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2.2 高压断路器在线监测和故障诊断的发展

随着供电电压的提高,高压断路器对介质有了特殊的要求,油、真空、SF 6 高压断路器的出现使高压断路器的维修变得更加困难。20世纪60年代中期,SF 6 全封闭组合电器(GIS)技术的应用,使其核心电力元件——高压断路器的检修变得更加困难,所以必须对其中的高压断路器进行在线监测才能做到维修量最小和维修费用最低。20世纪90年代,美国、日本开始研究断路器的状态监测,该状态监测受到电力部门管理、科研、运营和工程维护人员的日益重视,并逐渐成为国际性的前沿研究课题和研究热点。

美国学者率先给出断路器电寿命与开断电流的关系,提出“灭弧触头电寿命”的概念,“全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是同期提出的,此时的研究工作主要是围绕着断路器“状态检修”进行的。“状态检修”是从早期的事后维修和预防性定期检修发展而来的更高层次的检修体制,它根据在线状态监测和离线检测所提供的信息,预测断路器的状态发展趋势。这种检修方式能及时、有针对性地对设备进行检修,不仅可提高设备的可用率,还能有效降低检修费用。“状态检修”概念的提出和GIS的广泛应用促进了断路器在线监测的发展。

20世纪90年代半导体技术和各种新型检测技术的飞速发展,为断路器在线监测创造了条件。据资料介绍,1992年,美国的Grizzly变电站在500kV断路器上第一次应用了 ALSTOM公司生产的控制和监测系统。1999—2000年,ALSTOM公司又开发了较为先进的CBWatch—1系统,该系统可预测SF 6 气体的压力变化趋势,并能给出低压报警。

美国1995年颁布的“电气设备绝缘诊断方法导则”,已转向机械特性在线监测为主。1995年,IEEE对高压断路器的监测选型已有指导标准,其研究对象包括油断路器、SF 6 断路器、真空断路器、GIS组合开关等,研究范围涵盖各种类型高压断路器故障的机理分析、故障类型的分布、故障特征的提取、故障分析诊断方法的综合运用。

日本20世纪80年代开始进入以机械状态监测为基础的预知维修时代,该项技术的研究与应用进展很快,并积累了大量数据与经验,逐步形成了一些标准和较成熟的方法。

至今,一些发达国家对高压开关设备机械特性的在线监测技术已日趋成熟,并且已有了功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。例如,德国西门子公司在高压断路器和GIS中采用了在线监测子系统;德国的频谱化学和频谱应用研究所中央实验室开发的“离子迁移率频谱仪”已在巴西的电力部门成功应用;美国CEI公司生产的SF 6 系列断路器监测器能够在线监测SF 6 气体温度和压力,并实时计算SF 6 气体密度,监视断路器内加热器、操作电流、气体/液体压力及分合闸线圈的工作状况,预测SF 6 气体泄漏趋势及其他潜在故障;ABB公司在其开发的新型中压开关柜中,采用了温度传感器和感应式位移传感器检测断路器储能、二次回路完好性、分合闸位置等状态;美国德克萨斯电力公司采用便携式断路器分析仪,可对断路器进行周期性试验,了解操动机构响应特性的变化情况。另外,具有代表性的断路器状态监测系统还有美国Hathway公司开发的BCM200断路器状态监测系统、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的GIS在线监测和诊断系统。

我国从20世纪50年代开始,根据电力设备预防性试验规程的规定,对高压断路器进行定期停电试验、检修和维护。然而,频繁操作及过度拆卸检修会降低断路器的动作可靠性。进入20世纪80年代,我国电力设备在线监测技术发展很快,截至1998年,共有127个变电站安装了断路器在线监测系统或装置。中国电科院开关研究所于1994年研制成功KZC—1型高压断路器在线监测仪。1995年清华大学高压教研室研制成功CBA—1高压断路器机械参数测量分析系统,该系统可监测合、分闸线圈电流、行程-时间特性曲线及振动信号。国电南自于2000年开始展开高压断路器状态监测研究工作。湖南远能电力科技有限公司研制了SF 6 开关设备气体在线监测装置,其主要监测功能是实时监测开关设备中的SF 6 气体湿度、温度和压力,其绝缘监测系统还可以监测油断路器绝缘拉杆的泄漏电流大小,反映断路器的绝缘状态。广州智光电气有限公司2000年生产的MLU—01A微机就地单元,能够记录断路器的开断次数和开断电流。华中理工大学和湖南省电力局联合研制了高压断路器机械特性在线监测系统。中国香港中华电力公司开发了断路器状态监测在线分布式信息系统,通过独立的微处理器实现对每台断路器状态的连续监测。

但是,断路器在线状态监测系统的生产单位数量尚少,较多的是高校研究性质试验产品,且市场开发有限,尚未出现完善的高压断路器在线监测和故障诊断系统。

由于断路器故障大多是由操动机构引起的机械故障,而其操动机构又具有多样性和复杂性,难以通过有限的传感器准确测量各个部件的状态,故用动力学进行仿真软件对操动机构运动学和动力学进行仿真研究也是十分重要的研究内容。多体动力学仿真软件包ADAMS是目前世界范围内使用最广泛的机械系统仿真分析软件之一,应用该软件可方便地建立参数化的实体模型,模拟断路器在空载及短路情况下的分、合闸运动过程,各种机械故障状态下可检测参量的变化等动力学特性。已有学者利用 ADAMS软件建立了126kV真空断路器虚拟样机模型,对真空断路器分、合闸过程进行了仿真分析,实现了产品的优化设计。有学者在基于 ADAMS建立断路器操动机构动力学模型的基础上,模拟了3种常见故障的运动特性,并将断路器操动机构动力学特性仿真分析和基于人工神经网络(ANN)的状态识别算法相结合,为高压断路器状态在线监测方法研究提供了新思路。还有学者将开断和关合过程中的电动力分为洛仑兹力和霍尔姆力,建立了真空断路器电动力计算模型。 45K8Zm4L5IYrYJVLweDrOOIBRGascc3FXueEgZc5iY0tVxWqCm7ERuWfUDXvWELu

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