。该事件造成4个220 kV变电站、13个110 kV变电站全站失压，共损失负荷约600 MW，约占东莞总负荷9%。

因此，GIS中断路器的操动机构的状态监测对保证电网的稳定运行，减少国民经济损失，维护社会稳定有着重要的意义[1-4]。

断路器在每次分合闸过程中，线圈电流随时间变化，其变化波形蕴藏着包含电磁铁本身、所控制锁扣、传动机构在操动过程中的工作情况等一系列重要信息[5-6]。本文对GIS分合闸线圈电流信号进行了检测与分析，提取特征参数进行分析，为判断GIS操动机构的状态，确认分合闸的到位提供了重要的依据。

1 分合闸线圈电流波形

图1 分合闸线圈电流波形

典型的分合闸线圈电流波形如图1所示，可以把整个过程划分为5段[7-10]：

阶段1 (t0-t1): 线圈在t0时刻通电，可近似为电阻和电感串联负载，电流按照指数形式上升，直到t1时刻线圈感应出的电磁力足以驱动铁芯运动，此时电流达到第一个峰值i1，这个阶段的时间与控制电源的电压及线圈电阻有关；

阶段2 (t1-t2): 铁芯开始运动，在线圈中感应出反电动势，因此线圈电流开始减小直至铁芯接触到脱扣装置而停止运动，电流在t2时刻减小到谷值i2；

阶段3 (t2-t3): 铁芯停止运动，电流又开始按照指数形式上升，此时铁芯推动脱扣装置，分/合闸弹簧释放弹性势能，带动断路器动触头迅速动作，一直持续到t3时刻，电流接近稳定值；

阶段4 (t3-t4):阶段3的延续，在t4时刻断路器的辅助开关分断；

阶段5 (t4-t5): 辅助开关触头间产生电弧并被拉长，电压迅速升高，线圈电流迅速减小，直到t5时刻减小为0。

分/合闸电流存在两个峰值和一个谷值，其常见特征参数在图中已标明为t0-电流开始上升的时刻，t1-第一个电流峰值时刻，i1-峰值电流1，t2-电流谷值时刻，i2-谷值电流，t3-第二个电流峰值时刻，i3-峰值电流2，t4-辅助开关分断时刻，t5-分合闸电流降为0时刻。

分析可知，t0-t1与控制电源的电压及线圈电阻有关，t1-t2与铁芯运动有无卡涩，脱扣装置负载变动情况有关，t2-t4与脱扣装置、分合闸弹簧及动触头的运动过程有关，t4-t5与辅助开关的拉弧过程有关。

2 电流波形检测

对分合闸线圈电流波形进行检测的大致步骤是：利用传感器测量分合闸操作时分合闸线圈的电流信号，而后经模数转换模块传输到处理器进行相应数据处理，然后提取电流波形特征量进行故障诊断。

2.1 电流波形获取

图2 电流传感器安装图

图3 检测系统界面

检测系统采用上海交通大学自主开发的GIS开关状态全时序多参量评估系统实施。该系统包含一六通道最高采样率80 MS/s，12 bit同步采集的采集单元，其中三个单元用于分合闸线圈电流波形的采集。其他通道用于分合闸线圈电压、GIS本体电流及分合闸时电弧等其他信号的采集。分合闸线圈电流信号，采用霍尔传感器将电流信号转化为电压信号，传感器最大传感电流5 A，转化率分1 mV/10 mA和1 mV/100 mA两档。传感信号经过放大调理后连接至采集卡。波形采集采用分合闸电流脉冲信号上升沿本身触发后单次采集模式，通过事先配置，预采集触发时刻前一段波形(设置为触发位置位于整个波形50%位置)，所采集的波形如图3所示，采样率为20 MS/s 采样时长100 ms，以保证采集到完整的电流波形信号。

2.2 特征量提取

图4 电流波形处理图

检测系统中获得数据因为霍尔传感器的剩磁现象，数据存在直流偏置，没有正确归零，首先取前100个数据计算平均值，然后将所有数据减去该平均值，得到的波形如图4所示，其中A、B、C三相分别为直线、虚线和点线。

图5 特征量提取算法示意图

分合闸线圈电流波形中需要提取的特征量为{t0,t1,t2,t3,t4,t5,i1,i2,i3}。通过一个固定宽度的窗口(这里根据采样率选择为100个点)，从信号0时刻开始沿时间轴平移，依次找到第一个极大值，第一个极小值，第二个极大值及其对应时刻，即t1,t2,t4,i1,i2,i3。其算法示意图如图5所示。

然后设定第二个极大值的1%为零值的阈值，找到t0和t5，设定第二个极大值的99%为极大值的阈值，找到t3。

3 电流波形分析

3.1 单相电流波形分析

在编号为5012的GIS断路器上进行了20次分合闸试验，分别得到三相的分合闸电流波形数据。将其起始时间归零化，绘制分合闸的特征量图于图6、7，其均值与方差汇总于表1。

图6 GIS5012分闸特征量图

图7 GIS5012合闸特征量图

特征量分闸均值分闸方差合闸均值合闸方差t00000t17.23710.49887.30821.7141t28.50040.47228.55911.4773t317.10490.685031.35603.1028t417.46160.609631.83762.3923t522.37680.574739.64044.9338i11.88170.02601.79950.0632i21.71320.03381.66160.0862i33.23520.01363.16580.0193

可以发现分闸和合闸电流特征值的最大不同在于t2与t3的差值，分闸线圈仅为8.6，而合闸线圈高达22.8，可以以此为判据判断电流波形为分闸还是合闸电流波形。而分合闸线圈电流波形特征值的方差对应于平均值都比较小，可以通过平均值和方差构建指纹波形，判断分合闸电流是否正常。

3.2 三相电流波形分析

图8 三相不同期电流波形图

由于三相分合闸电流波形可能出现三相不同期情况，实际检测中也出现了对应情况，其波形如图8所示。

所以对三相电流同一特征值间的分析也有必要。取同一特征值中三相间差距最大的两项进行分析，得到的平均值与方差汇总于表2。

表2 分合闸线圈三相电流特征量的均值与方差

可以发现六个分合闸三相最大时间差的均值和方差比较一致，均值一般在2～3之间，方差在0～2之间。通过设立阈值，判断是够出现三相不同期现象。

3.3 建立置信区间

计算得到分合闸线圈电流特征量及三相最大不同期特征量的置信区间于表3和表4。

表3 分合闸线圈电流特征量置信区间

表4 分合闸三相电流特征量置信区间

图9 GIS分合闸故障诊断流程图

此外，可以计算得到t2与t3置信区间内的差值分闸时最大为11.6，合闸时最小为17.0。因此，可设定阈值为14.3，以此判断该电流波形是分闸还是合闸。

4 分合闸故障诊断

分合闸故障诊断主要通过采集到的分合闸电流波形，提取其特征量，通过t2与t3的差值判断是分闸或合闸操作，再与相应的置信区间比较，判断是否出现三相不同期及单相电流波形异常情况，以此监测GIS的分合闸操作情况，具体的流程图如图9所示。

如果分合闸正常，故障矩阵应为9*4的零矩阵。而矩阵中1所在的位置即为出现问题的特征量。经检验分闸操作的故障矩阵均为零矩阵，而合闸操作仅有一次不为零矩阵，有一组数据中在(9,3)这一位置处数据为1，即C相的i3异常，经检查发现C相的电流峰值始终为三相中的最小值，所以与三相统一平均后的置信区间比较时容易出现较小的情况，可以通过三相分开检验或扩大置信区间来解决。

图10 合闸故障电流波形图

将3.2中的图8所示的三相不同期情况的数据进行检验后，发现单相特征量正常，三相特征量中t0—t5及i1均异常，检查发现特征时间均往后推移，而第一个峰值明显增大。推测为铁芯运动异常，偏移正常轨迹导致行程增大，时间滞后，而指数形式增大的电流也随之增大。

图10所示为另一GIS合闸操作异常时测得的电流波形，通过检验后发现C相的i1—i3及三相的t0和i1—i3，检查发现t0的三相不同期略微超过上界，且C相特征电流明显过小。推测为C相供电异常，且在之后的几次合闸中连续出现了类似情况，见图11所示，对C相分合闸线圈电流供电系统进行检修后恢复正常。

图11 C相故障电流波形图

5 结束语

本文对GIS分合闸线圈电流特征分析及故障诊断进行了研究，主要工作如下：

(1)对断路器分合闸电流波形进行了分析，说明了六个时间特征量及三个电流特征项与分合闸动作的关系；

(2)采用自主研发的GIS开关状态全时序多参量评估系统对电流波形进行了检测，并提取了相应的特征量；

(3)计算了特征量的均值和方差，并使用95%的置信区间设定了阈值，以此为基础构建了故障诊断系统。经检验正常的分合闸仅有一例出现微小偏差，而对故障电流波形的检测非常准确。

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Current Characteristic Analysis and Fault Diagnosis of Breaking/Closing Coils in GIS

Zhou Kaifeng1, LiHaitao2, Xue Feng2, Wei Dongliang2, Xie Jianrong2, Hu Yue1

(1.Key Laboratory of the Ministry of Education for Power Transmission and Power Conversion, Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China 2. Guangdong Power Grid Co., Ltd., Dongguan Power Supply Bureau, Dongguan Guangdong 523000, China)

Because of fully enclosed GIS design, despite of possible appearance of auxiliary contacts and on-site display of successful breaking and closing, contacts are not really broken and closed in position, thus resulting in considerable economic loss and serious social impact. During each breaking/closing of the circuit breaker, coil current changes with time and its waveform contains a series of important information about working conditions of the electromagnet itself, lock catch under control and transmission mechanism in the operational process. Current signal of the breaking-closing coil is measured in the sensor during breaking-closing operation before characteristic quantity of current waveform is extracted for the purpose of fault diagnosis so that important reference can be provided for judgment of the status of GIS operating mechanism and for confirmation of orderly breaking and closing operation.

GIS; breaking-closing coil; current characteristic quantity;confidence interval;fault diagnosis

广东电网有限责任公司资助项目(GDKJ00000033)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.029

TM76

A

1000-3886(2017)02-0095-03

周凯峰(1991-)男，浙江人，硕士生，专业：高电压与绝缘技术。 胡岳(1978-)男，湖南人，博士，上海交通大学国家能源智能电网研发中心高级工程师，专业：高电压与绝缘技术。

定稿日期: 2016-11-23