高压开关柜监测与故障诊断研究

高压开关柜监测与故障诊断研究

谢利标

南京开关厂有限公司

摘要：高压开关柜的安全运行情况决定电网的安全运用，通常在对其开展监测及诊断工作时，受到其封闭结构特点影响无法对内部实际运行情况进行精准判断。智能监测与故障诊断技术可在应用过程中发挥重要作用，有效降低常见故障的分析与研究工作的难度，确保电网的正常运行。

关键词：高压开关柜；监测检查；故障诊断

引言：

供配电系统在正常运作过程中，需保证高压开关柜处于正常使用状态，由于这一设备柜体所使用的密闭结构存在散热困难，由于柜体所处环境存在高电压及大电流等特点，导致设备在运行期间容易出现故障问题，甚至可能产生爆燃现象形成巨大损失。因此，应重视智能检测和故障诊断技术的应用情况，从而减少设备故障发生概率。

一、高压开关柜常见故障类型

（一）分断故障

这种故障现象出现时，通常与开断、关合故障及真空断路器具有一定关联作用，比如在正常运作过程中，如果出现真空断路器灭弧现象，则会在真空度方面受到明显干扰，在该部位无法进行工作的情况下，高压开关柜虽可以确认出现故障问题，但无法采取相应措施进行控制或保护。这种故障情况的出现概率普遍较高，在进行故障诊断后寻找开断或关合故障，在妥善处理后可有效减少隐患影响^[1]。

（二）绝缘故障

这种故障问题的发生原因较为复杂，并具有风险较大、涉及类型较多的特点。通常这类情况的发生原因与CT闪络击穿有关，一旦高压开关柜的绝缘性能遭到破坏，会明显提升运行风险形成危险隐患。利用故障诊断技术与绝缘故障诊断表现进行判断分析后，可根据实际故障病症进行处理维护，从而使高压开关柜减少绝缘故障发生概率。

（三）误动故障

通常分为拒动和误动两种类型，通常由电气控制回路故障或高压开关柜机械故障诱发，所产生的危害性影响范围较大，严重影响开关柜的正常运行。

二、故障原因分析

（一）高压柜绝缘因素影响

电力设备的正常运转与绝缘能力息息相关，可作为判断电力设备是否正常运行的重要条件，在高压开关柜的正常工作中容易产生不良影响。在电力维修工作开展期间，由于所使用的电力产品无法保证质量水平达到统一标准，因此在开展维修工作时可能发生损伤影响，导致电力设备绝缘能力降低^[2]。

（二）工作人员专业水平有限

操作人员在对高压开关柜进行安装或维修工作时，由于无法保证其专业水平能力达到较高水平，从而在施工期间可能无法及时排查故障问题，甚至可能会因施工人员进行操作形成安全隐患。比如在开展工作时，可能会在母线及各个出线作业期间受工作压力影响，出现个别螺栓固定问题或连接处产生过高热量等情况，为避免产生严重后果，必须通过停电维修的方式进行故障排查。电缆的制造工艺不良所引发的短路故障情况较为普遍，另外也可能会在电缆头内气体排放程度不足、意外损坏绝缘层后形成严重故障。

（三）质量原因

高压柜在正常运行过程中是否存在故障隐患以及电力材料质量优劣，也是决定电力工程是否存在故障问题的重要因素。在电力工程建设及改造工作中，所使用的大量设备及材料是否存在质量问题，对整体系统的发电、供电能力影响极大，比如隔离触头质量如果未达使用标准，极有可能会出现接触不良现象，从而导致电力系统在运行过程中形成多种危险事故。出现大量灰尘或受潮现象也是导致节约能力下降的重要因素之一，甚至部分电力设备在运行中所出现的爬电现象也具有一定危险性，将在系统运行过程中形成安全隐患，随时可能引发严重事故。

（四）操作因素

断路器在10kv开关柜中需要面临较大电流及电压影响，通常作为一次性主体设备进行使用时，可能会出现柜体机械强度不够、不耐久、操作不当等问题，从而可能会在电动力的作用下产生电弧或爆炸等危险情况。在操作过程中如果对结构完整性产生破坏影响，则可能会在动静触头插入标准程度不足、接触电阻过大等情况，从而诱发各种危险故障产生不良影响。一旦出现卡涩或部件变形等现象，则表明操动机构或传动系统发生故障，另外，如果因电气控制及辅助回路产生故障问题，则会导致保护装置无法正常控制运转^[3]。

（五）五防产生隐患

现阶段所应用的五防措施中，包括机械连锁及五防程序锁、电磁锁三种方式。机械连锁主要以控制开关、接地隔离开关、网门关闭为主要目的。比如程序锁在应用过程中作为所有操作步骤的重要连锁，电子锁则在应用过程中观察是否带电并锁闭网门。多种闭锁方式在应用过程中具有独特作用，可在系统运行过程中实现配合使用效果。但也需注意控制配合使用过程，过于重复使用会使工作量加大，从而呈现操作繁琐状况，与五防逻辑并不相符。

三、开关柜故障防范措施

（一）强化开关柜整体绝缘

开关柜的实际质量需要进行严格把关，才可符合实际生产及性能应用要求。因此，在生产制作期间应注意选择良好材质，需要在满足良好绝缘性特点的同时，所选材质的其他参数也应达到使用要求，在装配期间应由专业技术人员负责，在完成工作任务的同时对其进行适当保护

^[4]。

（二）对开关柜的设计方案进行优化

在选择设计方案时应进行详细筛选，在正常运转过程中经历多种测试考验其性能，在确认其散热性能及开关柜的安装固定符合要求后使用，可有效提升实际质量，确保后续运行过程中的稳定性。

（三）重视检查工作的开展

在工作中应注意合理安排维护检测时间，在维护工作中如果发现问题情况，应分析判断其产生原因并制定相应处理措施。在检修期间必须保持高度责任意识，确保各类细节性问题得到妥善处理，可确保后续使用期间降低安全隐患发生概率。

四、常用监测方法

（一）使用位移传感器

可在直线位移测量工作中可使用的传感器类型较多，比如差动电容式、差动变压器室等多种类型均可发挥重要作用，但在测量断路器触头的行程曲线时需要考虑安装问题，由于上述几种传感器类型在安装方面存在一定困难，因此，需探索更加有效的测量方案^[5]。

（二）使用感应式位置传感器

这种传感器的应用时可在监测断路器分合位置发挥作用，由于这种传感器在安装时位于操作机构的可动部分，只能通过测试平均速度的方式进行测量，并统计断路器开断次数。（详见图1）

图一·为温度报警方法

（三）使用温度传感器

这种传感器可测量母线连接处的温升，使用传感器以及光微硅温度传感器等类型，感温元件材料在选用石英晶体及硅片后，将光纤作为传输介质解决电磁干扰问题。

五、监测与诊断总体设计

（一）SCADA系统

SCADA系统在运行过程中，通过监控主机及电量检测仪、变送器等设备的连接运行，可通过网络传送的方式将用电回路瞬时电量等情况传送至监控中心。利用中心计算机构建实时状态数据库后，可通过组态软件对系统状态及后台数据进行分析，生成负荷曲线图及历史记录列表等收集资料，可在开场负荷分析及运营计划定制等方面赋予智能化管理特点。

（二）模块化监测

开关柜监测系统可以将SCADA作为工作开展基础，完成湖光监测及关键位置温度监测等各项重要工作。

（三）弧光监测

电弧所产生的能量极高，最高可达到60MW。由于其所具有的危险性较高，在对其产生原因进行分析时发现具有多种可能。比如误入带电隔间或隔离开关误操作、忘记接地、设备检修后开关设备内遗漏公路、错误接线等多方面原因，均有可能引发较为严重的可怕后果。

弧光传感器可在安装时选择不同位置实现保护分区功能，可在开关柜的不同位置定位故障点，在尽量减少停电处理时间的情况下提升供电恢复速度。弧光保护可起到连续监测作用，比如爬墙及电运动情况较为严重时可及时预警，通过连续监测微弱信号的方式防止发生危险事故。

（四）温湿度监测

高压开关柜在工作过程中所处环境较为特殊，高电压和大电流状会导致设备持续发热产生异常高温，如果在发生此类情况时未及时采取相应措施进行控制处理，将有可能会在设备运行过程中发生爆炸的危险事故。动静触头作为高压开关柜中出现故障概率较高环节，经常受大电流影响形成故障现象。高压开关柜的主要故障通常因接触不良引起，在接触电阻增大导致发热情况严重后，使接触面快速氧化形成严重的故障，对供电系统的正常运行及安全程度影响极大^[6]。

（五）漏电流监测

开关柜内所安装的避雷器可能会随着时间增长出现老化，比如在长期承受的电压的情况下，会使金属氧化锌避雷器内部阀片老化受潮，导致其性能受损后增加漏电流。漏电流情况严重时刻可使阀片温度过高，甚至产生爆炸事故产生较大危害。

六、故障诊断技术

（一）依照经验进行故障诊断

现阶段较为成熟的故障诊断技术主要分为两种，依照经验诊断故障的方式主要以参考阈值规范标准及波形判断、指纹诊断为主要判断方式，通过进行观察相关数值及物理变化的方式判定故障问题。

（二）基于规则的故障诊断

这个故障判断方式主要以逻辑诊断法、模糊诊断法、统计诊断法作为依据，但在判断过程中并不能够保证其精准可靠，在进行统计诊断时还需进行实验，才可确认最终诊断结果。

七、高压开关柜的特性及故障关系

（一）结构的多样性特点

高压开关柜内部包括多种不同元件，包括电、磁及温度多种不同类型，因此一旦出现故障问题，所产生的表现形式差别极为明显，由于不同元件在使用过程中所可能出现的故障问题较多，在进行在线监测工作时需要根据故障现象做出合理判断，才能够在确认故障原因及表现特点的情况下，合理选用不同处理方式进行控制处理。比如在出现故障情况时，发现母线温度较为异常，通常是由于连接处电阻过大从而产生的故障现象。在绝缘拉杆出现故障问题时，通常会出现绝缘性能降低现象，由于多种故障问题的发生形式各有不同，在选择传感器时容易产生较大难度，所选的传感器类型及数量等多方面十分重要，可能会在确定最终故障问题产生干扰影响。（详见图2）

图二·为开关柜安装业务流程图

（二）工作状态的多样性

工作状态在不同场合中也会产生较大区别，由于开关柜的所处场合可能存在不同，比如断路器的使用方面，有些断路器在使用过程中所出现的接通及断开次数较为频繁，而部分断路器在使用过程中几乎不会进行切断使用。从而在多次进行监测工作时，所产生的工作状态差异较为明显，在对断路器进行监测并采取果断措施，才可在后续工作开展期间获取非线性映射关系

^[7]。

八、检修维护高压开关柜的注意事项

（一）保持良好运行环境

运行环境的良好程度对高压开关柜的正常运行具有一定保护作用，如果环境条件较差，会使电率逐渐减弱，在形成较大电阻情况后导致母线出现氧化及高温故障。如果运行环境所处温度过高，很可能会在内部所有元件的实用性能方面产生影响，为尽量延长其使用寿命，应在整体绝缘性方面进行适当管控。如果所处环境处于高海拔地区，需要通过改善调整的方式规避不良事件，及时解决所出现的各种因素，保证整体运行环境的安全性。

（二）重视质量检修维护工作

长时间的运行可能会使柜体质量出现下降影响，在日常开展检修维护工作时应重点检查系统运行情况，及时排查各种故障问题或隐患，如果在检查期间发现开关劣化，需要在定期进行维护修理时注意防尘及防锈等各项工作开展情况，通过采取相应措施进行清理，可有效减少大量积灰或湿气过重现象，同时应尽量减少杂物混入的可能性，确保所有元件使用过程中保证其工作质量^[8]。

（三）重视绝缘性能

在运行过程中，如果所处环境条件不符合适宜条件，会在绝缘距离与空气间隙得到适当控制的情况下，保证其稳定运行效果，相关人员需要在开展工作时遵守相信规范，并做好防护措施保证系统运行过程的安全性，从而可在保证绝缘距离处于适宜范围内后配合施工，在杜绝各类隐患问题发生的情况下，使系统在运行中的安全稳定性得到明显提升。

（四）重视柜体的封闭性

柜体的防护措施在应用期间，首先应注意柜体的防护性提升问题，可在运行过程中保证内部密封性效果，降低母线及电缆等重要设备的运行风险，并在适当范围内设置减压阀，并增加排气通道的设计，可有效减少多种危险因素的产生概率。为防止出现触电事故，应在插头插孔位置增加绝缘设置，防止产生触电事故造成不良安全。另外，在提升加工质量的同时，应注意提升机械性运作的可靠性，提升开关柜的密封效果，控制潮湿空气或灰尘的干扰影响。

九、结束语

供配电系统在运行的过程中，必须保证其安全性和稳定性达到系统设定要求，才能够在高压开关柜等重要设备的使用过程中，尽量保持其稳定运行状况，并在监测与故障诊断技术的应用过程中逐渐提升其可靠性，可在未来发展应用期间创造良好应用基础，满足电网运行过程的安全要求，在设备运行过程中及时开展维护管理工作，减少各种危险因素发生概率。

参考文献：

[1]郭昊坤,吉先柏,吴军基,马青,朱景,赵恩成.高压开关柜内监测装置电源的研究与设计[J].智能电网,2017

[2]张小建.浅析10kV高压开关柜检修维护注意事项[J].城市建设理论研究(电子版),2018:7.

[3]杨克为.变电站高压开关柜的故障监测及诊断技术[J].电工技术,2017

[4]邹丽,秦东阳,龚成勇,阿米娜,阿布来提.探讨10kV高压开关柜故障及设备质量监督[J].工业C,2016:261.

[5]熊辉;汪晶华;.10kV高压开关柜故障分析[J].科技创新导报,2019:46-47.

[6]李姗姗,汪作付.高压开关柜故障分析与防范对策[J].建筑工程技术与设计,2018:2220.

[7]周宗庆.电力高压开关柜绝缘故障的分析[J].电子测试,2018:81-82.

[8]张群.高压开关柜绝缘故障分析与处理[J].科技尚品,2017