论文部分内容阅读
摘要：时代的进步，科技的发展推动我国整体经济建设快速发展的同时使我国进入现代化发展阶段。GIS设备具有体积小、故障率低、运行安全可靠等优点，近年来得到了广泛的应用，但其在安装、运输等阶段总会造成一些绝缘隐患，对电网运行造成潜在威胁。
关键词：GIS设备;隔离开关负载特性测试
引言
我国经济建设自改革开放发展至今已经取得了非常不错的成就和成果。针对目前行业上没有GIS设备中隔离开关负载特性在运行现场的测试方法和测试装置的现状，研制了一种用于现场测试的装置并进行了实物测试验证。
1负载特性测试原理
负载特性测试就是通过各种传感器来测试被测试对象运动特性的变化，从而来判断其性能的优劣。本项目GIS设备中隔离开关布置十分紧凑，运行中的隔离开关均处于封闭状态，其本体传动件无一外露。在现场通过测试转轴、拐臂等传动件扭矩来反映负载特性十分困难，而其操作机构却暴露在壳体外部，机构通过传动轴驱动本体运动，本体运动特性的变化将直接传导到機构使某些参数发生改变。因此，机构中的电机电流、手动操作力矩、主轴速度作为测试目标量是首选研究对象。
2故障气室内部检查
1.接地开关静触头屏蔽罩开口周边有不同程度烧损;上下两侧烧蚀较其他部位严重，下侧烧蚀最为严重，最大部位烧蚀长度约8mm;外侧弹簧触头已完全烧蚀，触头座安装槽局部有烧蚀痕迹;其他部位未见异常。2.三工位隔离开关内部零部件表面附着大量灰白色放电产物，壳体下部法兰边缘局部有喷溅痕迹，油漆受热发黑，未损伤壳体基材;动触头屏蔽罩（接地开关侧）有明显烧蚀情况;盆式绝缘子及绝缘拉杆局部有喷溅痕迹。清理壳体喷溅灼烧位置，发现灼烧位置清理后表面光洁，无放电击穿点，表面油漆未受损伤，仅存在细小灼烧点颜色变深斑点。
3GIS高压隔离开关操作机构在线监测的技术难点
GIS高压隔离开关主要作用是将高压设备与高压电网进行隔离，因此它并不具备灭弧能力，也就不能直接投切负荷电流和开断短路电流。通常，GIS高压隔离开关通过驱动电机带动操作机构，实现隔离开关动静触头的分（合）闸动作，实现对带触点隔离开关设备主电路的开断与关合。其中，隔离开关操作机构由连杆机构、驱动电机等部件组成，高压隔离开关的动静触头通过操作机构的驱动电机驱动连杆动作来可靠地完成分合闸操作，操作机构动作的特点是：在执行动作时，机械机构瞬变，机构动作会伴随着冲击、振动;在闭合通电时，隔离开关又长时间不动作，一旦有故障发生，又会要求隔离开关动作稳定可靠。根据高压隔离开关机构动作的特点，高压隔离开关操动机构与传动机构的可靠运行尤为重要，对电力系统的安全运行起着关键作用。GIS隔离开关操作结构在多次动作后，一些操作机构中连杆机构零部件的强度和刚度会变差，容易产生变形，从而导致隔离开关卡死，使之难以断开，造成故障。同时，由于GIS高压隔离开关驱动电机带动操作机构完成的每一次分合闸投切动作，都会对隔离开关操作机构机械部件造成损伤，且存在损伤累加效应，因此对隔离开关机械特性进行在线监测是智能电网发展的必然趋势，也符合国家电网建设泛在电力物联网的需。目前，GIS高压隔离开关操作机构机械特性在线监测的技术难点在于：由于GIS设备中的隔离开关是封闭在绝缘筒内的，不能直接观测到隔离开关动静触头的分合到位情况，只能通过机构箱上的位置指针、汇控柜内的分合闸灯和后台位置来间接判定隔离开关的动作状态。现阶段对于此类缺陷的反措手段多是对GIS连杆进行划线，但存在以下几点不足：部分厂家的机构连杆在机构箱内部，无法划线;划线方式不仅工作量大，而且大量倒闸操作还存在安全隐患;标识线的观测手段严重不足，GIS结构紧凑，观测存在盲区，夜间难以观测;传动轴和动触头连接若脱扣，划线标识无法起到作用。
4测试装置软件方案
系统软件采用高级语言C++，其HMI主要实现初始化设置、数据处理，数据可视化（绘图）、故障诊断、数据存储等功能。与传统的检测仪相比，装置实现了传统仪器的硬件与计算机的结合，并扩展传统仪器的功能，完成数据采集、智能诊断和显示。数据处理，数据本身是通过传感器采集，将模拟量转化为数字信号，再传入到上位机系统中。传感器本身不可避免的受到噪声的干扰，再加上数字信号转换过程中引入的噪声，使得HMI接受到的数据会出现异常点，偏离了正常数值。为了准确地剔除噪声，还原真实数据，使用高斯滤波（Gaussfilter）算法对数据进行处理。引入此算法后，得到信噪比SNR较高的信号，数据的重复性和稳定性都得到很大的提高。数据可视化，大量的数据采用了图形的方式进行呈现，给出了数据随转角变化关系曲线。这样可以在测试时实时进行数据观测。进行数据分析时，将数据绘制成不同颜色的曲线，直观显示数据的变化趋势和区别。故障诊断，软件运用指纹识别原理提供了对测量数据进行比对的功能。针对曲线上每个细节的特征点进行比对判断，任何异常的蛛丝马迹将会被发现。如果异常点数值超过设定阈值系统发出故障报警，并提示异常区段及异常零部件，为实现状态检修、智能检修提供科学依据。
5模型结构参数与物性参数
对圆筒形单相分箱式结构的GIS隔离开关进行建模仿真，其中各部分结构的材料和参数如下：触指、动触头：GIS隔离开关的触指和动触头采用的材料是由20%的铜和80%的钨构成的合金钨铜，其硬度和导电性都比较好。模型中设置了12片触指，与实验平台触头结构相同。静触头和导体：采用的材料是纯铜，静触头外壳的直径为9cm;导体的直径为6cm。气室盆式绝缘子：采用的材料是固化的环氧树脂。盆式绝缘子的主要作用是隔热以及隔离各个气室。其厚度为3.5cm。外壳：采用的材料是钢，外壳的厚度设置为0.5cm。气体：采用的材料是空气，并且将空气压力设置为一个标准大气压。
6现场应用
在应用测试中还有意外收获，220kV兰房变有10多台同型号、同规格的252kV隔离开关，正常情况下负载特性曲线基本一致。但其中有一台合闸测试结束后装置出现报警状态，将报警曲线与正常曲线调入同一坐标系进行指纹比对，发现电机在动、静触头刚接触阶段电机电流开始增大，最大电流达到3.1A（正常情况下最大工作电流在2A左右），电机启动电流及在触头接触之前的工作电流与正常电机电流基本一致。分析认为，该台隔离开关电动机构及本体传动装置没有问题，而是由于动、静触头严重不对中，导致摩擦力增大、电机电流增大。经查该电机的额定电流为3.3A，因最大电流3.1A小于额定电流，过流保护不动作，主回路电阻也没有明显变化。因此这种隐形异常目前检测手段不会被发现。如果得不到及时处理，这种异常状态，触头将会异常发热，甚至烧毁，造成重大事故。后续检修人员处理后曲线恢复正常。
结语
探讨了GIS设备中隔离开关负载特性的几种测试原理和测试方法并介绍了测试装置硬软件设计方案。只是初步探索，还需继续验证与完善。待其投入运行若干时间后在现场对其状态再次检测，分析其负载特性的变化趋势来预测是否有缺陷存在，从而为状态检修提供科学依据。
参考文献
[1]杨堃，李炜，宋杲.2013年高压开关设备运行分析[J].智能电网，2014，2（6）：32-41.
[2]黄辉敏，夏小飞.220kVGIS隔离开关触头烧坏故障分析与对策[J].广西电力，2014，37（6）：70-72.
[3]郭伟，汪隆臻，等基于声-电-气联合检测的GIS缺陷分析与处理[J].高压电器，2018，54（1）：243-248.
关键词：GIS设备;隔离开关负载特性测试
引言
我国经济建设自改革开放发展至今已经取得了非常不错的成就和成果。针对目前行业上没有GIS设备中隔离开关负载特性在运行现场的测试方法和测试装置的现状，研制了一种用于现场测试的装置并进行了实物测试验证。
1负载特性测试原理
负载特性测试就是通过各种传感器来测试被测试对象运动特性的变化，从而来判断其性能的优劣。本项目GIS设备中隔离开关布置十分紧凑，运行中的隔离开关均处于封闭状态，其本体传动件无一外露。在现场通过测试转轴、拐臂等传动件扭矩来反映负载特性十分困难，而其操作机构却暴露在壳体外部，机构通过传动轴驱动本体运动，本体运动特性的变化将直接传导到機构使某些参数发生改变。因此，机构中的电机电流、手动操作力矩、主轴速度作为测试目标量是首选研究对象。
2故障气室内部检查
1.接地开关静触头屏蔽罩开口周边有不同程度烧损;上下两侧烧蚀较其他部位严重，下侧烧蚀最为严重，最大部位烧蚀长度约8mm;外侧弹簧触头已完全烧蚀，触头座安装槽局部有烧蚀痕迹;其他部位未见异常。2.三工位隔离开关内部零部件表面附着大量灰白色放电产物，壳体下部法兰边缘局部有喷溅痕迹，油漆受热发黑，未损伤壳体基材;动触头屏蔽罩（接地开关侧）有明显烧蚀情况;盆式绝缘子及绝缘拉杆局部有喷溅痕迹。清理壳体喷溅灼烧位置，发现灼烧位置清理后表面光洁，无放电击穿点，表面油漆未受损伤，仅存在细小灼烧点颜色变深斑点。
3GIS高压隔离开关操作机构在线监测的技术难点
GIS高压隔离开关主要作用是将高压设备与高压电网进行隔离，因此它并不具备灭弧能力，也就不能直接投切负荷电流和开断短路电流。通常，GIS高压隔离开关通过驱动电机带动操作机构，实现隔离开关动静触头的分（合）闸动作，实现对带触点隔离开关设备主电路的开断与关合。其中，隔离开关操作机构由连杆机构、驱动电机等部件组成，高压隔离开关的动静触头通过操作机构的驱动电机驱动连杆动作来可靠地完成分合闸操作，操作机构动作的特点是：在执行动作时，机械机构瞬变，机构动作会伴随着冲击、振动;在闭合通电时，隔离开关又长时间不动作，一旦有故障发生，又会要求隔离开关动作稳定可靠。根据高压隔离开关机构动作的特点，高压隔离开关操动机构与传动机构的可靠运行尤为重要，对电力系统的安全运行起着关键作用。GIS隔离开关操作结构在多次动作后，一些操作机构中连杆机构零部件的强度和刚度会变差，容易产生变形，从而导致隔离开关卡死，使之难以断开，造成故障。同时，由于GIS高压隔离开关驱动电机带动操作机构完成的每一次分合闸投切动作，都会对隔离开关操作机构机械部件造成损伤，且存在损伤累加效应，因此对隔离开关机械特性进行在线监测是智能电网发展的必然趋势，也符合国家电网建设泛在电力物联网的需。目前，GIS高压隔离开关操作机构机械特性在线监测的技术难点在于：由于GIS设备中的隔离开关是封闭在绝缘筒内的，不能直接观测到隔离开关动静触头的分合到位情况，只能通过机构箱上的位置指针、汇控柜内的分合闸灯和后台位置来间接判定隔离开关的动作状态。现阶段对于此类缺陷的反措手段多是对GIS连杆进行划线，但存在以下几点不足：部分厂家的机构连杆在机构箱内部，无法划线;划线方式不仅工作量大，而且大量倒闸操作还存在安全隐患;标识线的观测手段严重不足，GIS结构紧凑，观测存在盲区，夜间难以观测;传动轴和动触头连接若脱扣，划线标识无法起到作用。
4测试装置软件方案
系统软件采用高级语言C++，其HMI主要实现初始化设置、数据处理，数据可视化（绘图）、故障诊断、数据存储等功能。与传统的检测仪相比，装置实现了传统仪器的硬件与计算机的结合，并扩展传统仪器的功能，完成数据采集、智能诊断和显示。数据处理，数据本身是通过传感器采集，将模拟量转化为数字信号，再传入到上位机系统中。传感器本身不可避免的受到噪声的干扰，再加上数字信号转换过程中引入的噪声，使得HMI接受到的数据会出现异常点，偏离了正常数值。为了准确地剔除噪声，还原真实数据，使用高斯滤波（Gaussfilter）算法对数据进行处理。引入此算法后，得到信噪比SNR较高的信号，数据的重复性和稳定性都得到很大的提高。数据可视化，大量的数据采用了图形的方式进行呈现，给出了数据随转角变化关系曲线。这样可以在测试时实时进行数据观测。进行数据分析时，将数据绘制成不同颜色的曲线，直观显示数据的变化趋势和区别。故障诊断，软件运用指纹识别原理提供了对测量数据进行比对的功能。针对曲线上每个细节的特征点进行比对判断，任何异常的蛛丝马迹将会被发现。如果异常点数值超过设定阈值系统发出故障报警，并提示异常区段及异常零部件，为实现状态检修、智能检修提供科学依据。
5模型结构参数与物性参数
对圆筒形单相分箱式结构的GIS隔离开关进行建模仿真，其中各部分结构的材料和参数如下：触指、动触头：GIS隔离开关的触指和动触头采用的材料是由20%的铜和80%的钨构成的合金钨铜，其硬度和导电性都比较好。模型中设置了12片触指，与实验平台触头结构相同。静触头和导体：采用的材料是纯铜，静触头外壳的直径为9cm;导体的直径为6cm。气室盆式绝缘子：采用的材料是固化的环氧树脂。盆式绝缘子的主要作用是隔热以及隔离各个气室。其厚度为3.5cm。外壳：采用的材料是钢，外壳的厚度设置为0.5cm。气体：采用的材料是空气，并且将空气压力设置为一个标准大气压。
6现场应用
在应用测试中还有意外收获，220kV兰房变有10多台同型号、同规格的252kV隔离开关，正常情况下负载特性曲线基本一致。但其中有一台合闸测试结束后装置出现报警状态，将报警曲线与正常曲线调入同一坐标系进行指纹比对，发现电机在动、静触头刚接触阶段电机电流开始增大，最大电流达到3.1A（正常情况下最大工作电流在2A左右），电机启动电流及在触头接触之前的工作电流与正常电机电流基本一致。分析认为，该台隔离开关电动机构及本体传动装置没有问题，而是由于动、静触头严重不对中，导致摩擦力增大、电机电流增大。经查该电机的额定电流为3.3A，因最大电流3.1A小于额定电流，过流保护不动作，主回路电阻也没有明显变化。因此这种隐形异常目前检测手段不会被发现。如果得不到及时处理，这种异常状态，触头将会异常发热，甚至烧毁，造成重大事故。后续检修人员处理后曲线恢复正常。
结语
探讨了GIS设备中隔离开关负载特性的几种测试原理和测试方法并介绍了测试装置硬软件设计方案。只是初步探索，还需继续验证与完善。待其投入运行若干时间后在现场对其状态再次检测，分析其负载特性的变化趋势来预测是否有缺陷存在，从而为状态检修提供科学依据。
参考文献
[1]杨堃，李炜，宋杲.2013年高压开关设备运行分析[J].智能电网，2014，2（6）：32-41.
[2]黄辉敏，夏小飞.220kVGIS隔离开关触头烧坏故障分析与对策[J].广西电力，2014，37（6）：70-72.
[3]郭伟，汪隆臻，等基于声-电-气联合检测的GIS缺陷分析与处理[J].高压电器，2018，54（1）：243-248.