电动隔离开关状态监测及诊断系统的研究

杨永雄，龚 森，陈延秋，郑奕辉

(广州供电局有限公司，广东 广州 510620)

1 电气设备状态监测的重要性

电气设备，尤其是经常需要动作的电气设备(如断路器、隔离开关等)在运行中受到电、热、机械负荷作用以及自然环境(气温、气压、湿度以及污秽等)影响，长期工作后会产生老化、疲劳、磨损，导致性能下降和可靠性降低。在电力系统实际运行过程中，隔离开关机械结构部件由于长期的负荷作用或操作，造成锈蚀、磨损而导致动作失灵、漏气漏液或其他结构性破坏。这些变化(即劣化)过程一般是缓慢、渐变的过程，可能引起设备故障率增大，危及系统的安全运行。

目前，在电力系统中，现场可电动操作的隔离开关一般常常用本身的行程辅助接点来控制分、合闸状态，即用本身的行程辅助接点来接通或断开合闸(分闸)线圈。操作时，由于电气或本身机械方面原因，可能造成不能正确分、合闸，此类故障在形成前都会在电动操作机构上体现出来。电动机的电流会因为磨损、过载和轻载而发生变化，通过对该电流的长期跟踪和测试，可预测刀闸是否需要检修，继而提前预知故障，及时检修，以提高电网的运行质量和效率，延长刀闸和电动机构的寿命。

2 隔离开关机械故障检测的原理

高压隔离开关的主要功能有3点：(1) 隔离电源，保证高压电器及装置在检修时的安全；(2) 倒闸操作；(3) 分、合小电流电路。

国产隔离开关配用的电动机构有CJ5，CJ6，CJ2-XG，CJA7G等型号，采用0.5—0.6 kW的三相异步电动机作为驱动电机，经减速装置(蜗轮蜗杆、齿轮或丝杠等)驱动隔离开关主轴，进行分、合闸操作，每次转角为180°。在分、合闸结束时，通过行程开关来切断电动机电源。

2.1 主轴转角时间特性

电动操作机构与隔离开关本体连接后，在开关由分到合或由合到分的过程中，主轴转过的角度θ与时间t的对应关系称为转角时间特性，其关系如图1所示。

图1 转角时间特性曲线

在图1中，曲线1表示标准的转角时间特性，在安装调试完毕后测得；曲线2表示运行若干时间后测得的特性；T1，T2为全行程时间。从图形上看，如果传动系统有卡涩现象，最直观的结果是全行程时间会延长，因此ΔT是一个很重要的特征参数。

如果在主轴转动过程中传动系统发生轻微卡涩，表现在特性曲线上就是产生曲折形状，如图2所示。

图2 有卡涩时的转角时间特性曲线

从转角时间特性上，还可以分析分合闸结束时的缓冲情况及行程开关动作的时机是否恰当。如果主轴转角未达180°，表明行程开关切断过早；如果在180°附近产生较大的过冲和反弹，表明行程开关切断过迟；如果在转角未达180°时产生较大的过冲和反弹，表明隔离闸刀机械限位过早接触。根据上述情况，就可以解决隔离开关分合闸准确到位的问题。

隔离开关安装完毕后进行调试时，通过测量转角时间特性可分析限位开关及分合闸的机械限位调整是否合适、机构与开关本体的连接是否合适，还可分析在主刀的整个分合闸过程中地刀与主刀的机械闭锁装置是否有比较严重的摩擦。

2.2 电动机电流波形

异步电机是电动机构中的能量转换装置，电机定子电流可全面反映机械系统的信息。通过电流传感器测量电动机的工作电流，可以判断有无卡涩。

记录隔离开关安装调试好的特性曲线，找出最大偏差，据此可判断有无卡涩发生；对于GW6型的开关，还可判断平衡弹簧是否失效或脱落。将特性曲线保存在指纹档案库，与后续测得的特性曲线进行相关性分析，可识别其相似程度。典型的电流波形如图3所示。

在图3中，t0—t1为电机通电时刻，这时电流有一较大的脉冲(启动电流)；t1—t2表示转子开始转动，电机反电势产生，电流回落；t2—t3电机平稳工作；t3时刻为开关动静触头刚接触，负荷骤然增大，电流也随之上升，电流在t4时刻出现峰值；t4时刻限位开关动作,电流被切断。｡

图3 电机的电流波形

将t1，t2，t3，t4，Ia，Im作为特征参数，电流特征参数变化可反映整个机械传动系统的变化。

通过对某变电站某间隔存在刀闸传动机构卡阻、合闸不到位的CJ7A型刀闸操作机构测试，进行实际验证。从系统软件显示的测试刀闸电机电流波形可知，测量刀闸电机动作电流为A相2.7 A，B相2.5 A，C相2.6 A，大于刀闸操作机构电机额定动作电流1.9 A。该故障的诊断结果：电机与刀闸间的传动机构卡涩、刀闸分合闸不到位，电机绕组内部故障。

3 数据的采集及通信

3.1 主轴转速的测量

增量式旋转光电编码器是安装在电动机构主轴上作为测量系统的转轴角位置传感器；它采用圆光栅，通过光电转换，将轴旋转角位移转换成电脉冲信号。该传感器的特点是重量轻、力矩小，可靠性高。

当主轴转动时，编码器输出A，B 2路相位相差90°的正交脉冲。通过信号处理电路，能从A、B 2路信号的相对相位确定码盘的转动方向。如果A超前B，码盘向正方向转动；若B超前A，表明码盘向反方向转动，这就是正交信号具有的易于被识别的优点。通过加/减计数器对A，B 2路信号计数，能得到角位移的增(减)量，角位移采集框如图4所示。

图4 角位移采集框示意

从旋转光电编码器输出的2路正交脉冲，经光电隔离后，再由施密特触发器整形，得到A和反相A以及B和反相B的方波信号。这4路方波信号经过单稳器件，得到各自的上升沿和下降沿信号A，A′，B，B′，这些脉冲经过“与—或—非”电路，实现了正交信号处理，输出反应角位移的信号P+和P-。

利用3片4029组成12位加/减计数器，2路加减脉冲信号经过加/减计数器计数，输出10位二进制编码，其值与角位移相对应。采集系统以一定的采样频率读取这10位结果信息，得到开关操作过程中的主轴角位移时间曲线。

3.2 电量信号的采集与通信

为了不影响电动机的运行，现采用一种性能优异的传感器——基于霍尔效应的霍尔电流传感器，该传感器输出的电压信号正比于电动机电流。首先通过CPU高速输入单元HSH测算出周波频率，由此得到采样/保持器的控制频率，CPU通过对1个周期进行32点频率采样，利用傅氏算法将时域内采集到的电流信号变为电流信号数据。

由现场检测模块采集现场信号数据，再通过网络总线将数据传送到便携式PC或控制室的计算机。现场检测模块和上位机采用RS-485串行通信，接口芯片采用MAX485。

4 电动隔离开关状态监测的实施

研究现场主要对220 kV某间隔的7把电动隔离开关实施监测。使用主轴转速测量装置和霍尔电流传感器分别采集主轴转速信号、电动机电流采样信号，然后通过电缆引入到电动刀闸监测户外端子箱中。这些信号再从电动刀闸监测端子箱经电缆传送到检测中心监控分析后台，进行数据分析处理。

通过对不同品牌、型号的电动刀闸机械电气原始数据的分析，提出可信的判据或对特征值设定合适的阈值，然后采用上述方案对隔离开关实行在线监测。隔离开关在线监测系统与变电设备状态检修平台相互关联，成为智能化检修的组成部分。

5 结束语

通过研究电动隔离开关状态监测及诊断系统，跟踪电动刀闸合(分)闸时电动机的电流变化及主轴角位移信息，以此判断工作状态和预测故障；通过分析上位机浏览和分析历史数据，可获得电动刀闸的操作、检修记录，并以此预测故障。此研究可为开展电动隔离开关状态监测、诊断工作提供借鉴。

隔离开关状态监测不仅能为设备是否需要检修提供依据，还能检验检修的质量水平。它的应用将大大提高设备的可用率，降低设备强迫停运率。随着状态检修的智能化提升，隔离开关的检修必将向集约型转变。

1 李中祥，宋建成．高压隔离开关触头温度在线监测系统 的研制[J]．高压电器，2016，45(2)：11-14.