高压开关柜监测与故障诊断分析

方胜兵

（重庆西南铝机电设备工程有限公司，重庆401326）

0 前言

高压开关柜是供配电系统中的重要设备，由于柜体采用密闭结构，散热条件差，而且长期工作在高电压、大电流、强磁场的环境中，由此使得设备故障率较高[1]。且高压开关柜爆燃则属于恶性事故，会导致设备损毁及大面积停电，甚至伤及人身。开关柜监测和故障诊断能通过及时监控柜内设备参数，对故障进行诊断，为事故预警分析提供重要数据支撑，为缺陷定位、同类设备评估、优化电网运维提供重要决策参考。

1 高压开关柜常见故障

高压开关柜的常见多发故障主要包括分断故障、绝缘故障和误动故障等。

1.1 分断故障

分断故障包括开断、关合故障，与真空断路器有关。例如，真空断路器出现灭弧情况时，就会影响真空度，进而对高压开关柜造成干扰，此时真空断路器不能正常工作，即使高压开关柜检测到电网故障，也不能进行正常的保护动作。分断故障比较常见，需结合故障诊断，准确找出高压开关柜中的开断或关合故障，消除隐患。

1.2 绝缘故障

高压开关柜的绝缘故障，风险大，类型多，原因复杂，主要原因包括CT闪络击穿，破坏高压开关柜的绝缘性能，运行风险高。通过故障诊断技术，根据绝缘故障的诊断表现，对症维护，预防高压开关柜的绝缘故障。

1.3 误动故障

动作故障分为拒动和误动，危害性大，导致开关柜无法正常运行。此类故障的原因有：（1）电气控制回路故障；（2）高压开关柜机械故障。

2 监测与诊断总体设计

高压开关柜在电网中具有控制、保护双重功能。随着变电站无人值守和智能化推广，生产安全显得愈发重要。高压开关柜监测与故障诊断采用模块化设计，由监测和故障诊断两部分组成。监测是在目前SCADA基础上，结合总线技术和无线通讯扩展弧光、温度、泄漏电流监测等。故障诊断是核心，包括：实时监测数据、历史数据管理、发展趋势分析、故障诊断预警等功能模块。故障诊断通过智能算法，建立故障诊断策略，通过监测参数分析开关柜的故障原因。基于CAN总线的系统框图如图1所示。

图1系统组成框图

2.1 SCADA系统

SCADA是电网运维的基础，通过监控主机、电量检测仪、变送器、输入模块进行采样及控制，将所有用电回路的瞬时电量、断路器状态、故障等通过监控主机以网络的方式实时传送给监控中心。由中心计算机建立实时状态数据库，通过组态软件进行系统状态HMI显示和后台数据分析，同时生成负荷曲线图、电量/时间棒图、历史记录列表、负荷超限报警、事故跳闸报警、操作记录等。

根据SCADA，可以进行负荷分析、运维计划订制、远程控制和故障处理，实现智能电网运行管理。

3 模块化监测

开关柜监测系统在SCADA基础上，扩展弧光监测、关键位置温度监测、泄漏电流监测、温湿度控制等子系统。

3.1 弧光监测

电弧光危害很大，电弧的能量可高达8～60MW。

电弧光产生原因主要有：（1）误入带电间隔；（2）隔离开关误操作；（3）忘记接地；（4）设备故障和带电设备的误操作；（5）设备正常检修后，工具遗漏在开关设备内；（6）错误的接线；（7）绝缘老化和机械磨损、以及过电压；（8）小动物、灰尘、温度、湿度、腐蚀等环境因素；（9）容性接地电流扩大；（10）电气连接点过热燃烧等。

弧光传感器装在开关柜的不同位置，根据弧光传感器的实际物理位置可实现保护分区，快速定位故障点，减少停电处理时间，快速恢复供电。

弧光保护还可以连续检测故障前期相对微弱的弧光信号、强电晕等，如较为严重的爬电、电晕加强等，可及时给出预警，把事故消除在萌芽状态。

3.2 温湿度监测

高压开关柜通常工作在高电压和大电流状态，无疑会造成设备发热，产生异常温升，如果不及时处理，会导致设备爆炸等事故。在大电流情况下，高压开关柜动、静触头等是最易出故障的薄弱环节。如果接触不良，致使接触电阻增大，产生严重发热，从而加剧接触面氧化，形成恶性循环，这是高压开关柜的主要故障。如果不及时发现，则会造成严重故障，危及供电安全。

开关柜相对密闭，潮气进入后无法排出，极易在柜内产生凝露，造成短路。严重时发生爬电、闪络事故、电气元件锈蚀导致接触不良等问题。

传统方法是柜体加装电加热器、干燥剂或者柜体密封，但不能彻底解决问题。通过安装新型的超声波防凝露或电子制冷除湿设备，可以把柜体内的湿气转化成水滴，排出柜体外。该方式不会受气候影响，在低温、高温状态下也可以除湿。实现自动化后，当柜体内湿气超标时会自动工作。

3.3 漏电流监测

开关柜内的避雷器长期运行后出现老化受损，导致漏电流增大。例如金属氧化锌避雷器由于长期承受电压，内部的阀片老化，阀片受潮，破坏了避雷器的性能，致使漏电流增大。漏电流将产生有功损耗，使阀片的温度升高，导致避雷器损坏甚至爆炸，引发电网事故。

4 故障诊断技术

目前，成熟的高压开关柜故障诊断技术，主要分为经验故障诊断和规则故障诊断两类。

4.1 基于经验的故障诊断

基于经验的故障诊断包括：（1）阈值诊断：按阈值规范的标准，对比实际数据，如果实际数据与阈值不符，则高压开关柜出现故障；（2）波形诊断：以物理量为主，实行波形诊断，观察高压开关柜物理变化的状态，反馈设备运行的信息。波形诊断分为时域和频域诊断两类；（3）指纹诊断：比对样本数据，分析高压开关柜中的故障。但该方法不能用于在线诊断。

4.2 基于规则的故障诊断

基于规则的故障诊断，主要是按电网系统运行规则，实行故障诊断。（1）逻辑诊断法：此类诊断方法较为简单，适应范围广，但缺乏精准性；（2）模糊诊断方法：诊断精度高于逻辑控制，可以诊断大型故障；（3）统计诊断法：需要借助实验依据，才能完成准确的诊断。

5 结论

铝加工企业对供配电系统的安全性要求高，高压开关柜等关键设备的稳定运行直接影响企业效益。高压开关柜监测与故障诊断技术具有实用性广、可靠性高、开放性好的特点，对保证电网安全有很好的应用前景。