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2017年國(guó)家電網(wǎng)公司牽頭智能運(yùn)檢體系建設(shè)，發(fā)布《智能運(yùn)檢白皮書》，全力推動(dòng)電力檢修方式從傳統(tǒng)計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修的積極轉(zhuǎn)變，致力于打造以狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)為基礎(chǔ)、以故障有效診斷和決策為輸出的智能運(yùn)檢體系。

在眾多電力設(shè)備中，高壓隔離開關(guān)應(yīng)用規(guī)模、故障次數(shù)均位列高壓輸變電設(shè)備榜首。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2015年開關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，全國(guó)高壓隔離開關(guān)設(shè)備在運(yùn)368454套，常與斷路器配合使用，以便形成明顯斷口，確保斷電的可靠性。

而戶外隔離開關(guān)因?yàn)楣ぷ髟陂_放環(huán)境中，經(jīng)歷不同天氣狀況，伴隨空氣中灰塵、粉塵等顆粒污染物的長(zhǎng)期堆積，疊加了需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝調(diào)試的不確定性，以及相關(guān)研發(fā)投入不足、性能提升緩慢的市場(chǎng)現(xiàn)狀，使得隔離開關(guān)故障率居高不下。

而且隔離開關(guān)數(shù)量多、分布廣，隨著用電負(fù)荷的日益增長(zhǎng)，隔離開關(guān)年久失修引起的事故占比越來越高，對(duì)電網(wǎng)造成巨大影響，例如廣東電網(wǎng)某500kV變電站“4.10”事件及某500kV變電站“4.11”事件，均是因?yàn)闆]有及時(shí)發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)存在隱患，最終造成大面積停電。

據(jù)國(guó)網(wǎng)公司開關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，2015年72.5kV及以上隔離開關(guān)發(fā)生缺陷7682臺(tái)?次；浙江電網(wǎng)2014年在役110kV及以上開放式隔離開關(guān)32934臺(tái)，2006年~2014年發(fā)生故障3777起，其中銹蝕、觸頭發(fā)熱、卡澀等典型故障共發(fā)生2664起，占總故障的70％以上；2008年~2016年，云南電網(wǎng)110kV及以上電壓等級(jí)的隔離開關(guān)一共發(fā)生357起缺陷故障，其中機(jī)械故障缺陷占比54.62%；2019年，江西電網(wǎng)在役110kV及以上隔離開關(guān)35881臺(tái)，其中220kV及以上隔離開關(guān)全年發(fā)生嚴(yán)重及以上缺陷57處，占變電設(shè)備的43%。

而隔離開關(guān)現(xiàn)行檢修方式依舊以計(jì)劃?rùn)z修為主，其判斷在很大程度上依賴運(yùn)維人員經(jīng)驗(yàn)，如《隔離開關(guān)和接地開關(guān)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》要求對(duì)隔離開關(guān)各部件是否存在缺陷逐一判斷和打分，但判斷手段模糊且無法同時(shí)診斷多種故障，操作性差。

隨著智能運(yùn)檢的發(fā)展與推進(jìn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)隔離開關(guān)的狀態(tài)檢修開展系列研究。

有的學(xué)者基于隔離開關(guān)分合閘軌跡判斷隔離開關(guān)是否正常，如王黎明等歸納出基于隔離開關(guān)主軸轉(zhuǎn)角特性的故障診斷方法；馬宏明等將此方法應(yīng)用于折疊式隔離開關(guān)，取得一定效果。這種方法直觀明晰，但對(duì)于不改變隔離開關(guān)運(yùn)動(dòng)特性的輕微卡澀等機(jī)械故障，不能有效識(shí)別。

李少華等通過振動(dòng)信號(hào)與各狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的相似程度來判斷隔離開關(guān)狀態(tài)，隨后采用ReliefF算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障類型、位置診斷；JiaYongyong等通過振動(dòng)信號(hào)判斷氣體金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）內(nèi)隔離開關(guān)合閘狀態(tài)。

振動(dòng)信號(hào)也是目前對(duì)斷路器機(jī)械缺陷診斷的主流研究方向，但振動(dòng)信號(hào)僅對(duì)零件松動(dòng)和間歇性接觸等故障敏感，對(duì)卡澀、不同期等常見故障無明顯特征，且檢測(cè)結(jié)果受傳感器安裝位置影響大，穩(wěn)定性和通用性不高。

考慮到電機(jī)是隔離開關(guān)的動(dòng)力來源，許多學(xué)者提出將電機(jī)電流作為隔離開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的在線檢測(cè)狀態(tài)量。王黎明提出利用電機(jī)電流時(shí)間特性及電機(jī)功率轉(zhuǎn)角特性診斷隔離開關(guān)機(jī)械故障的設(shè)想，但尚未進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證；劉賢杰等以電流信號(hào)為判斷標(biāo)準(zhǔn)防止電機(jī)過載及支柱絕緣子斷裂，但并未進(jìn)行定量分析；邱志斌和PengTao等推導(dǎo)了電機(jī)電流與操作力矩的函數(shù)關(guān)系，通過電流幅值及時(shí)間點(diǎn)判斷隔離開關(guān)是否卡澀，但電機(jī)電流信號(hào)在隔離開關(guān)機(jī)械故障診斷中尚無實(shí)際應(yīng)用，且在電流信號(hào)的特征提取和智能診斷方面缺乏深入研究。

針對(duì)隔離開關(guān)機(jī)械故障頻發(fā)，對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，且缺乏有效檢測(cè)診斷方法的現(xiàn)狀，國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院等單位的研究人員，為對(duì)操作力矩進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，研制了電機(jī)式操作力矩檢測(cè)裝置，并通過剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過模擬合閘不到位、卡澀和三相不同期三種典型機(jī)械缺陷，分析總結(jié)操作力矩在不同機(jī)械狀態(tài)下變化規(guī)律。

圖1 手柄式操作力矩檢測(cè)裝置及測(cè)量結(jié)果

圖2 電機(jī)式操作力矩檢測(cè)裝置及測(cè)量結(jié)果

他們從波形中提取嚙合前力矩均值、嚙合角度、停止角度三個(gè)特征量，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型的輸入，實(shí)現(xiàn)缺陷智能判斷。再?gòu)奶卣髁恐蟹囱莩霰碚鞴收蠂?yán)重程度的故障量，使該診斷技術(shù)不僅能判斷正常、卡澀、三相不同期和合閘不到位四種機(jī)械狀態(tài)，還可輸出卡澀等級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)位相差角度，觸頭觸指間距離等與檢修標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)的故障量，為隔離開關(guān)檢修提供實(shí)用性參考。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖4 卡澀狀態(tài)模擬裝置

研究人員獲得的主要結(jié)論包括：

1）仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致表明，GW4型隔離開關(guān)正常狀態(tài)下合閘力矩波形表現(xiàn)為一小一大兩個(gè)典型波峰。

2）通過典型機(jī)械缺陷模擬試驗(yàn)力矩波形可知：合閘不到位缺陷主要影響合閘角度；卡澀缺陷使力矩值變大，合閘前力矩波形相似度和包絡(luò)線峭度也隨之改變，但角度相關(guān)特征量不變；三相不同期缺陷影響包絡(luò)線峭度、力矩最大值及最大值出現(xiàn)時(shí)間和嚙合角度。

3）本隔離開關(guān)典型機(jī)械缺陷智能診斷系統(tǒng)，以嚙合前力矩的平均值、嚙合角度和停止角度作為特征量輸入，可判斷隔離開關(guān)正常、合閘不到位、三相不同期、卡澀四種機(jī)械狀態(tài)，當(dāng)診斷為卡澀時(shí)，輸出卡澀級(jí)別；當(dāng)診斷為三相不同期時(shí)，輸出三相不同期量；當(dāng)診斷為合閘不到位時(shí)，輸出與標(biāo)準(zhǔn)合閘角度差值。

本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于操作力矩的高壓隔離開關(guān)機(jī)械缺陷智能診斷”，作者為彭詩怡、劉衍 等。