基于SF_(6)体的高压断路器运行状态在线监测系统设计.pdf

基于S F气体的高压断路器运行状态在线监测系统设计刘珍,刘园媛,张芳,邓华璞,杨丰帆,尚俊峰(国网湖北省电力有限公司超高压公司,湖北 武汉 )摘要:为实现高压断路器的在线监测和故障诊断功能,提高电力系统的稳定性和安全性,设计了基于S F气体的高压断路器运行状态在线监测系统.提出了基于P o l a n y i吸附势的S F气体状态监测方法,并提出了S F气体高压断路器机械特性的工作状态监测方法.设计了在线监测系统的硬件结构和软件设计流程,同时实现了S F气体状态监测和机械特性状态监测的系统功能.在某 k V变电站的 k VS F高压断路器上验证了S F高压断路器运行状态在线监测系统的可靠性和准确性.该研究实现了高压断路器运行状态的在线监测,提高了设备保养周期和利用效率,符合现代电力系统智能化、自动化和信息化的需求.关键词:高压断路器;S F气体状态;在线监测;故障诊断;机械特性中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s D e s i g no fO n L i n eM o n i t o r i n gS y s t e mf o rH i g h V o l t a g eC i r c u i tB r e a k e rO p e r a t i n gS t a t eB a s e do nS FG a sL I UZ h e n,L I UY u a n y u a n,Z HAN GF a n g,D E N G H u a p u,YAN GF e n g f a n,S HAN GJ u n f e n g(S t a t eG r i dH u b e iE l e c t r i cP o w e rC o,L t d,UHVC o m p a n y,Wu h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T o r e a l i z e t h e f u n c t i o n s o f o n l i n em o n i t o r i n ga n d f a u l t d i a g n o s i s o f h i g h v o l t a g e c i r c u i t b r e a k e r s a n d i m p r o v e t h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ep o w e rs y s t e m,a no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h eo p e r a t i n gs t a t u so fh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sb a s e do nS Fg a sw a sd e s i g n e d Am e t h o d f o rm o n i t o r i n g t h e s t a t eo f S Fg a sb a s e do n t h e a d s o r p t i o np o t e n t i a l o fP o l a n y iw a sp r o p o s e d,a n dam e t h o d f o rm o n i t o r i n g t h ew o r k i n gs t a t eo f t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f S Fg a sh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sw a sp r o p o s e d T h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g np r o c e s so f t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e d,a n d t h e s y s t e mf u n c t i o n s o f S Fg a s s t a t em o n i t o r i n ga n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t a t em o n i t o r i n gw e r e r e a l i z e da t t h es a m e t i m e T h e r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo f t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o r t h eo p e r a t i o ns t a t u so fS Fh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sw e r ev e r i f i e do na k VS Fh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r i na k Vs u b s t a t i o n T h er e s e a r c hr e a l i z e st h eo n l i n em o n i t o r i n go f t h e o p e r a t i n g s t a t u s o f t h eh i g h v o l t a g e c i r c u i t b r e a k e r,i m p r o v e s t h e e q u i p m e n tm a i n t e n a n c e c y c l ea n du t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y,a n dm e e t s t h en e e d so fm o d e r np o w e rs y s t e mi n t e l l i g e n c e,a u t o m a t i o na n d i n f o r m a t i z a t i o n K e yw o r d s:h i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r;S Fg a ss t a t e;o n l i n em o n i t o r i n g;f a u l td i a g n o s i s;m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s收稿日期:作者简介:刘珍(),从事超、特高压输变电设备运维检修工作;刘园媛(),从事超、特高压输变电设备运维检修工作;张芳(),从事超、特高压输变电设备运维检修工作;邓华璞(),硕 士,从 事 变 电 检 修 及 科 研 工 作;杨 丰 帆(),硕士,从事变电检修及科研工作;尚俊峰(),研究方向为电气工程.引言高压断路器比其他电气电力设备具有更繁琐的机械部件,并且断路器内部存在频繁、复杂的机械工作,容易在实际工作中出现各种各样的设备故障.如果只是在事故发生后或日常定期检查,这种无法监控工作全局的检查方式往往无法及时准确地定位或预测机械故障,最终造成电力系统严重损坏.传统的“事后检修”很难满足现代电力系统的应用需求,所以符合智能化、信息化和自动化的“状态检修”迅速发展.“状态检修”能够很大程度上及时捕捉、定位电力系统的各种故障,或预警未来某个时间将会出 现 的 设 备 故 障,提 高 了 电 力 系 统 的 稳 定 性 和 可 靠性 .电力设备的故障往往可以根据寿命分为三种:早期型、随机型和损耗型.早期型和损耗型故障通常可较为准确及时地被检修和预警,但是随机型故障并不固定,如果实行频繁、全面地检修,会造成财力、物力和人力的浪费,还会人为缩短设备寿命 .因此,对高压断路器的运行状态和实时工况进行准确检测,合理地评估电力设备的准确工况,这对于高压断路器的安全运维是至关重要的.电工技术电力设备本文提出了一种基于S F气体的高压断路器运行状态在线监测系统,实时监测断路器内部的S F气体状态,实时监测分合闸电流波形等状态信息,并及时准确地控制高压断路器的工作状态,为提高断路器可靠性和电力系统的安全性提供了参考.本文提供了高压断路器故障诊断的技术支持,也为高压断路器及电力系统提供了安全可靠、实时便捷的技术手段.S F高压断路器状态检测交流电流经分合闸线圈时会产生磁链,则等效电路的微分方程为:UR iddt()若电磁铁芯不饱和,则可简化为L i.同时,L随铁心气隙发生变化而不随i变化,因此有:UR id(L i)dtR iLdidtidLdtR iLdidtidLdddtR iLdidtv idLd()电流在分合闸线圈中从迅速上升至稳定电流.若电磁铁心所受到的吸引力小于弹簧力或重力,则铁芯静止,即vd/dt.其中,m a x为定值,此时线圈电感为L,则:UR iLdidt()定义通解常数C,则通解为:iCeRLUR()定义t、ii为初始条件,则式()存在特解:iUR(eRLt)()开断电流在短路时对电网或电力设备造成的影响比正常状态时的更大,尤其电网出现故障时.三相电路短路图如图所示.图三相电路发生突然短路时的等值电路图以a相为例,稳态电流为:iaIms i n(t)ImEm(RR)(LL)a r c t a n(LL)RR()a相在t时发生短路,则有:R iLdidtEms i n(t)()定义短路全电流的第一项和第二项分别为稳态交流和暂态直流分量:iIms i n(t)Ims i n()Ims i n()eR t/LImEmRLa r c t a n LR()电力系统中存在电抗(L)远大于电阻(R),即.若线路出现短路空载,电动势过零(),则暂态直流分量的初始值最大,波形图如图所示.图暂态直流波形图本文使用相似性原则辨识分合闸线圈电流波形,并采用小波分析对其进行提取和分析.相似性原则为:采用欧氏距离之比作为辨识比,以对比电力设备待检状态和正常状态之前的相似度 .基于离散处理思想,定义两组正常分合闸线圈电流数据分别为基准量E(n)与参考量X(n),待测电流作为待检测量T(n),则辨识比s为:sT(n)E(n)X(n)E(n)()分析式(),若高压断路器工作情况良好稳定,则s.分析图的分合闸线圈电流随时间变化的曲线,高压断路器正常工作时的时间曲线约为一次函数直线,一旦出现故障,高压断路器的检测次数便会增加.另外,考虑到高压断路器的异常状态包含频率畸变和幅值畸变两种电流畸变形式,因此除辨识比s外,还可采用奇异性指数进行评估.图线圈电流的时间曲线采用离散二进小波变换处理分合闸电流数据并获得奇异性指数,奇异点位置则是通过不同尺度下小波变换的电力设备电工技术 模极大值Mi的传递性来判断:l o gMi l o gMi运行状态监测系统设计 系统功能本文所设计的系统包含信号采集模块、数据采集模块、规约转换器、光电转换器和服务器,如图所示.信号采集模块是进行参量输入的传感器,负责将密度、行程、湿度、温度和分合闸电流由前端采集并输送至数据采集模块,即主控制器.数据采集模块采集到传感器信息后,经通信总线将数据传输至集控中心或调度中心,能完成数据通信和预警任务.数据采集模块能实现参数设置和状态检测等工作,包括R S 光纤和R S 接口,且具有较高的电磁兼容性.光电转换器负责监测I E D与服务器之间的数据安全传输,将I E D监测数据输送至服务器,由R S 光纤接口完成数据交换,并将数据传送至集控中心,即服务器.由服务器存储、显示数据,完成计算及分析.(a)传感器输入(b)主控制器(c)规约转换器(d)光电转换器图系统功能模块 S F气体状态监测子系统 S F气体状态监测原理设定环境温度和露点温度分别为T和D,气体压力为P,两个温度下的水蒸气饱和分压力分别为Pt和Pd,二者可从水蒸气的“温度饱和压力表”获取,相对湿度为RH.露点温度D时的微水含量和环境温度T时的相对湿度可表示为:P PMvPdP RHPdPt 进一步,微水含量P PMv可表示为:P PMvRHPtP 本文使用当前微水含量P PMv和 时的参考值P PMv 换算并进行故障诊断,定义P和Pt 分别为 时的气体压力和饱和水蒸气分压力.P PMv PtPP PMv 硬件结构设计本文使用主控制模块、信号调理模块、控制显示模块和远程通信模块构建S F气体状态监测子系统的硬件结构,如图所 示.主 控 制 模 块 中 的 实 时 时 钟(R T C)、EP R OM和微控制单元(MC U)分别为系统提供准确时间和定时、控制参数和历史数据、系统运算及控制.由传感器采集的湿度、压力和温度信号经A/D转换通道完成转换.当监测数据出现异常,MC U发出断路器闭锁指令.R S 流经规约转换器转换为I E C 规约,上传数据并下达控制指令.图S F气体监测系统硬件结构 软件流程设计S F气体状态监测软件流程如图所示.传感器采集的湿度、压力和温度信号经A/D转换通道完成转换.上述数据均换算为常温 时的数值,当监测数据出现异常时,监测系统会将监测信息可视化在服务器终端,显示状态异常或进行故障预警.图S F气体监测系统软件流程 机械特性状态监测子系统 硬件结构设计图为机械特性监测系统硬件结构图.机械特性监测系统除了主控模块之外,还包含三个子模块:储能电流、联动机械电流、分合闸电流.四个模块均拥有相互协同的处理器,共同监测机械特征状态.主控模块包含主寄存电工技术电力设备器、远程通信和主处理器,控制整个监测系统.其他三个模块与主控模块相比,除远程通信外,还各自拥有从处理器和从寄存器.远程通信单元除负责数据上传功能外,还远程接收控制指令.图机械特性监测系统硬件结构图 软件流程设计本文分开设计机械特性监测系统的主控模块和子模块,设计流程如图所示.主控模块工作原理为:分合闸动作一旦被监测系统识别,主处理器则会安排各个子模块进行数据获取.数据收集后,主处理器会向子模块下达将数据传输至主处理器的指令,主处理器对数据进行计算、分析和短暂存储,进而将监测数据输送至集控中心.子模块软件的工作原理为:从处理器会在监测系统识别分合闸动作后,接收来自主处理器的数据信息,通过A/D转换后将机械特性数据暂存从寄存器,三个子模块将数据上传至主寄存器.(a)主控模块软件(b)子模块软件图机械特性监测系统软件流程图系统测试分析本文将所设计的S F高压断路器监测系统应用至某 k V变电站的 k VS F高压断路器,在线监测S F气体状态和机械特性,从实际应用角度验证该系统的可靠性和准确性.S F气体状态监测结果使用监测系统在 号高压断路器的三个气室(号、号和号)内进行在线监测,实时获取S F气体的温度、压力、微水、密度和露点数据,见表.通过系统监测的参数情况,变电运维人员或系统操作人员能及时准确地分析数据,对高压断路器的工作状态进行准确判断,从而保证设备及电网的安全稳定运行.表S F气体监测值气室温度/压力/MP a微水/密度/MP a露点/机械特性状态监测结果图(a)和(b)分别为正常和故障时,高压断路器的分闸线圈电流波形图.图(a)和(b)分别为分闸、合闸线圈电流波形图.由图可知,线圈电流在正常时或发生故障时的波形图存在明显区别,能用来诊断机械故障.由图 可知,线圈电流在分合闸前期会出现指数形式的上升规律,并在短时间内小幅下降.变电运维人员或系统操作人员能根据线圈电流曲线判断铁芯是否出现脱扣、卡涩或机械负载变动.(a)正常状态(b)故障状态图分闸线圈电流波形(a)分闸电流波形(b)合闸电流波形图 断路器单相测试波形本文通过对比测试台数据和在线监测数据,进一步验证系统准确性.图(a)和(c)分别为变电站测试台上获得的实时准确数据,图(b)和(d)分别为系统所获取的与测试数据相对应的在线监测数据.分析图 可知,所设计的S F气体高压断路器运行状态在线监测系统能获得与实际测试的数据基本一致,这也进一步说明本研究系统的可靠性和准确性.结语为提高高压断路器的可靠性和电力系统的安全性,本文提出了基于P o l a n y i吸附势的S F气体状态监测方法,(下转第 页)电力设备电工技术 数值加以分解,再离散化处理,最后进行数据合成,这种算法在实际应用中也取得了较好的应用效果.图 D S P主程序流程图从图可以看出,系统首先根据主函数实现初始化操作,然后对微机保护测试装置的运行状态进行自我检查.如果测试装置没有问题并且接收到测试信号,就可进入命令处理子程序.如果接收到了数据,就可以进入数据发送子程序中,并执行录波程序,完成命令执行的操作.微机保护测试装置监控系统设计和通信规约选择为了保证微机保护测试装置能正常可靠运行,需对测试装置中的运行监控系统采取模块化设计.运用该设计思想,可保证某个模块功能出现故障时,能及时对故障模块进行定位,从而缩短故障的处理时间,并提高开发效率.在微机保护测试装置软件监控系统中,包括了人机接口模块、运行监控模块以及保护测控模块等.在软件监控系统的运行流程中,依然是先进行系统的初始化,然后进入任务处理和通信传输程序模块.对于微机保护测试装置软件系统的通信规约,可选择采用I E C 通信规约.该通信规约在保护动作信息的获取、保护装置设定定值的获取等方面存在着较大的优势,并且可以对被测试的装置进行遥控操作.同时利用该通信规约,可以实现微机保护测试装置和被测试装置之间的闭环,提高测试效率和测试的准确度.结语在现代电网中,微机继电保护装置发挥着重要的作用,为了确保微机继电保护装置处于良好的运行状态,本文系统介绍了微机保护测试装置的开发及设计技术,包括了各个功能模块的运行原理等.本文所分析的微机保护测试装置具有闭环测试的功能以及轻量化的特点,并且具有良好的人机交互界面,具有较强的实用性.参考文献 戴惠勇微机保护装置的自动化测试系统软件设计J科技创新与应用,():张小亮智能变电站新型测试系统研制D上海:上海交通大学,李建新断路器线圈保护功能设计与实现J内蒙古电力技术,():白坚实光数字和模拟一体化继电保护测试仪的实现D北京:华北电力大学,(上接第 页)(a)分闸测试电流(b)分闸检测电流(c)合闸测试电流(d)合闸检测电流图 分合闸线圈电流波形对比并提出了S F气体高压断路器机械特性的工作状态监测方法;设计了系统硬件和软件,同时实现了S F气体状态监测和机械特性状态监测的系统功能;在某 k V变电站的 k VS F高压断路器上应用,验证了S F高压断路器运行状态在线监测系统的可靠性和准确性.参考文献 苏毅,陈佳莉,张帅,等高压断路器模块化机构设计与研究J南方电网技术,():郝佳,赵隆,纪超,等 k V高压开关设备综合自动化监控系统研制J电力系统保护与控制,():董驰,李晓峰,顾朝敏,等高压开关柜断路器机械特性在线监测装置研究J电子器件,():张增强,解超,陈伟伟,等基于电容调压原理的自适应高压直流断路器J高压电器,():甄玉杰,蔡青青,闫斌斌 k V液压机构断路器重合闸异常分析J高压电器,():C h e nJ,WuH,G uX,e t a l O v e r v i e wo fm e c h a n i c a l f a u l t d i a g n o s i sm e t h o d sf o rh i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r sJW o r l dS c i e n t i f i cR e s e a r c hJ o u r n a l,():田书,康智慧基于改进变分模态分解和S VM的断路器机械故障振动分析J振动与冲击,():电工技术电力设备