隔离开关机械状态监测诊断系统的研制

雷 兴，徐 楠，李 洋，何 梦，王少伟，陈 佳

(国网上海市电力公司检修公司，上海 201204)

隔离开关是变电站内数量最多的一次设备之一，隔离开关出现故障，将会导致停电范围扩大、设备检修时间延长等问题。目前，机械故障[1]约占隔离开关故障的80%，但对隔离开关的机械状态缺乏有效的状态监测手段[2-4]。基于电流量这单一状态量[5-6]进行故障诊断具有一定的局限性。

本文借助传感技术、物联网等实用化技术，研发了这套“隔离开关机械状态监测诊断系统”，实现了主轴扭矩和转角等机械参数的在线监测，可在早期发现隔离开关的机械故障隐患并给出诊断结果，方便运检人员及时采取处理措施，提高设备检修智能化水平。

1 技术方案

根据现状—愿景—目标—方法这一思维序列制定技术路线，如图1所示。

图1 技术路线

2 系统组成

本系统分为两大部分：现场测量装置和专家诊断系统。现场测量装置是本系统的“手”，负责采集负载扭矩、主轴转角、电机功率信号等参数。专家诊断系统是本系统的“脑”，负责对本系统采集的各类参数进行处理、分析及建模，并按使用者需求智能分析出该台产品是否存在异常并给出处理建议。系统组成见图2。

系统通过现场测量装置采集状态量，生成M-θ曲线、P-θ曲线，不断完善曲线数据库，专家诊断系统能够自学，进行智能诊断，原理框图见图3所示。

图2 系统组成

图3 系统原理框图

3 关键模块设计

关键模块包括扭矩测量模块、转角测量模块、Zigbee网络拓扑和专家诊断系统等四部分，如图4所示。

图4 关键模块

3.1 扭矩测量模块设计

扭矩测量模块应用电阻应变测量技术，将电阻应变片安装在隔离开关主轴上、采用桥式电路抗干扰，如图5所示。

图5 扭矩测量模块

本模块具有灵敏度高、抗干扰性强的优点，且安装简单、方便。

3.2 转角测量模块设计

转角测量模块应用光电传感技术，将光电传感器安装在隔离开关主轴上、采用多连杆支架固定，如图6所示。

本模块具有灵敏度高、测量范围广的优点。

图6 转角测量模块

3.3 专家诊断系统软件解决方案

系统将采集的数据生成“M-θ”、“P-θ”曲线直观展示机械参数在运行周期内的变化情况。通过对几种常用型号的隔离开关设置了机构卡涩、分合闸不到位、操作失灵等典型机械故障模拟试验，收集了大量隔离开关运行关键参数的样本。通过特征提取，形成隔离开关故障机械状态特征信息库。专家诊断系统软件解决方案如图7所示。将被测隔离开关机械状态特征自动纳入信息库，使专家分析的结论更具合理性和科学性，提高了专家诊断系统的准确性。

3.4 信息安全

Zigbee无线通信具备低功耗、低成本、可靠、短延时、网络容量大的特点，本系统网络接入方案将经信息技术部门审核，设立专网通道和内网防火墙，监测数据经加密接入内网平台，以确保信息安全。

图7 专家诊断系统软件解决方案

4 工程应用

专家诊断系统存储有各型隔离开关的安装、检修和运维信息，在实际生产中的测试过程如图8(a)所示，通过与数据库中保存的该型隔离开关的标准曲线和历史曲线进行智能化对比，从而给出诊断结果和相关的检修及维护建议，如图8(b)和图8(c)所示。

图8 应用实例展示

5 系统特点

本系统可实现对隔离开关“机械状态监测—隐患发现—故障定位—提出检修建议—出具检测报告”的全流程智能检修，具有以下特点。

(1)扭矩转角精密测量。基于电阻应变测量技术和光电传感器技术的隔离开关主轴扭矩和转角测量元件测量精确、稳定。测量元件均具有安装简便、使用成本低，不影响隔离开关主轴轴系结构的优点。

(2)机械性能在线监测。能在不停电状态下自动监测隔离开关机械性能。测量可结合日常倒闸操作进行，实现了对隔离开关机械状态的实时测量，具有隐患早发现早处理的优点。

(3)机械故障智能诊断。专家智能诊断系统，能通过对海量的隔离开关机械故障样本进行特征提取，形成 特征信息库，将被测隔离开关机械状态特征自动纳入信息库，具有对隔离开关机械特性曲线的分析准确，特征信息库自我完善的优点。

(4)特征图谱深度挖掘。该系统实现了基于环境因素等隔离开关机械劣化因变量的特征图谱分析功能。结合温湿度、污秽等级对隔离开关所处环境进行评估与类型划分，具有对不同隔离开关分地区分季节的差异化检修的优点。

6 结语

本系统已通过产品检测认证、出厂型式试验，成功实现了隔离开关机械故障状态在线监测和诊断功能，填补了隔离开关机械状态在线监测领域的行业空白。本成果已推广至江苏如高开关厂等单位使用，现场运行效果良好。

具有模块化、小型化设计的优点，不仅适用于已投运的国内外各类型隔离开关，还便于在新型隔离开关生产过程中进行一体化定制，因此对于新老设备均具备很高的推广价值。