高壓開關柜監(jiān)測與故障診斷分析

方勝兵

（重慶西南鋁機電設備工程有限公司，重慶401326）

0 前言

高壓開關柜是供配電系統(tǒng)中的重要設備，由于柜體采用密閉結構，散熱條件差，而且長期工作在高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境中，由此使得設備故障率較高[1]。且高壓開關柜爆燃則屬于惡性事故，會導致設備損毀及大面積停電，甚至傷及人身。開關柜監(jiān)測和故障診斷能通過及時監(jiān)控柜內設備參數(shù)，對故障進行診斷，為事故預警分析提供重要數(shù)據(jù)支撐，為缺陷定位、同類設備評估、優(yōu)化電網(wǎng)運維提供重要決策參考。

1 高壓開關柜常見故障

高壓開關柜的常見多發(fā)故障主要包括分斷故障、絕緣故障和誤動故障等。

1.1 分斷故障

分斷故障包括開斷、關合故障，與真空斷路器有關。例如，真空斷路器出現(xiàn)滅弧情況時，就會影響真空度，進而對高壓開關柜造成干擾，此時真空斷路器不能正常工作，即使高壓開關柜檢測到電網(wǎng)故障，也不能進行正常的保護動作。分斷故障比較常見，需結合故障診斷，準確找出高壓開關柜中的開斷或關合故障，消除隱患。

1.2 絕緣故障

高壓開關柜的絕緣故障，風險大，類型多，原因復雜，主要原因包括CT閃絡擊穿，破壞高壓開關柜的絕緣性能，運行風險高。通過故障診斷技術，根據(jù)絕緣故障的診斷表現(xiàn)，對癥維護，預防高壓開關柜的絕緣故障。

1.3 誤動故障

動作故障分為拒動和誤動，危害性大，導致開關柜無法正常運行。此類故障的原因有：（1）電氣控制回路故障；（2）高壓開關柜機械故障。

2 監(jiān)測與診斷總體設計

高壓開關柜在電網(wǎng)中具有控制、保護雙重功能。隨著變電站無人值守和智能化推廣，生產(chǎn)安全顯得愈發(fā)重要。高壓開關柜監(jiān)測與故障診斷采用模塊化設計，由監(jiān)測和故障診斷兩部分組成。監(jiān)測是在目前SCADA基礎上，結合總線技術和無線通訊擴展弧光、溫度、泄漏電流監(jiān)測等。故障診斷是核心，包括：實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)管理、發(fā)展趨勢分析、故障診斷預警等功能模塊。故障診斷通過智能算法，建立故障診斷策略，通過監(jiān)測參數(shù)分析開關柜的故障原因?；贑AN總線的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)組成框圖

2.1 SCADA系統(tǒng)

SCADA是電網(wǎng)運維的基礎，通過監(jiān)控主機、電量檢測儀、變送器、輸入模塊進行采樣及控制，將所有用電回路的瞬時電量、斷路器狀態(tài)、故障等通過監(jiān)控主機以網(wǎng)絡的方式實時傳送給監(jiān)控中心。由中心計算機建立實時狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過組態(tài)軟件進行系統(tǒng)狀態(tài)HMI顯示和后臺數(shù)據(jù)分析，同時生成負荷曲線圖、電量/時間棒圖、歷史記錄列表、負荷超限報警、事故跳閘報警、操作記錄等。

根據(jù)SCADA，可以進行負荷分析、運維計劃訂制、遠程控制和故障處理，實現(xiàn)智能電網(wǎng)運行管理。

3 模塊化監(jiān)測

開關柜監(jiān)測系統(tǒng)在SCADA基礎上，擴展弧光監(jiān)測、關鍵位置溫度監(jiān)測、泄漏電流監(jiān)測、溫濕度控制等子系統(tǒng)。

3.1 弧光監(jiān)測

電弧光危害很大，電弧的能量可高達8～60MW。

電弧光產(chǎn)生原因主要有：（1）誤入帶電間隔；（2）隔離開關誤操作；（3）忘記接地；（4）設備故障和帶電設備的誤操作；（5）設備正常檢修后，工具遺漏在開關設備內；（6）錯誤的接線；（7）絕緣老化和機械磨損、以及過電壓；（8）小動物、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素；（9）容性接地電流擴大；（10）電氣連接點過熱燃燒等。

弧光傳感器裝在開關柜的不同位置，根據(jù)弧光傳感器的實際物理位置可實現(xiàn)保護分區(qū)，快速定位故障點，減少停電處理時間，快速恢復供電。

弧光保護還可以連續(xù)檢測故障前期相對微弱的弧光信號、強電暈等，如較為嚴重的爬電、電暈加強等，可及時給出預警，把事故消除在萌芽狀態(tài)。

3.2 溫濕度監(jiān)測

高壓開關柜通常工作在高電壓和大電流狀態(tài)，無疑會造成設備發(fā)熱，產(chǎn)生異常溫升，如果不及時處理，會導致設備爆炸等事故。在大電流情況下，高壓開關柜動、靜觸頭等是最易出故障的薄弱環(huán)節(jié)。如果接觸不良，致使接觸電阻增大，產(chǎn)生嚴重發(fā)熱，從而加劇接觸面氧化，形成惡性循環(huán)，這是高壓開關柜的主要故障。如果不及時發(fā)現(xiàn)，則會造成嚴重故障，危及供電安全。

開關柜相對密閉，潮氣進入后無法排出，極易在柜內產(chǎn)生凝露，造成短路。嚴重時發(fā)生爬電、閃絡事故、電氣元件銹蝕導致接觸不良等問題。

傳統(tǒng)方法是柜體加裝電加熱器、干燥劑或者柜體密封，但不能徹底解決問題。通過安裝新型的超聲波防凝露或電子制冷除濕設備，可以把柜體內的濕氣轉化成水滴，排出柜體外。該方式不會受氣候影響，在低溫、高溫狀態(tài)下也可以除濕。實現(xiàn)自動化后，當柜體內濕氣超標時會自動工作。

3.3 漏電流監(jiān)測

開關柜內的避雷器長期運行后出現(xiàn)老化受損，導致漏電流增大。例如金屬氧化鋅避雷器由于長期承受電壓，內部的閥片老化，閥片受潮，破壞了避雷器的性能，致使漏電流增大。漏電流將產(chǎn)生有功損耗，使閥片的溫度升高，導致避雷器損壞甚至爆炸，引發(fā)電網(wǎng)事故。

4 故障診斷技術

目前，成熟的高壓開關柜故障診斷技術，主要分為經(jīng)驗故障診斷和規(guī)則故障診斷兩類。

4.1 基于經(jīng)驗的故障診斷

基于經(jīng)驗的故障診斷包括：（1）閾值診斷：按閾值規(guī)范的標準，對比實際數(shù)據(jù)，如果實際數(shù)據(jù)與閾值不符，則高壓開關柜出現(xiàn)故障；（2）波形診斷：以物理量為主，實行波形診斷，觀察高壓開關柜物理變化的狀態(tài)，反饋設備運行的信息。波形診斷分為時域和頻域診斷兩類；（3）指紋診斷：比對樣本數(shù)據(jù)，分析高壓開關柜中的故障。但該方法不能用于在線診斷。

4.2 基于規(guī)則的故障診斷

基于規(guī)則的故障診斷，主要是按電網(wǎng)系統(tǒng)運行規(guī)則，實行故障診斷。（1）邏輯診斷法：此類診斷方法較為簡單，適應范圍廣，但缺乏精準性；（2）模糊診斷方法：診斷精度高于邏輯控制，可以診斷大型故障；（3）統(tǒng)計診斷法：需要借助實驗依據(jù)，才能完成準確的診斷。

5 結論

鋁加工企業(yè)對供配電系統(tǒng)的安全性要求高，高壓開關柜等關鍵設備的穩(wěn)定運行直接影響企業(yè)效益。高壓開關柜監(jiān)測與故障診斷技術具有實用性廣、可靠性高、開放性好的特點，對保證電網(wǎng)安全有很好的應用前景。