高壓設(shè)備電氣故障判定方法與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊絮

摘要：高壓電力設(shè)備故障診斷的主要目的是對(duì)于設(shè)備有無(wú)故障進(jìn)行相應(yīng)的判斷工作，其判斷的內(nèi)容主要包括故障的性質(zhì)、原因以及所屬類型。在判斷過(guò)程中，研究者認(rèn)為應(yīng)先判斷故障的類型，待類型確定后，再對(duì)其進(jìn)行具體故障的診斷，從而有效提升故障的診斷效率。

1 設(shè)備故障診斷

1.1 依據(jù)樣板進(jìn)行的診斷

（1）閾值診斷

作為一種廣泛應(yīng)用的電力設(shè)備診斷方式，閾值診斷在我國(guó)高壓電力設(shè)備故障的診斷工作中具有極為重要的意義。從定義上來(lái)講，閾值又被稱為“臨界值”，顧名思義，其主要用電力設(shè)備在正常狀態(tài)下所能達(dá)到臨界值作為診斷的具體標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備狀態(tài)的判定工作。

（2）頻率特征診斷

在運(yùn)行過(guò)程中，電力變壓器繞組出現(xiàn)變形主要是由于在承受了機(jī)械力作用后，其繞組可能出現(xiàn)幅向和軸向變形與扭曲的情況。通常來(lái)說(shuō)，造成該繞組出現(xiàn)變形情況的主要因素是變壓器在運(yùn)行的過(guò)程中受到了多種短路故障的沖擊或者其在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生了碰撞[1]。

（3）時(shí)域波形診斷

作為以電磁鐵為操作的控制元件，高壓斷路器的控制回路大多數(shù)直接采用直流電。假設(shè)在t0的瞬間，斷路器下達(dá)分（合）閘的命令，此時(shí)流經(jīng)電磁鐵線圈中的電流為i0。則在電流波形中，橫軸標(biāo)注的刻度可以被視為電磁鐵的動(dòng)鐵芯在動(dòng)作過(guò)程中狀態(tài)出現(xiàn)變化的時(shí)間點(diǎn)。其中，t0代表該過(guò)程的起點(diǎn);t1代表動(dòng)鐵芯開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng);t2代表鐵芯觸動(dòng)操作機(jī)構(gòu)并造成負(fù)載的時(shí)間點(diǎn);t3代表電磁線的回路斷開(kāi)的時(shí)間點(diǎn)。假設(shè)直流電源的電壓值為U，回路的電阻值為R，線圈的電感值為L(zhǎng)，則在分（合）閘的命令下達(dá)后，電流i應(yīng)滿足以下公式：

時(shí)間點(diǎn)為t0時(shí)，動(dòng)鐵芯未進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，則此時(shí)L保持不變，此外，電流i伴隨著時(shí)間t依照指數(shù)的規(guī)律上升，當(dāng)時(shí)間到達(dá)t1（即電流量為I1）時(shí)，該設(shè)備線圈中的電流與磁路中的磁通已經(jīng)增加到可以驅(qū)使鐵芯進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的臨界值，則設(shè)備內(nèi)的動(dòng)鐵芯開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。此時(shí)間點(diǎn)后，由于動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)，L的值發(fā)生了相應(yīng)的變化，從而造成電流的數(shù)值逐漸下降，當(dāng)期下降到t2時(shí)，動(dòng)鐵芯造成操作機(jī)構(gòu)負(fù)載，從而出現(xiàn)速度的顯著減弱或者停止。t2后，L的數(shù)值不再發(fā)生變化，則電流量繼續(xù)上升，直到t3（即電流量為I3）時(shí)，斷路器的輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)，同時(shí)切斷電磁線圈的回路。在t3后，電流量的數(shù)值逐漸下降為0，由此可以得出，電流與電磁鐵內(nèi)動(dòng)鐵芯的狀態(tài)具有密切的聯(lián)系，該圖可以作為故障診斷的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行使用，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)際工作數(shù)值與其有顯著偏差，則證明設(shè)備存在相關(guān)缺陷。

（4）指紋診斷

指紋診斷主要是指在對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行相關(guān)測(cè)試后，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成相應(yīng)的圖像，然后以此與樣本進(jìn)行比對(duì)，從而對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。在設(shè)備狀態(tài)的判定工作上，研究者主要通過(guò)對(duì)于圖像波形進(jìn)行分析來(lái)取得最終的判定結(jié)果。以設(shè)備局部放電故障的判斷為例，作為判斷高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)重要的標(biāo)準(zhǔn)，局部放電的判斷對(duì)于設(shè)備維修來(lái)說(shuō)具有極其重要的意義。

2 依據(jù)規(guī)則進(jìn)行的診斷

（1）模糊診斷

設(shè)備故障的初期，診斷得出的相關(guān)數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)性與模糊性，其中，隨機(jī)性可以使用概率論的方法進(jìn)行處理，模糊性需要使用模糊集合論進(jìn)行解決。

（2）邏輯診斷

在進(jìn)行邏輯診斷的過(guò)程中，研究者主要將特征歸納為“有故障”或者“無(wú)故障”等兩種情況，從而可以采用二值邏輯對(duì)于設(shè)備的狀態(tài)與特征進(jìn)行相應(yīng)的描述。在優(yōu)勢(shì)上，邏輯診斷的方式較為簡(jiǎn)單明了，因此受到了極為廣泛的應(yīng)用。

3電氣設(shè)備故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)關(guān)柜故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)線纜、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換器、RS-485轉(zhuǎn)換器、RS-485總線以及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊構(gòu)成。其中，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜需要配置6個(gè)用于進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的傳感器。在設(shè)計(jì)中，需考慮系統(tǒng)在高壓、高溫以及高磁場(chǎng)環(huán)境下可以保持正常工作。

①溫度采集模塊：通過(guò)該模塊可以對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度進(jìn)行有效的采集并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸工作。根據(jù)傳感器的不同，采集模塊設(shè)計(jì)方式也應(yīng)有所區(qū)別。

②溫度傳感器：為了確保傳感器的使用壽命，針對(duì)高壓過(guò)熱故障選用光纖傳感器，針對(duì)低壓過(guò)熱故障選用數(shù)字式單總線傳感器，為了確保監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，傳感器精度應(yīng)不低于100。

③RS-485總線：在控制中心與溫度采集模塊之間，利用RS-485總線進(jìn)行連接，從而有效確保信號(hào)的傳輸。為了確保通訊質(zhì)量，監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)與開(kāi)關(guān)柜的距離應(yīng)不超過(guò)1200m，在總線末端，應(yīng)選取相應(yīng)的RS-485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，選取MFC作為編程語(yǔ)言，憑借其預(yù)留代碼的優(yōu)勢(shì)，可有效縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間，從而促進(jìn)工作效率的提升。從總體上來(lái)看，系統(tǒng)的功能模塊大致可以分成自檢模塊、數(shù)據(jù)分析與顯示模塊、溫度控制模塊、運(yùn)行預(yù)警模塊、日志生成模塊。

①系統(tǒng)功能自檢模塊

為了有效確保系統(tǒng)的正常工作，在首次通電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)傳感器、溫度采集模塊以及監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行自檢，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并提示相關(guān)故障。

②數(shù)據(jù)顯示分析模塊

該模塊主要用于對(duì)研究過(guò)程中所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的顯示，從而便于操作者對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行分析。各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度應(yīng)使用溫度變化曲線與數(shù)碼管進(jìn)行表示。

③溫度數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊主要用于設(shè)置溫度報(bào)警的極限值，通常情況下，根據(jù)開(kāi)關(guān)柜的溫度檢測(cè)情況，可以將報(bào)警極限值劃分為三種類型：溫升趨勢(shì)報(bào)警、溫度上限報(bào)警以及溫差報(bào)警。在操作過(guò)程中，對(duì)該模塊進(jìn)行設(shè)置需具有管理員權(quán)限，以免系統(tǒng)出現(xiàn)異常報(bào)警現(xiàn)象。

（3）相關(guān)設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

溫度在線監(jiān)測(cè)儀

通過(guò)溫度在線監(jiān)測(cè)儀所組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以有效對(duì)傳感器的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在安裝問(wèn)題上，可以將監(jiān)測(cè)儀直接嵌入開(kāi)關(guān)柜的柜門上，也可將其放置與其他位置。

作為重要的電氣設(shè)備之一，開(kāi)關(guān)柜對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要的意義和價(jià)值，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)的方式，可以有效對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度、壓力以及磁場(chǎng)環(huán)境等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而有效促進(jìn)了監(jiān)測(cè)工作的效率[2]。

（4）開(kāi)關(guān)柜設(shè)備熱源的計(jì)算流程設(shè)計(jì)

通常情況下，開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)發(fā)熱的情況與熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)具有密切的聯(lián)系，因此，在求解的過(guò)程中，應(yīng)有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理場(chǎng)的聯(lián)合。其中，在對(duì)多物理場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)電磁場(chǎng)仿真計(jì)算方法與解析公式進(jìn)行熱源的計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果得出后，將其作為荷載，與其他邊界條件同步加載到流體場(chǎng)和熱場(chǎng)中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

（5）應(yīng)用原理

本方案選取開(kāi)關(guān)柜檢測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，裝置下級(jí)的功能單元主要使用模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間具有相對(duì)的獨(dú)立性，所有模塊均受到智能開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)儀器的統(tǒng)一控制。其中，各個(gè)功能單元負(fù)責(zé)對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行處理，并最終由監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行統(tǒng)一管理。在監(jiān)測(cè)工作中，監(jiān)測(cè)儀為研究者提供了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢便利，同時(shí)，借助USB接口，可以實(shí)現(xiàn)歷史記錄的轉(zhuǎn)存。

（6）進(jìn)風(fēng)通道改良設(shè)計(jì)

通過(guò)上述結(jié)果，可以對(duì)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)行相應(yīng)的改良，從而有效實(shí)現(xiàn)溫度的降低。在降溫措施中，通過(guò)風(fēng)機(jī)的使用，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，借助抽風(fēng)與送風(fēng)結(jié)合的方式，可以有效實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口面積的擴(kuò)大，以便更好地實(shí)現(xiàn)外界空氣向開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的吹入，以便更好地增強(qiáng)對(duì)流風(fēng)量。若設(shè)備內(nèi)設(shè)有多個(gè)風(fēng)機(jī)，可以通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的布局進(jìn)行優(yōu)化，以便有效避免風(fēng)機(jī)風(fēng)量的抵消。

【參考文獻(xiàn)】

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