高压开关柜的故障类型及其诊断方法

电网故障诊断结课报告

学院：电气工程学院 班级：电气SY13 学号：130801121 姓名：杨雷

高压开关柜的故障类型及其诊断方法

一、开关柜概述

高压开关柜是电力系统中的重要电力设备，其运行可靠性关系到整个电网的安全稳定及城市供电的可靠性。高压开关柜是电网中最重要的设备之一,主要是接受和分配网络电能,对电网线路实行控制、监视、测量及保护。

高压开关柜（switchgear）的主要作用是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的部件主要有断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等组成。

高压开关柜的分类方法很多，如通过断路器安装方式可以分为移开式开关柜和固定式开关柜；或按照柜体结构的不同，可分为敞开式开关柜、金属封闭开关柜、和金属封闭铠装式开关柜；根据电压等级不同又可分为高压开关柜，中压开关柜和低压开关柜等。主要适用于发电厂、变电站、石油化工、冶金轧钢、轻工纺织、厂矿企业和住宅小区、高层建筑等各种不同场合。

(一)户外式及户内式

从高压开关柜的安置来分，可分为户外式和户内式两种,10KV及以下多采用户内式。根据一次线路方案的不同,可分为进出线开关柜、联络油开关柜、母线分段柜等。10KV进出线开关柜内多安装少油断路器或真空断路器,断路器所配的操动机构多为弹簧操动机构或电磁操动机构,也有配手动操动机构或永磁操动机构的。不同的开关柜在

结构上有较大差别,这将影响到传感器的选择和安装。

(二)固定式及移开式

从高压开关柜的使用来分，可分为固定式和移开式。以前，发电厂的厂用电系统习惯采用移开式开关柜，而供电系统用固定柜较多。随着科学技术的进步和新产品的不断开发成功，很多习惯用法也在发生变化。例如金属铠装移开式开关柜就是在固定式开关柜的基础上发展起来的。金属铠装移开式开关柜为全封闭结构，各功能小室相互隔开，正常操作性能和防误操作功能百加完善和合理，检修方便，其运行的安全可靠性大为提高。

二、高压开关柜的故障类型

（一）绝缘放电故障

开关柜放电的原因主要是绝缘件或绝缘间隙的绝缘强度低于外加电压时就发生放电，甚至发生绝缘击穿事故。开关柜放电属于电气设备中的隐患，其破坏过程体现出缓慢性、长期性的特点。开关柜放电分为内部放电和外部放电，内部放电主要是由于设备加工不良造成的，比如绝缘件浇注不良；外部放电包括分为电晕放电、沿面放电、内部放电、悬浮电位放电。

开关柜放电故障频发的是母线排对穿柜绝缘套管放电故障，放电原因是母线排或者绝缘套管在加工过程中质量不佳或者是安装过程中工艺不符合标准规范，均压弹簧片变形使得均压弹簧片与绝缘套管内壁无法接触，造成均压弹簧片对绝缘套管的点放电，烧坏绝缘套管。

（二）拒动、误动故障

这种故障是高压开关柜最主要的故障，其原因可分为两类。一类是因操动机构及传动系统的机械故障造成，具体表现为机构卡涩，部件变形、位移或损坏，分合闸铁芯松动、卡涩，轴销松断，脱扣失灵等。另一类是因电气控制和辅助回路造成，表现为二次接线接触不良，端子松动，接线错误，分合闸线圈因机构卡涩或转换开关不良而烧损，辅助开关切换不灵，以及操作电源、合闸接触器、微动开关等故障。

（三）过热故障

封闭式开关柜在运行中不能打开，因此难以测量柜内触头的实际温度，如果触头过热缺陷不能及时发现并处理，会严重威胁到电力安全生产。开关柜过热通常是由于过流或者电阻增大发热造成的，过热点通常发生在手车的梅花触头、电流互感器以及出线电缆头等。

开关柜手车开关长期在满负荷运行，合闸时动、静触头间有间隙，接触的点、面少，过流时固定静触头与夹紧弹簧的螺栓和夹紧弹簧参与分流、导电，造成螺栓烧断或者触头发热引起梅花触头的弹簧变形而失去弹性，接触电阻变大，运行中发热烧熔，烧损触头周围的绝缘件，最终绝缘击穿，造成触头相间短路故障。

（四）开断与关合故障

开断与关合故障是由断路器本体造成的，对少油断路器而言，主要表现为喷油短路、灭弧室烧损、开断能力不足、关合时爆炸等。对于真空断路器而言，表现为灭弧室及波纹管漏气、真空度降低、切电容器组重燃、陶瓷管破裂等。

高压断路器开断与关合短路故障时，都会出现电弧。关合与开断

的电流越大电弧越强烈，工作条件也越严重，尤以开断为甚。开断与关合故障主要集中在 7.2～12kV电压等级上。主要原因为喷油短路、灭弧室烧损、开断能力不足、关合时爆炸等。近年来，真空断路器开断关合故障上升，应引起注意。

少油和真空断路器出现开断与关合故障较多。少油断路器发生故障主要是因为喷油短路烧损灭弧室，导致断路器开断能力不足，在关合时发生爆炸。真空断路器发生故障主要是因为真空灭弧室真空度下降，导致真空断路器开断关合能力下降，引起开断或关合失败。 SF6断路器发生故障主要是由于SF6气体泄漏或者微水含量超标引起灭弧能力下降。

（五）载流故障

72～12KV电压等级发生的载流故障主要原因是开关柜隔离插头接触不良导致触头烧融。

（六）外力及其他故障

包括异物撞击，自然灾害，小动物短路等不可知的其他外力及意外故障的发生。

三、高压开关柜的监测与诊断方法

针对高压开关柜的不同故障类型，相应有不同的故障检测方法：

（一）机械特性在线检测

其监测的内容有：合、分闸线圈回路，合、分闸线圈电流、电压，断路器动触头行程，断路器触头速度，合闸弹簧状态，断路器动作过中的机械振动，断路器操作次数统计等。

目前，断路器机械状态监测主要有行程和速度的监测，操作过程中振动信号的监测等。断路器操作时的机械振动信号监测是根据每个振动信号出现时间的变化、峰值的变化，结合分、合闸线圈电流波形来判断断路器的机械状态。机械性能稳定的断路器，其分、合闸振动波形的各峰值大小和各峰值间的时间差是相对稳定的。振动信号是否发生变化的判别依据是对新断路器或大修后的断路器进行多次分、合闸试验测试，记录稳定的振动波形，作为该断路器的特征波形“指纹”，将以后测到的振动波形，与“指纹”比较，以判别断路器机械特性是否正常。将健康振动信号和断路器实际振动信号波峰幅值之差形成的残差以及冲击事件发生的时间作为断路器故障诊断的特征参数，来判断断路器是否故障及故障类型。对断路器合闸时的振动信号首先进行小波去噪处理，提纯有用信号。然后利用Hilbert变换提取信号包络，对包络进行小波变换取得各尺度上的信号波形。最后根据小波变换各尺度上模极大值的传递性来计算信号包络波峰的奇异性指数，以此作为断路器故障诊断的一种特征参数，是一种新颖而比较有效的方法。

行程－时间特性监测是指通过光电传感器，将连续变化的位移量变成一系列电脉冲信号。记录该脉冲的个数，就可以实现动触头全行程参数的测量；同时，记录每一个电脉冲产生的时刻值，就可计算出动触头运动过程中的最大速度和平均速度。因此测得断路器主轴连动杆的分合闸特性，即可反映动触头的特性。监测储能电机负荷电流和启动次数可反映负载(液压操作机构)的工作状况，也可判断电机是否正常，同时反映液压操作机构密封状况。

（二）绝缘性能在线监测。

高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁。根据1989～1992年间全国电力系统6～10ｋＶ开关柜事故统计,绝缘和载流引起的故障占总数的40.2%，其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的79.0%。而由于隔离插头接触不良造成的事故占载流事故总数的71.1%。可见，由绝缘和接触不良导致的故障所占比率是很高的，宜采取适当的方法进行监测。在上述情况下，在事故潜伏期都可能产生放电现象，故可以通过对放电的监测得到相关的信息。

通常采用的监测方法有交流泄露电流在线监测和介质损耗角正切在线监测方法，使用射频法对开关柜内的绝缘和接触不良的在线监测技术进行了探索。

（三）温度在线监测

温度在线监测包括母线连接处的温度及断路器触头温度在线监测。用于母线连接处温升测量的常用传感器有石英传感器、光微薄硅温度传感器和吸收型光纤温度传感器，它们分别以石英晶体、硅片及玻璃构成的Ｆａｂｒｙｐｅｒｏｔ槽和ＧａＡｓ晶体作为感温元件，以光纤作为传输介质，这就有效地解决了电磁干扰问题。Fabry-perot光微薄硅温度传感器在线测温技术，该技术已在变电站设备的状态监测技术中应用。由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前测温工作方式基本上采用被

动式测温或主动式测温两种形式。被动式测温采用接收被测量点幅射出的远红外波，通过判断远红外波长来确定测量点温度；而主动式测温则是通过埋设在测量点的温度传感器直接测量温度。还有一种采用红外光电隔离及高压供电方式测量触头温度的方法，通过选择适当的抗干扰措施及元器件能使监测仪既有较好的技术性能，成本又能保持在较低的水平上。

（四）电气性能在线监测

电气性能在线监测包括断路器开断电流加权值、灭弧室真空度等的监测。利用不同开断电流下的等效磨损曲线，累计每次电流开断所对应的相对电磨损，每台断路器的允许电磨损总量由其额定短路开断电流及允许开断满容量次数来标定，采用触头累积磨损量作为判断其电寿命的依据。对真空度的在线监测方法有很多，目前，国内外真空灭弧室真空度的在线检测方法主要有:光电变换法、耦合电容法、三相桥法与电弧电压法、电阻应变片法、微型冷阴极磁控计法、吸气剂膜法还有一种通过测量屏蔽罩的直流电位，即屏蔽罩上积聚的静电荷数量来在线检测真空度的新方法。该方法使用了旋转式电场探头，在电场探头离开屏蔽罩125mm时，仍具有较高的测量灵敏度。 （五）以温度在线监测为例分析其结构框图

如下图所示,高压开关柜温度监测系统的基本组成部分包括: 下位机（或叫前端机）和中心预警平台。

（1）无线温度采集器:简称采集器,负责采集监测点的温度数据,并通过无线方式把采集数据发送出来。

（2）数据收发终端:简称终端,负责收集无线温度传感器发出的温度数据,并把所收集的数据通过网络方式上传到测温管理主机。

(3)测温管理机:简称主机或工作站,负责对数据收发终端进行工作参数设定,自动周期地从终端中读取所接收的测温数据,并对数据进行分析,发现超过警戒的温度或温度发生异常波动则实时报警。测温数据可在计算器中作长期存储记录,供随时查询显示.

经过对实际需求的分析,系统设计为1个测温管理机最多管理32个数据收发终端1个数据收发终端最多管理200个无线温度采集器。也就是说1个主机可管理6400个无线采集器.这基本上可以满足一个220KV变电站的应用要求。

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