「創新研發」GIS隔離開關機械性能在線監測系統的開發與應用

本文介紹了基于振動、驅動電機電流、分合閘位置等參數開發的 GIS 隔離開關機械性能在線監測系統，該系統主要由加速度傳感器、電流傳感器、可視化監控裝置、數據采集系統、分析軟件構成?，F場應用結果表明，本系統可準確、全面地評價隔離開關運行狀態，確保隔離開關、GIS、電網的安全穩定運行。

隔離開關是氣體絕緣金屬封閉開關設備 (Gas-Insulated Switchgear, GIS) 的重要組成部分，主要用于隔離電源、承載和切斷電流電路，與接地開關共同實現對高壓輸電線路和電氣設備的控制、保護和檢修。在合閘位置時，隔離開關可承載線路額定電流及在規定時間內的異常電流；在分閘位置時，隔離開關的觸頭間有符合要求的絕緣距離和明顯的斷開標志，確保檢修時人員和設備的安全。GIS 隔離開關在電網中的應用十分廣泛，利用 SF6 氣體良好的絕緣特性，實現電氣隔離，具有小型化、安全性、可靠性、整體性設計的特點。然而，由于在材料、工藝、設計、安裝等方面存在的問題，以及頻繁動作時產生的電氣老化、機械磨損等缺陷，GIS隔離開關故障率不斷升高，嚴重影響氣體絕緣金屬封閉開關設備和整個電力系統的安全穩定運行。因此，在線監測 GIS 隔離開關、實現故障前預警，對提高設備和電網的可靠性具有重要意義。

傳統的 GIS 隔離開關在線監測主要是基于傳感器、紅外熱像等技術的溫度檢測，該方法不能準確、全面地反映隔離開關的運行狀態，現場實際應用時具有一定的局限性。本文提出了基于機械性能的隔離開關在線監測與診斷技術，通過實時監控隔離開關振動、驅動電機電流、分合閘位置等參數，結合智能分析軟件，實現隔離開關運行狀態的全方位評價，確保隔離開關、GIS、電網的安全穩定運行。

| 系統開發 

系統原理

GIS 隔離開關在分合切換動作過程中伴隨機械加速度，在線監測技術主要利用機械加速度分析法、驅動電機電流分析法、開關分合閘位置，對 GIS 隔離開關的運行狀態進行實時監測。根據加速度波譜的異常分析，結合驅動電機電流分析技術，能夠檢測隔離開關的運動軌跡、時間序列、控制繼電器、驅動電機、潤滑等項目。本檢測方法主要針對于 GIS 隔離開關的械性能檢測，適用于停電或帶電運行狀態下的檢測，彌補了傳統 GIS 隔離開關檢測的不足，從而更加有效、完備地反應 GIS 隔離開關運行狀況。同時，采集到的有效數據可傳輸至數據管理中心，數據管理、存儲、分析后，更直觀的展現了 GIS 隔離開關的機械運動特征，使得更容易判別 GIS 隔離開關的故障類型。

系統構架

結合國家電網泛在電力物聯網建設要求，GIS 隔離開關機械性能在線監測系統共劃分為 5 層，從底層到頂層依次為傳感層、采集層、傳輸層、數據處理層、應用層。系統構架如圖 1 所示，各部分功能如下：

傳感層：傳感層為系統最底層，將需要捕獲的信號統一處理成電信號以便采集層采集。

采集層：將傳感層轉換后的模擬電信號，經由信號調理電路、AD 轉換器處理后，變成離散的數字信號，方便傳輸、運算、存儲。

傳輸層：傳輸層承擔著將采集層的數據送到數據服務器的作用，它可以經由蜂窩網絡傳輸，也可以由專網傳輸。

數據處理層：實現大數據以及人工智能的核心板塊，由大型數據庫（包含關系型和神經網絡型）、智能算法組成，承擔著用戶訪問、數據接收、數據分析、數據處理、數據查看等重要任務。

應用層：為用戶提供了友好的操作界面，采用 B/S 架構模式，用戶可查看 GIS 隔離開關的監測數據、歷史數據統計等內容。

系統構成

系統硬件部分主要包括壓電式加速度傳感器、電流傳感器、 可視化監控裝置、 數據采集系 統。壓電式加速度傳感器集成電荷放大器的，將振動加速度信號轉換成正比的電壓信號，其檢測頻段為1Hz ～ 20kHz。采用電流傳感器將驅動電機電流信號轉換成電壓信號，使用微型卡扣式結構域，其檢測頻段為 10Hz ～ 200kHz?？梢暬O控裝置用于實時監控隔離開關分合閘位置。數據采集系統主要由數據采集模塊、信號處理模塊、電源模塊、USB 信號傳輸模組成。

系統軟件部分包括遠端后臺管理部分、變電站系統信息管理、故障在線監測趨勢曲線分析、信息告警、系統診斷功能（機械振動、電流包絡圖，重合度、ATF 診斷圖等）、報表生成等功能。

| 現場應用

GIS 隔離開關機械性能在線監測系統開發、調試后，在國家電網、南方電網多個示范項目中投運使用?？稍诰€實時監控隔離開關聲學振動高幅值關鍵特征、聲學振動脈動關鍵特征、分合動作時間、電機峰值電流、電機電流燃弧時間、電流抖動等參數，結合智能分析軟件，準確、全面地監測 GIS 隔離開關運行狀態。圖 2 為于國家電網山東省電力公司某 220kV 變電站的現場傳感器安裝、設備調試及軟件界面圖片。

隔離開關動作時，振動信號和電流信號典型波形如圖 3 所示。測試結論如下：

電機啟動電流一般是其運行電流的 4 ～ 7 倍，且在停止時交流接觸器存在拉弧，以上均屬于正?，F象。需定期檢查或更換交流接觸器，以防因交流接觸器接觸不良導致電機拒動作。

連桿轉動機構的隔離開關，在分到合、合到分動作過程中，電流的變化趨勢不同。分到合過程中，電流變大；合到分過程中，電流變小。從電流變化過程的持續時間，能判斷出觸頭接觸深度。多組 GIS 隔離開關電流大小、持續時間基本一致，過度均勻，說明隔離開關的電動及連動機構無異常，齒輪不缺齒。振動信號幅值均勻，機械機構無大阻力卡澀等問題。

彈簧型驅動型機構的隔離開關，在分合過程中，電流持續變大，通過電流持續變大的時間和電流大小可以判斷彈簧壓縮長度和彈簧力度性能。此類隔離開關在機構動作尾部有振動信號階躍現象，發生時間同儲能電機儲能完畢時間相對應，說明機構動作靈敏、無延遲，機構良好。

 | 結論與展望

為確保 GIS 隔離開關安全穩定運行、克服傳統檢測方法的局限性，本文介紹了基于振動聲學、驅動電機電流、分合閘位置等參數的機械性能在線監測系統，適用于停電或帶電運行狀態下 GIS 隔離開關性能分析與評估。系統由傳感層、采集層、傳輸層、數據處理層、應用層構成，符合國家電網泛在電力物聯網建設要求，具有推廣價值，為電力系統安全穩定運行保駕護航。

參考文獻：

[1] 王昌長，李福祺，高勝友，電力設備的在線監測與故障診斷 [M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[2] 黃新波，變電設備在線監測故障診斷 [M]. 北京：中國電力出版社，2012.

[3] 陳天翔，王寅仲，溫定筠，海世杰，電氣試驗 [M].北京：中國電力出版社，2015.

[4] 立中祥，宋建成，高壓隔離開關觸頭溫度在線監測系統的研制 [J]. 高壓電 器，2009，45(2):11-13.

[5] 王園園，張希捷，雷蓓，等 , 高壓隔離開關位置在線監測 [J]. 解決方案，2014, 11:82-85.

[6] 楊武，王小華，榮命哲，賈申利，基于紅外測溫技術的高壓電力設備溫度在線檢測傳感器的研究[J]. 中國電機工程學報，2002, 22(9):113-117.