一种GIS用隔离开关机械故障检测方法及系统与流程

一种gis用隔离开关机械故障检测方法及系统
技术领域
1.本发明属于高压输变电开关设备技术领域，具体涉及一种gis用隔离开关机械故障检测方法及系统。


背景技术：

2.随着城市化、工业化发展速度的不断提升，我国社会发展对于电力资源的需求量进一步提升，对高压电器的需求量也逐渐增多。气体绝缘金属封闭开关设备(gis)是关键的高压电器，包括断路器、隔离开关、接地开关等设备，具有安全可靠、配置灵活、环境适应能力强、检修周期长、安装方便等优点，在高压、超高压和特高压电网领域被广泛应用。隔离开关作为gis的一种关键元件，其稳定性和可靠性对gis的正常安全运行起着至关重要的作用。
3.现有gis开关设备技术中，隔离开关(即gis用隔离开关)均采用辅助接点来确认分合闸位置，判别方法单一、不直观；并且在隔离开关长期运行后，因维护不当或自身质量问题，出现的传动环节阻力增大甚至卡滞等，容易造成隔离开关的动作特性变差，动作时间变长，分合闸速度降低，甚至拒动等严重后果，从而使得无法提前预知异常问题，降低机械故障监测的准确性。
4.综上，现有的机械故障检测方法的机械故障检测准确性较低。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法及系统，用于解决现有技术中机械故障检测方法的机械故障检测准确性较低的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，包括：
7.1)获取隔离开关的分合闸速度以及隔离开关用驱动电机的电压和电流信号；
8.2)根据分合闸速度，确定隔离开关所处的分合闸过程，其中，若分合闸速度由慢变快，则隔离开关处于分闸过程，若分合闸速度由快变慢，则隔离开关处于合闸过程；
9.3)在确定分合闸过程后，进而利用获取的电压和电流信号，得到对应的电压-电流波形图，计算电压-电流波形所形成的区域的面积，并称为区域面积；
10.4)判断所述区域面积是否处于对应的正常面积阈值范围内，若区域面积在正常面积阈值范围内，则隔离开关不存在机械故障，若区域面积不在正常面积阈值范围内，则隔离开关存在机械故障。
11.上述技术方案的有益效果为：利用获取的隔离开关的分合闸速度确定分合闸过程，在确定分合闸过程后利用获取的隔离开关用驱动电机的电压和电流信号，得到电压-电流波形所形成的区域的面积，通过区域面积与正常面积阈值范围的比较，确定隔离开关是否存在故障。在这种情况下，由于结合了速度与电压-电流波形形成的区域面积双重因素进行故障判断，提高了机械故障检测准确性，解决了现有技术中机械故障检测方法的机械故
障检测准确性较低的问题。
12.进一步地，为了更准确地获得分合闸过程下的区域面积，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括利用积分法计算电压-电流波形所形成的区域的区域面积。
13.进一步地，为了更好地获得正常分闸/合闸面积阈值范围，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括在步骤3)中，正常面积阈值范围计算方法包括：获取正常工作时的多个与确定的分合闸过程对应的过程的电压和电流信号，以获得对应的多幅正常工作时电压-电流波形图；计算各电压-电流波图所形成的区域的面积，选择最小的面积作为正常面积阈值范围的下限，选择最大的面积作为正常面积阈值范围的上限。
14.进一步地，为了降低电压波动造成的误判概率，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括驱动电机的工作范围为187v-242v。
15.进一步地，为了更好地获知隔离开关的故障类型，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括所述机械故障包括隔离开关卡滞造成的故障，隔离开关卡滞造成的故障对应卡滞故障面积阈值范围，卡滞故障面积阈值范围的下限大于对应的正常面积阈值范围的上限，若计算的区域面积在卡滞故障面积阈值范围内，则隔离开关出现卡滞故障。
16.进一步地，为了更好地获知隔离开关的故障类型，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括所述机械故障包括隔离开关空载造成的故障，隔离开关空载造成的故障对应空载故障面积阈值范围，空载故障面积阈值范围的上限小于对应的正常面积阈值范围的下限，若计算的区域面积在空载故障面积阈值范围内，则隔离开关出现空载故障。
17.进一步地，为了及时获知隔离开关发生故障，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括若gis用隔离开关存在机械故障，则进行声和/或光警报。
18.进一步地，为了更好地传输数据，本发明提供了一种gis用隔离开关机械故障检测方法，还包括在步骤3)后，还包括对获取的分合闸速度、驱动电机的电压信号和电流信号，以及机械故障判断结果进行数据上传，上传时采用标准modbus-rtu通讯协议通过rs485接口进行上传。
19.本发明还提供了一种gis用隔离开关机械故障检测系统，包括：信号采集设备、存储器和处理器；所述信号采集设备用于获取隔离开关的分合闸速度、以及隔离开关用驱动电机的电压和电流信号；所述处理器用于利用获取的分合闸速度、驱动电机的电压信号和电流信号执行存储在所述存储器中的指令，以实现上述的gis用隔离开关机械故障检测方法。
附图说明
20.图1是本发明的gis用隔离开关机械故障检测方法的流程图；
21.图2(a)是本发明的gis用隔离开关机械故障检测系统的结构示意图；
22.图2(b)为图2(a)中gis用隔离开关机械故障检测系统的左视图。
具体实施方式
23.本发明的基本构思为：利用获取的隔离开关的分合闸速度确定分合闸过程，在确定分合闸过程后利用获取的隔离开关用驱动电机的电压和电流信号，得到电压-电流波形所形成的区域的面积，通过区域面积与正常面积阈值范围的比较，确定隔离开关是否存在故障。在这种情况下，由于结合了速度与电压-电流波形形成的区域面积双重因素进行故障判断，提高了机械故障检测准确性。
24.为了使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
25.gis用隔离开关机械故障检测方法实施例：
26.图1是本发明的gis用隔离开关机械故障检测方法的流程图。
27.步骤一：获取隔离开关的分合闸速度以及隔离开关用驱动电机的电压和电流信号。
28.具体地，由于隔离开关电机负载的变化会引起驱动电机回路电流的变化，以及在隔离开关机构带动本体动作过程中，不同的运行阶段，负载是变化的，这些变化能够通过驱动电机回路的电压值、电流值和整个运行阶段的时间来反映，因此将驱动电机的电压值、电流值的变化和运行时间的变化作为本体动作位置状态的特征值和机械传动环节是否正常的特征值。通过采集驱动电机的电压值、电流值，并在后续通过对电压值和电流值的分析来判断传动回路是否出现机械故障。如图1所示，隔离开关用驱动电机的电压信号和电流信号由采集单元采集得到。其中，驱动电机的工作范围为187v-242v(即工作范围为220v的85％-110％)。
29.在步骤一中，采用穿心式把隔离开关机构的电机回路引出线穿过装置，该装置通过内部的电流互感器单元采集隔离开关机构的电机电流；同时把隔离开关机构的电机电源引入装置以便于装置采集隔离开关机构的电机电压。
30.在步骤一中，采集单元可以包括速度或角速度传感器，通过速度或角速度传感器采集隔离开关分闸/合闸过程中的分闸/合闸速度。采集单元还可以采集辅助接点信号(例如图1中的常开辅助接点信号)以获得隔离开关分闸/合闸过程中触点的位置信息，采集单元还可以采集分闸/合闸过程的运行时间，利用触点的位置信息和运行时间获得分闸/合闸过程中的分闸/合闸速度。
31.步骤二：根据分合闸速度，确定隔离开关所处的分合闸过程。
32.具体地，在步骤二中，若分合闸速度由慢变快，则隔离开关处于分闸过程，若分合闸速度由快变慢，则隔离开关处于合闸过程。例如若基于触点的位置信息获知触点的全程移动距离，将全程移动距离等分为二段，获取前半段移动距离的平均速度(即上半程速度)和后半段移动距离的平均速度(即下半程速度)，若上半程速度大于下半程速度的10％及以上时，则隔离开关处于合闸过程，反之即隔离开关处于分闸过程。
33.步骤三：在确定分合闸过程后，进而利用获取的电压和电流信号，得到对应的电压-电流波形图，计算电压-电流波形所形成的区域的面积。
34.在步骤三中，如图2所示，将获取的隔离开关用驱动电机的电压和电流信号，传输至分析计算单元。利用分析计算单元获得电压-电流波形图。其中若隔离开关处于合闸过程，则获得合闸过程的电压-电流波形图；若隔离开关处于分闸过程，则获得分闸过程的电
压-电流波形图。电压-电流波形图以电流为横轴，以电压为纵轴。利用积分法分别计算分闸/合闸过程对应的电压-电流波形所形成的区域的面积，并称为区域面积。由此，能够更准确地获得分合闸过程下对应的区域面积。
35.具体地，针对分闸/合闸过程对应的电压-电流波形的区域面积的计算步骤包括：
36.若隔离开关处于分闸过程，在分闸过程的电压-电流波形图中确定该分闸过程对应的电流范围；
37.过该电流范围的上下限点，做平行于电压轴的两条平行线，两条平行线包括过电流范围的下限点的第一平行线和过电流范围的上限点的第二平行线；
38.电流轴、两条平行线和电压-电流波形围成一个区域，利用积分法计算该区域的面积得到分闸过程的区域面积；
39.若隔离开关处于合闸过程，同理计算得到合闸过程的区域面积。
40.步骤四：判断区域面积是否处于对应的正常面积阈值范围内，若区域面积在正常面积阈值范围内，则隔离开关不存在机械故障，若区域面积不在正常面积阈值范围内，则隔离开关存在机械故障。
41.具体地，在步骤四中，正常面积阈值范围包括正常分闸面积阈值范围和正常合闸面积阈值范围。若隔离开关处于分闸过程，比较区域面积与正常分闸面积阈值范围，若隔离开关处于合闸过程，比较区域面积与正常合闸面积阈值范围。
42.在步骤四中，隔离开关的运行过程包括三种，分别为仅包括合闸过程、仅包括分闸过程或分合闸过程。在判断机械故障时，若隔离开关的运行过程仅包括分闸过程，则只需比较分闸过程的区域面积与正常分闸面积阈值范围，若分闸过程的区域面积处于正常分闸面积阈值范围内，则分闸到位，隔离开关不存在机械故障，若分闸过程的区域面积处于正常分闸面积阈值范围外，则隔离开关存在机械故障；若隔离开关的运行过程仅包括合闸过程，则只需比较合闸过程的区域面积与正常合闸面积阈值范围，若合闸过程的区域面积处于正常合闸面积阈值范围内，则合闸到位，隔离开关不存在机械故障，若合闸过程的区域面积处于正常合闸面积阈值范围外，则隔离开关存在机械故障；若隔离开关的运行过程包括分合闸过程，则需要比较分闸过程的区域面积与正常分闸面积阈值范围，以及合闸过程的区域面积与正常合闸面积阈值范围，若分闸过程的区域面积处于正常分闸面积阈值范围内、合闸过程的区域面积处于正常合闸面积阈值范围内均满足，则隔离开关不存在机械故障，若至少一个不满足，则隔离开关存在机械故障。在这种情况下，以隔离开关的驱动电机作为研究对象，把隔离开关正常情况下的电机电压和电流波形曲线做为参照标准，感知隔离开关驱动电机电压和电流曲线，并对电压和电流曲线的波形进行计算和分析处理。由此，通过速度和对波形状态量的识别，以便判断隔离开关是否正常。
43.在步骤四中，正常分闸面积阈值范围或正常合闸面积阈值范围计算方法包括：获取正常工作时的多个合闸/分闸过程的电压和电流信号，以获得对应的多幅正常工作时电压-电流波形图；计算合闸/分闸过程的各电压-电流波图所形成的区域的面积，选择最小的面积作为正常分闸/合闸面积阈值范围的下限，选择最大的面积作为正常分闸/合闸面积阈值范围的上限。由此，能够更好地获得正常分闸/合闸面积阈值范围。多个分闸/分闸过程的电压和电流信号的数据量较大，例如500个分闸/分闸过程的电压和电流信号。由此，通过对大量数据的计算和分析能够获得更加准确地正常分闸/合闸面积阈值范围。另外由于驱动
电机的工作范围为187v-242v。因此采集的正常工作时的多个合闸/分闸过程的电压信号位于187v-242v。在这种情况下，对于因电压变化造成的回路电流及动作时间的变化，不发生误判断，由此，能够降低后续电压波动造成的误判概率。
44.在步骤四中，计算分闸/合闸过程对应的区域面积前，还可以判断采集的电压信号是否位于工作范围(187v-242v)内，若在工作范围内，则继续计算区域面积，若否则判断隔离开关存在机械故障。
45.在步骤四中，隔离开关的机械故障包括隔离开关卡滞造成的故障。隔离开关卡滞造成的故障对应卡滞故障面积阈值范围。具体地，若隔离开关处于分闸过程中，隔离开关卡滞造成的故障对应分闸卡滞故障面积阈值范围。分闸卡滞故障面积阈值范围的下限大于正常分闸面积阈值范围的上限。若隔离开关处于合闸过程中，隔离开关卡滞造成的故障对应合闸卡滞故障面积阈值范围。合闸卡滞故障面积阈值范围的下限大于正常合闸面积阈值范围的上限。若隔离开关处于合闸/分闸过程时对应的区域面积在分闸/合闸卡滞故障面积阈值范围内，则隔离开关出现卡滞故障。由此，能够更好地获知隔离开关的故障类型，能够对隔离开关出现的卡滞故障造成的机构电机回路电流变化进行识别和判断。其中利用模拟卡滞故障时的多个合闸/分闸过程的电压和电流信号，获得电压-电流波图，计算对应的区域面积从而获得分闸/合闸卡滞故障面积阈值范围。
46.在步骤四中，隔离开关的机械故障包括隔离开关空载造成的故障。隔离开关空载造成的故障对应空载故障面积阈值范围。具体地，若隔离开关处于分闸过程中，隔离开关空载造成的故障对应分闸空载故障面积阈值范围。分闸空载故障面积阈值范围的上限小于正常分闸面积阈值范围的下限。若隔离开关处于合闸过程中，隔离开关空载造成的故障对应合闸空载故障面积阈值范围。合闸空载故障面积阈值范围的上限小于正常合闸面积阈值范围的下限。若隔离开关处于合闸/分闸过程时对应的区域面积在分闸/合闸空载故障面积阈值范围内，则隔离开关出现空载故障。由此，能够更好地获知隔离开关的故障类型，能够对隔离开关出现的空载故障造成的机构电机回路电流变化进行识别和判断。其中利用模拟空载故障时的多个合闸/分闸过程的电压和电流信号，获得电压-电流波图，计算对应的区域面积从而获得分闸/合闸空载故障面积阈值范围。
47.在本实施例中，正常分闸/合闸面积阈值范围、分闸/合闸卡滞故障面积阈值范围和分闸/合闸空载故障面积阈值范围可以存储在自学习数据库中。在计算得到区域面积后，将区域面积与自学习数据库中的各面积阈值范围进行比较，以便后续确定隔离开关是否存在机械故障。
48.在本实施例中，如图1所示，还包括对获取的分合闸速度、驱动电机的电压信号和电流信号，以及机械故障判断结果进行数据上传，先监控后台上传数据时采用标准modbus-rtu通讯协议通过rs485接口进行上传。由此，能够更好地传输数据。
49.在本实施例中，还可以输出硬接点故障告警信息，并通过rs485接口传输具体告警类别。如果装置自身出现故障或隔离开关机构出现故障时，装置通过自身的报警接点输出报警信号。
50.在本实施例中，如图1所示，还包括若gis用隔离开关存在机械故障，则输出报警信号，以及进行声和/或光警报。由此，能够及时获知隔离开关发生机械故障，若gis用隔离开关没有机械故障(即正常运行)，则输出正常信号。报警信号和正常信号也可以上传至监控
后台。
51.在本实施例中，若gis用隔离开关的数量为多台。在检测多台gis用隔离开关是否存在机械故障时，还可以采集辅助开关的变位信号，例如把隔离开关的1对常开辅助触点引入装置采集隔离开关变位信息。通过该辅助开关的变位信号来识别具体是哪台隔离开关的机构动作。
52.基于本实施例的gis用隔离开关机械故障检测方法，利用获取的隔离开关的分合闸速度确定分合闸过程，在确定分合闸过程后利用获取的隔离开关用驱动电机的电压和电流信号，得到电压-电流波形所形成的区域的面积，通过区域面积与正常面积阈值范围的比较，确定隔离开关是否存在机械故障。在这种情况下，由于结合了速度与电压-电流波形形成的区域面积双重因素进行机械故障判断，提高了机械故障检测准确性。在这种情况下，由于结合了速度与电压-电流波形形成的区域面积双重因素进行机械故障判断，满足设备位置“双确认”的判别要求，使得gis设备用隔离开关具备了机械故障和位置状态自感知的功能，能够提前预知和辨识gis用隔离开关的异常问题，提高了gis用隔离开关产品运行的可靠性，保障gis用隔离开关的安全运行，提高了机械故障检测准确性，解决了现有技术中机械故障检测方法的机械故障检测准确性较低的问题，有效增强gis设备在智能电网中的市场竞争力、降低成本、提高生产效率、创造可观的经济效益。利用区域面积与卡滞/空载故障面积阈值范围，检测gis用隔离开关的卡滞/空载等问题。本实施例的故障检测方法也适用于基于电力物联网理念的智慧变电站建设，特别适用于气体绝缘金属封闭开关设备(gis)用隔离开关产品。
53.gis用隔离开关机械故障检测系统实施例：
54.本实施例公开一种gis用隔离开关机械故障检测系统。通过本实施例的gis用隔离开关机械故障检测系统，能够实现本发明的方法实施例中介绍的一种gis用隔离开关机械故障检测方法。基于本实施例的gis用隔离开关机械故障检测系统能够解决现有技术中机械故障检测方法的机械故障检测准确性较低的问题。
55.在本实施例中，gis用隔离开关机械故障检测系统包括信号采集设备、存储器和处理器。信号采集设备用于获取隔离开关分合闸速度、以及隔离开关用驱动电机的电压和电流信号。处理器用于利用获取的分合闸速度、驱动电机的电压信号和电流信号执行存储在存储器中的指令，以实现本发明的方法实施例中的gis用隔离开关机械故障检测方法。该gis用隔离开关机械故障检测方法已经在上述的方法实施例中进行了详细介绍，对于本领域的技术人员，可以根据该gis用隔离开关机械故障检测方法，生成相应的计算机指令，以获得gis用隔离开关机械故障检测系统，此处不再赘述。存储器用于存储根据gis用隔离开关机械故障检测方法生成的计算机指令。
56.在本实施例中，gis用隔离开关机械故障检测系统还包括开关量识别模块，开关量识别模块用于采集隔离开关变位信息，以便判断是哪台隔离开关出现机械故障。
57.在本实施例中，gis用隔离开关机械故障检测系统还包括数据传输模块，数据传输模块对采用标准modbus-rtu通讯协议对采集数据和判断结果进行上传。
58.在本实施例中，gis用隔离开关机械故障检测系统还包括告警模块，告警模块进行装置故障告警、隔离开关机构故障告警、硬接点输出故障告警。
59.例如本实施例的gis用隔离开关机械故障检测系统(简称故障检测系统)的结构示
意图如图2(a)和图2(b)所示，如图2(a)所示，故障检测系统上设置有多个接点，各接点的线功能如表1所示，故障检测系统上设置有运行指示灯和报警指示灯，运行指示灯和报警指示灯分别指示故障检测系统的正常和故障。接线功能可以根据产品的实际情况进行适当调整。图2(b)中有一个电流输入孔，用于把隔离开关机构电机电流的导线从此孔穿入，便于故障检测系统内部的电流互感器实时采集隔离开关机构的电机电流。
60.表1接线功能示意图
61.接点编号功能定义接点编号功能定义1装置电源l96#隔离开关常开辅助触点2装置电源n10装置告警+3遥信信号公共端-11装置告警-41#隔离开关常开辅助触点12机构故障报警+52#隔离开关常开辅助触点13机构故障报警-63#隔离开关常开辅助触点14rs485+74#隔离开关常开辅助触点15rs485-85#隔离开关常开辅助触点16gnd信号传输功能接地