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基于多參量的高壓斷路器的狀態監測和電力故障診斷技術研究

  • 發布日期:2018-09-01
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本文是一篇碩士電力工程論文,電力工程可承擔單項合同額不超過企業注冊資本金5倍的單機容量10萬千瓦及以下的機組整體工程、110千伏及以下送電線路及相同電壓等級的變電站整體工程施工總承包。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇碩士電力工程論文,供大家參考。
 
第一章 緒論
 
1.1 研究的背景及意義
高壓斷路器是指 3 kV 及以上電力系統中使用的斷路器,它是電力系統中最重要的控制、保護設備,其安全、穩定運行對保證電力系統的可靠性有著至關重要的作用。其在電網中主要擔負著兩方面的作用:第一,控制作用。結合電網運行需要,用高壓斷路器把一部分電力設備或線路投入或退出運行。第二,保護作用。高壓斷路器可以在電力線路或設備發生故障時,快速把故障部分從電網絡中切除,保證電網中的無故障部分正常運行[1-5]。按照滅弧介質將高壓斷路器劃分為:壓縮空氣斷路器、油斷路器、真空斷路器和SF6斷路器。其中,真空斷路器和 SF6斷路器應用比較廣泛。由于本研究選用 SF6斷路器來搭建試驗平臺,因此這里著重介紹 SF6斷路器的分類情況。根據 SF6斷路器的電壓等級,是否要求單相重合閘的不同,可以分為單相操動式和三相聯動式 SF6斷路器。根據結構形式的不同,可以分為支柱式 SF6斷路器、落地罐式SF6斷路器、氣體絕緣金屬封閉式組合電器用斷路器等。根據操動機構類型的不同,可以分為液壓操動式、氣動機構式和彈簧操動式。根據單相斷口的多少,可以分為單斷口、多斷口 SF6斷路器。在多斷口 SF6斷路器的滅弧室中,又有帶并聯電容和帶并聯電阻之分[1]。如果高壓斷路器發生故障或造成事故,將會引起電網事故或者擴大事故,造成經濟損失、環境污染甚至人員傷亡等危害,因此其健康狀況逐漸成為運維工程師關注的焦點。據第三次 CIGRE 統計結果,高壓斷路器機械故障占故障總數的 63%,是影響電力系統運行可靠性的最嚴重的故障模式之一。傳統運行維修采用預定規程定期檢修的方式不僅費時、費力,而且易帶來不必要的停工,甚至可能引入一些新的故障。近年來,基于狀態監測的高壓斷路器維修策略發展迅速。由于狀態檢修不僅可以提供設備現有的運行狀態,而且還可以分析其中重要參數的變化趨勢,因此能有效地識別早期故障,從而制定及時有效的狀態檢修策略。該策略的制定即可避免設備發生嚴重故障,提高設備的利用效率,減少維修費用,因此具有重要的經濟意義。
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1.2 國內外在線監測技術的主要內容和發展概況
 
1.2.1 在線監測技術的主要內容
在線監測,是指在設備處于運行狀態時,對其特定的參數進行不間斷的監測。據第三次 CIGRE 統計結果,高壓斷路器機械故障占故障總數的 63%,是影響電力系統運行可靠性的最嚴重的故障模式之一。傳統運維采用預定規程定期檢修的方式不僅費時、費力,而且易帶來不必要的停工,導致高壓斷路器不能正常運行[2,3]。隨著電網規模的擴大,供電電壓不斷提高,因此高壓斷路器對介質有了特殊要求。油、真空、SF6斷路器的出現使得檢修工作變得愈發困難,在線監測(或狀態檢修)的概念應運而生。近年來,基于狀態監測的高壓斷路器維修策略發展迅速,由于基于狀態的檢修可以對設備進行實時監測,因此可以克服計劃檢修的盲目性,能有效地識別早期故障,避免設備發生嚴重故障,減少維修費用[4]。電氣設備狀態監測和故障診斷技術開始于上世紀 90 年代,如今有了很大的進展。斷路器在線監測的研究主要集中于電氣設備在線監測的傳感器系統、控制系統、監測現場中的噪聲干擾、特征量提取算法、電磁干擾抑制策略,以及采用智能算法進行斷路器狀態的模糊識別等方面。在線監測和故障診斷主要包括[5]:(1)信號采集:高壓斷路器在運行過程中存在多種性質的物理量,如電路的電流信號,電壓信號,振動信號等,因此,傳感器的靈敏度和精確度對高壓斷路器的在線監測具有十分重要的意義。(2)特征參量的選取及分析:將高壓斷路器的狀態信號經網線、串口等傳輸至上位機,提取信號對應的特征參量進行綜合分析,通過與規定參數比較,判斷斷路器工作狀態、是否存在故障以及故障類型等,最后建立斷路器故障診斷的專家系統。(3)維修策略:運用專家系統分析故障數據的處理結果,給出應對對策和處理措施,幫助運行人員制定合適的維修計劃。斷路器在線監測主要包括分/合閘線圈電流波形監測、動觸頭位移監測和振動信號波形監測等。
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第二章 斷路器機械特性、常見故障及監測參量的確定
 
本章首先對高壓斷路器的機械特性進行分析,再結合某電網公司 2012-2014 年度“開關專業工作總結”報告,統計分析某電網絡系統中高壓斷路器的常見故障,據此定位高壓斷路器中容易發生故障的部件,如電磁鐵、操動機構等。最后,通過文獻綜述,理清高壓斷路器各類故障與監測參量的關系,并確定合適的監測參量。
 
2.1 斷路器機械特性分析及常見故障統計
電磁鐵是高壓斷路器操動機構中最重要的元件之一,比較容易發生故障,一些常見的機械故障大都與電磁鐵有關。高壓斷路器分/合閘電磁鐵主要由靜鐵芯、動鐵芯、線圈和鐵軛所構成。分/合閘電磁鐵的等值電路如圖 2-1 所示,其中,U 為直流恒壓電源,分、合閘線圈等值為一個定值電阻 R 和一個無電阻的電感線圈 L。當刀閘 K 合上后,線圈中有電流 i 通過,電源中的電能 Ae不斷轉變為消耗在電阻 R 上的熱能 AR和磁能 Am。其中,動鐵芯受磁能所產生的吸力驅動,使斷路器完成分閘或合閘動作[2,20-24]。從能量轉換角度看,斷路器的開合過程實際上是分合閘線圈通過鐵芯運動將電能轉換為磁能,再以動能的形式輸出的過程。
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2.2 文獻數據統計
截至目前,我國電力系統中幾乎全部使用真空斷路器和 SF6斷路器。以 35 kV 電壓等級為界,35 kV 以下電壓等級主要采用真空斷路器,35 kV 及以上電壓等級主要使用SF6斷路器[19]。經過大量閱讀文獻并進行總結后,發現高壓斷路器最常見的故障為機械故障,主要類型有:拒分、拒合、誤分、誤合等。在操動機構和傳動機構上具體表現為機構卡澀;部件變形、位移或損壞;分/合閘鐵心松動、卡澀;軸銷松斷;脫扣失靈等。在電氣控制及輔助回路上表現為二次接線接觸不良、端子松動、操作電源故障等。另外,據中國電科院開關所長期從事高壓開關設備檢測試驗的科研人員調查得出,檢測試驗中出現較多的機械故障問題是操動線圈電源電壓偏低、操動線圈電阻偏大、彈簧疲勞、分/合閘電磁鐵卡澀、分/合閘線圈鐵芯空行程偏大和分/合閘電磁鐵卡死等。
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第三章 SF6高壓斷路器狀態監測信號分析方法 .....12
3.1 信號去噪理論.........12
3.2 分/合閘線圈電流信號分析........14
3.2.1 輪廓法(TCP).....14
3.2.2 分散包絡統計法(DES) ........16
3.3 振動信號分析.........16
3.4 故障診斷算法.........19
3.5 小結.....22
第四章 基于多參量和多維映射的 SF6高壓斷路器故障診斷方法 ......23
4.1 多維映射知識庫的建立.............23
4.2 不同功能模塊的故障診斷.........24
4.3 小結.....44
第五章 高壓斷路器在線監測系統的開發......46
5.1 硬件平臺的搭建.....46
5.2 軟件系統的開發.....50
5.2.1 軟件系統整體結構..........50
5.2.2 GUI 界面開發及軟件功能.........51
5.3 小結.....55
 
第五章 高壓斷路器在線監測系統的開發
 
由于實際運行中,高壓斷路器的動作次數有限,而且高壓斷路器的普遍壽命較長,所以在較短時間內對變電站現場運行的高壓斷路器進行信號采集時,采集到的數據量較少且類型單一。因此,有必要搭建一個高壓斷路器故障模擬和數據信號采集的試驗平臺,以獲取較全面的故障信號。本章主要從硬件平臺和軟件界面兩方面,對高壓斷路器在線監測系統進行介紹。第一、二章通過文獻綜述和實地調研,得出高壓斷路器各類故障與監測參量的關系,并確定合適的監測參量。在此基礎上,本章綜合考慮傳感器的測量精度、量程、誤差范圍以及價格等參量,分別為不同的監測參量配置合適型號的傳感器和數據采集模塊。
 
5.1 硬件平臺的搭建
本文主要研究 SF6高壓斷路器的機械特性,通過在高壓斷路器上安裝多個傳感器來獲取多種狀態參量的數據,從這些監測數據中提取出能夠反映高壓斷路器運行時機械特性的信息,據此評價斷路器工作狀態,診斷是否有故障產生。因此需要監測哪些參量、選取何種型號的傳感器來測量這些數據信號以及如何安裝這些傳感器是本研究的工作基礎。由第二章分析結果可知,本研究共對五種數據信號進行監測,即分/合閘線圈電流信號、儲能電機電流信號、振動信號、動觸頭行程信號和溫濕度信號。因此,本節針對性地設計了信號變送系統,并將信號變送結果輸入設備附近的數據采集系統,數據采集模塊的輸出通過網線傳入上位機。本研究所設置的試驗平臺主要包括:高壓斷路器和數據采集系統,試驗平臺的系統框圖如圖 5-1 所示。
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結論
 
高壓斷路器作為電力系統的控制與保護器件,其安全穩定運行對保障電網可靠性具有重要的意義。本研究主要針對現有的高壓斷路器狀態監測參量單一導致故障診斷方法準確率低的問題,提出了一種基于多參量的高壓斷路器狀態監測和故障診斷系統,并通過在實際中的應用,檢驗了該系統在實際應用中的有效性。文中提出的系統主要包括硬件部分和軟件部分。其中硬件部分主要包括以下幾部分:(1)通過文獻調研及對運行數據的統計分析,設計了 SF6彈簧操動式高壓斷路器、傳感器和數據采集模塊的安裝方案;(2)通過在實驗室搭建試驗平臺,對操動線圈電源電壓偏低、分閘線圈電阻偏大、分閘線圈鐵芯空行程偏大彈簧疲勞、分閘電磁鐵卡澀和分閘摯子卡死等多種故障模式進行模擬;(3)通過參量分析,從中獲取能夠反映各類故障的多參量數據。
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參考文獻(略)

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