GW4隔离开关机械故障仿真与诊断技术

GW4隔离开关机械故障仿真与诊断技术马宏明;周涛涛;彭诗怡;邱志斌;朱琳【期刊名称】《《电工技术学报》》【年(卷)，期】2019(034)0z2【总页数】8页(P501-508)【关键词】隔离开关;机械故障;故障仿真;故障诊断;操作力矩【作者】马宏明;周涛涛;彭诗怡;邱志斌;朱琳【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院昆明650217;武汉大学电气与自动化学院武汉430072;国网湖北省电力公司技术培训中心武汉430079【正文语种】中文【中图分类】TM564.1高压隔离开关是一种起着隔离作用的开关设备，在变电站中使用较多，主要安装于断路器两侧，与断路器配合使用。由于高压隔离开关主要工作于户夕卜环境，饱受风霜雨雪的侵蚀，长时间运行后金属传动机构容易氧化腐蚀，轴承轴销处的润滑脂变质、流失，同时运动关节处易积累灰尘与氧化物，加之运行维护不及时，容易出现如绝缘子断裂、导电回路过热、机械故障、二次回路失效等各种故障缺陷［1-6］。根据云南电科院的统计，在2008年1月~2016年12月，云南电网110kV及以上电压等级的隔离开关一共发生357起缺陷故障，其中机械故障缺陷发生195起，主要有分合闸不到位、操作卡涩、弹簧失效、夹紧力不足、三相不同期、传动部件损坏变形与松动等，占总故障量的54.62%。目前已有部分学者针对隔离开关这些机械故障隐患的影响与诊断做了部分研究。文献［7］通过简化的GW4隔离开关数学模型定性分析了触头触指接触压力、接触轮廓和传动连杆的位置对操作力矩的影响。文献［8-9］基于Adams对折臂式隔离开关分合闸过程进行了动力学仿真计算，分析了理想情况下分合闸过程操作力矩的变化情况，并对传动机构中的关键部件进行强度校核。文献［10］指出，对于带手动操作机构的隔离开关，可根据操作时的手感轻重来判断有无机械卡涩，该方法与操作人员的经验有关，容易引起误判。文献［11-12］提出一种基于隔离开关电动操动机构电机电流的机械故障诊断方法，指出在不考虑电机励磁电流情况下，电机电流包络线与操作杆力矩存在二次函数关系，可根据电机电流包络线的变化来判断隔离开关操作过程中是否存在缺陷，该方法在电机工作电压恒定时可行，但在变电站现场隔离开关驱动电机的供电电压存在波动，无法利用该方法进行有效判断。文献［13］通过测量隔离开关动作过程中操作杆的应变来判断隔离开关是否存在机械故障缺陷，该方法虽能对隔离开关的机械状态进行判断，但对应变片贴片技术要求较高，贴片位置不恰当时，会导致测量数据不准，影响分析判断。文献［14］提出了通过测量隔离开关操作力矩来判断隔离开关状态，采用安装在手动操作机构手柄上的力矩传感器来测量隔离开关动作过程操作力矩，测量时要求匀速摇动手柄，测量结果受人为影响较大，数据可靠性不高，不能很好地反应隔离开关的机械状态。文献［15-16］设计并制作了某GW4型隔离开关测力触头，在分合闸过程中实时连续测量触头触指接触力，据此能有效判断触头触指加紧力是否满足要求、三相是否同期，但该方法在测量过程中需改变隔离开关原有结构，且操作繁琐。文献［17］将计算机视觉与图像处理技术引入到对高压隔离开关分合闸状态检测中，能有效判断GW4、GW7、GW23型隔离开关分、合闸状态。文献［18］根据高压隔离开关机械状态出现异常时，其振动信号会发生相应的改变，提出通过监测隔离开关振动信号来判断隔离开关机械状态，并针对故障诊断时特征库中故障类别不完备的问题，提出了基于多重支持向量域描述的故障诊断方法，能有效识别被测隔离开关的模拟故障状态和异常状态，为隔离开关机械故障诊断提供了一条可行的思路。在目前隔离开关机械故障缺陷频发，诊断方法尚不完善的背景下，有必要对隔离开关机械故障缺陷诊断技术进行研究，以及时发现机械故障隐患，防止事故扩大造成更大损失。本文以某GW4A-126型隔离开关为研究对象，在Adams中建立隔离开关虚拟样机模型，模拟仿真计算隔离开关在正常、卡涩、三相不同期三种状态的合闸力矩波形，并作对比分析；由不同机械状态对应的仿真力矩波形不同，提出一种基于操作力矩与操作杆转角检测的隔离开关机械故障诊断方法，并通过试验验证了该方法的可行性，在此基础上总结了基于操作力矩-转角曲线的隔离开关机械故障诊断流程，为隔离开关的安装调试、检修维护提供参考。该GW4A-126型隔离开关触头触指啮合过程中，触指和弹簧片发生较大形变，建模时将其视为柔性体；其他部件如导电臂、绝缘子、机械传动机构等在分合闸过程中虽也发生形变，但很小，可以忽略不计，所以建模时这些部件被视为刚体。根据各部件柔性体和刚体的划分，利用Ansys建立触指、弹簧片部分柔性体模型，利用SolidWorks建立其他部件的刚体模型，将柔性体模型和刚体模型导入到Adams中，添加相应运动副与驱动，建立的隔离开关虚拟样机模型如图1所示。该模型不包含接地开关和操作机构箱部分，模型中涉及到的材料参数见表1。在计算理想状态下隔离开关的合闸操作力矩-转角曲线时，隔离开关各可调部件的长度值为理想值；考虑连杆轴销和基座轴承摩擦，将有轴承关节静摩擦系数设为0.004，动摩擦系数为0.003；插销处为钢-黄铜有润滑摩擦，静摩擦系数为0.03，动摩擦系数为0.025［19］；采用基于Impact函数模型［20-21］来计算触头触指碰撞啮合过程中的接触力，计算时考虑触头与触指之间的摩擦，静摩擦系数为0.17，动摩擦系数为0.10。仿真计算得到的合闸过程直接施加于操作杆上的力矩曲线，如图2所示。从图2中可以看出，合闸操作力矩波形在操作杆转动135.6°前后变化趋势不同，操作杆转动135.6。时对应的触头触指位置如图3a所示，此时触头与内触指刚合。图2的操作力矩-转角曲线，可根据触头触指是否接触分为两部分。触头触指没有接触前，操动机构仅需克服传动系统轴承轴销等处的摩擦阻力矩，由于正常状态下轴承轴销处的摩擦系数小，对应的摩擦阻力矩小，所以操作杆上需要的操作力矩比较小，操作力矩整体没有太大波动，力矩最大值为1.43N・m,均值为0.95N-mo触头触指啮合过程中，触头慢慢挤入内外触指间，由于触头触指接触力和摩擦阻力的存在，导致操作力矩增加，力矩最大值为32.94N・m,平均值为10.48N・m。由于触头与内、外卜触指的先后接触与挤压，导致力矩波形有两个明显的波峰与一个波谷：第一个明显的波峰出现在操作杆转动137.2°处，对应的触头触指位置如图3b所示，此时触头侧顶着内触指在内触指弧形段上滑动；波谷出现在操作杆转动139.7°处，对应的触头触指位置如图3c所示，此时触头恰好滑过触指弧形段与直线段相切处；第二个明显的波峰出现在操作杆转动145.4°处，对应的触头触指位置如图3d所示，此时触头顶着内外触指，卡入触指间。另外图2中标记操作杆转动143.3°的点，表示触头与外触指刚接触，从曲线中可以看出触头与外触指接触后，施加于操作杆上的操作力矩迅速增大；在触头卡入内外触指过程中，由于触头与触指间存在摩擦，卡入过程并不是平滑的，而是间歇性滑动的，所以触头触指啮合时力矩波形存在波动。由于隔离开关主要运行于户外环境，饱受风霜雨雪的侵蚀，长时间运行后金属件容易氧化腐蚀，轴承轴销处的润滑脂变质、流失，同时运动关节处易积累灰尘与氧化物等，引起传动机构运动副摩擦系数增大，对应的摩擦阻力矩增加，导致隔离开关运动卡涩。仿真计算时通过增大摩擦系数来模拟轴销卡涩。由于目前尚不清楚发生卡涩时摩擦系数增加的范围，这里模拟计算了A相主动极轴承、A相极间连杆主动极侧轴销以及整体轴销、轴承摩擦系数都增大10倍的操作力矩-转角波形，如图4所示。图4中曲线1~4分别表示正常状态、A相极间连杆主动极侧轴销摩擦系数增加至10倍、A相主动极轴承摩擦系数增加至10倍、传动机构轴销轴承摩擦系数都增加至10倍的合闸仿真力矩波形。从图4中可以看出，当轴承或轴销的摩擦系数增加时，合闸操作力矩都会增加；同相同极的轴承与轴销，摩擦系数增加相同的倍数时，由轴承摩擦系数改变引起的操作力矩变化要大。曲线1和曲线4的对比结果见表2，从中可以看出在触头触指未接触阶段，曲线4的力矩值为曲线1的8.44~9.46倍，与曲线4对应的轴承、轴销增加的摩擦系数倍数接近；在触头触指啮合阶段，曲线4操作力矩为曲线1的1.52-2.28倍，不存在近似的倍数关系，这是因为仅曲线4的传动机构轴承、轴销摩擦系数改变了，触头触指接触力与摩擦力没有改变。目前，大多数高压隔离开关在制造厂内不进行整台开关的组装和调试，操作机构与基座的连接、相间连杆与极间连杆等的连接都在现场进行安装调试。安装调试时，通过调整可调部件的长度，使隔离开关三相不同期满足一定的要求。隔离开关的三相不同期是指合闸过程中，其中一相最先到达刚合位置时，其余两相触指触头最小距离中的较大值，即当其中某相触头与触指最先达到刚合位置时，其余两相触头触指间最小距离值分别为L1、L2,若L1>L2,则隔离开关三相不同期为L1;同理，若L2>L1,则隔离开关三相不同期为12。对于110kV电压等级的隔离开关，要求其三相不同期小于等于10mm[2-3]。该GW4A-126型隔离开关长度可调的部件有操动拐臂、操动连杆、极间连杆、相间连杆、BC相联动拐臂、三相从动拐臂，如图5所示。在安装调试该型隔离开关时，如其他可调部件长度都是理想长度，只调整A相极间连杆长度后，B、C相动作过程不受影响，A相触头触指提前或滞后接触，导致出现三相不同期。极间连杆由钢管和两端的调节螺杆组成，旋转钢管时极间连杆的长度就会改变，当A相极间连杆长度增加1mm时，A相先于B、C相达到刚合位置，此时B、C两相触头触指最小距离皆为4.15mm，即三相不同期为4.15mm；当极间连杆长度减少1mm时，B、C相先于A相同时达到刚合位置，三相不同期为3.85mm。A相极间连杆调试不当与正常时的合闸力矩-转角曲线如图6所示。图6中曲线1~3分别表示正常状态、A相极间连杆长度增加与减少1mm的合闸力矩曲线。从图中可以看出，A相极间连杆长度调试不当时其合闸力矩曲线与正常状态时存在明显的区别：曲线2对应的B、C相触头触指接触情况与正常情况一样，A相触头触指提前接触，导致曲线中力矩突变角度比正常状态曲线1的提前；曲线3对应的A相触头触指滞后接触，B、C相与正常状态一样，曲线表现出来的力矩突变角度与正常状态一致。通过上述的仿真计算可以总结出当隔离开关机械状态发生改变时，其操作力矩-转角曲线会发生相应的改变，因此这里提出通过检测绘制隔离开关动作过程的操作力矩-转角曲线来判断隔离开关机械状态。试验中某GW4A-126型隔离开关和检测装置示意图如图7所示，测量时力矩-转角检测箱驱动隔离开关动作，通过控制采集箱控制力矩-转角检测箱动作，同时采集力矩、转角信号，主机对采集的数据进行处理，绘制相应的操作力矩-转角曲线。根据上述检测方法测得某GW4A-126型隔离开关正常状态时的合闸力矩-转角曲线如图8所示。图8中两条几乎重合的曲线为重复测量的合闸力矩曲线，两曲线的相关系数为0.9988，说明该测量数据具有较高的可靠性与可重复性。对比图8正常状态时的实测曲线与图2的仿真曲线，可以看出实测曲线与仿真曲线的变化趋势一致，这互相验证说明了仿真与试验的准确性。需要注意的是，实测与仿真力矩数值存在较大的差异，这是因为仿真计算的是直接施加于操作杆上的力矩，而实测是施加于操动机构箱手动接口端的，作用于操动机构箱内部减速器上，经其放大后再施加于操作杆上，所以实测力矩数据与仿真数据数值大小存在较大差异。在隔离开关A相槽钢主动极侧固定安装一抱箍抱紧A相主动极绝缘子法兰，模拟A相主动极轴承发生卡涩故障，对应的实测力矩曲线如图9所示。从图9中可以看出两次卡涩状态下的力矩-转角测量曲线基本重合，这说明了试验的可重复性。卡涩状态力矩数值明显大于正常状态的，从图中还可以直观地看出触头触指接触前，卡涩状态的波形与正常状态的相似性程度较低，触头触指啮合时两状态的力矩波形相似度较高，两状态实测对比结果见表3。需要说明的是，图9中卡涩数据整体表现出较大的上下波动，这是由于A相主动极绝缘子法兰转动时，与抱紧的抱箍发生间歇性的滑动，导致操作力矩时大时小。从表3中可以看出：被测数据（卡涩状态）与正常状态操作杆转动角度相同；被测数据的力矩数值在触头触指啮合前后都比正常状态的要大，触头触指啮合前被测数据曲线与正常状态曲线相关系数都小于0.55，但啮合时被测数据与正常时的相关系数都大于0.95，这反应被测隔离开关在触头触指啮合前的波形与正常状态的相似性较差，啮合时相似性比较高，说明被测隔离开关触头触指接触前存在故障隐患的可能性比较大，触头触指啮合时存在故障隐患的可能性比较小，再结合力矩变化，可以判断被测隔离开关传动机构存在卡涩故障隐患。调整A相极间连杆长度，使A相滞后，三相合闸不同期，实测的力矩数据如图10所示。图中A相滞后时的两次合闸力矩-转角曲线基本重合，同样说明了试验的可重复性；对比两状态合闸曲线，A相滞后的力矩曲线在触头触指啮合时第一个波峰较小，与正常状态相比少了一个变化明显的波峰，其他位置变化趋势基本一致，两状态实测对比结果见表4。从表4中可以看出：两状态操作杆转动角度相同；无论是整体还是触头触指啮合前后，操作力矩均值、极值相差不大，且都具有比较高的相关系数，这说明被测隔离开关操动机构存在卡涩的可能性不大，单独从表4不能判断触头触指啮合时的状态，需结合图10触头触指接触时的力矩曲线，可判断被测隔离开关存在三相不同期的问题。典型的敞开式隔离开关操作力矩-转角机械特性曲线通常包含多个明显的波峰与波谷，隔离开关机械状态改变时，操作力矩-转角机械特性曲线中的波峰或波谷幅值、位置及数量会发生相应的改变。在通过被测隔离开关的操作力矩-转角曲线判断隔离开关机械状态时，由于隔离开关型式多种多样，有的隔离开关动作时操作力矩比较小，有的操作力矩比较大，甚至有的操作力矩波动较大，不同型式隔离开关判断细节不同，这里给出基本诊断流程如图11所示。将检测的波形与正常状态的波形进行对比分析，根据操作杆转动的角度，可直观地反映出隔离开关动作是否到位；根据曲线典型的波峰或波谷分布位置、数量以及幅值，可判断隔离开关是否存在机械故障以及故障类型；结合隔离开关动作过程，将曲线划分为多个区间段，再根据各区间段操作力矩变化的幅度和曲线相似度的大小，分别辅助判断隔离开关故障程度和故障位置。本文通过对某GW4A-126型隔离开关合闸动作过程操作力矩与操作杆转角的仿真计算与实测分析，可以得出以下结论：1） 当隔离开关机械状态改变时，其动作过程操作力矩会发生相应的改变，因此可通过检测隔离开关动作过程的操作力矩与操作杆转角来判断隔离开关机械状态。2） 本文提出的一种隔离开关操作力矩与转角检测方法能够有效、准确检测隔离开关动作过程中操作力矩的变化情况。3） 不同机械状态下的操作力矩-转角曲线存在明显差别，可根据曲线特性如操作杆转动的角度、典型波峰波谷的数量、峰值、位置、力矩均值/极值等对各机械状态加以区分。马宏明男，1987年生，工程师，硕士，研究方向为高压开关设备状态评价。E-mail:周涛涛男，1990年生，博士研究生，研究方向为电力设备故障诊断。E-mail:(通信作者)【相关文献】苑舜,崔文君.高压隔离开关设计与改造[M].北京:中国电力出版社,2007.崔景春，王承玉,张猛,等.高压交流隔离开关和接地开关[M].北京:中国电力出版社,2016.国网河北省电力公司.高压隔离开关检修[M].北京:中国电力出版社,2015.律方成,马建桥,汪佛池,等.基于红外成像的瓷支柱绝缘子发热规律研究[J].电工技术学报，2013,28(12):130-135.LuFangcheng,MaJianqiao,WangFochi,etal.Studyofporcelainpostinsulatorheatinglawbasedoninfraredimaging[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(12):130-135.李亚伟，张星海,陈洪波，等.RTV涂层表面绿球藻的生长对绝缘支柱电气性能的影响[J].电工技术学报,2015,30(12):330-335.LiYawei,ZhangXinghai,ChenHongbo,etal.InfluencesofchlorococcumgrowthontheelectricalperformanceofpostinsulatorswithRTVcoating[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2015,30(12):330-335.刘兆林.2011年华东电网高压开关设备运行情况分析[J].华东电力,2012,40(10):17871790.LiuZhaolin.AnalysisofHVswitchequipmentoperationineastChinapowergridin2011[J].EastChinaElectricPower,2012,40(10):1787-1790.常林晶,徐光辉，乔岩泽,等.GW4型隔离开关分合闸操作力矩的分析与计算[J].高压电器，2013,49(11):127-132.ChangLinjing,XuGuanghui,QiaoYanze,etal.AnalysisandcalculationonoperatingtorqueforGW4disconnectoropeningandclosing[J].HighVoltageApparatus,2013,49(11):127-132.于颖.GW17型折臂式高压隔离开关传动与展开机构的分析与优化[D].南京:东南大学,2011.张帆.折臂式高压隔离开关的动力学分析与优化[D].南京:东南大学,2013.王黎明，何建明.电动隔离开关机械故障状态监测的设想[J].浙江电力,2006(3):56-59.WangLiming,HeJianming.Mechanicalfaultmonitoringofelectricaldrivingdisconnector[J].ZhejiangElectricPower,2006(3):56-59.邱志斌,阮江军，黄道春,等.基于电机电流检测的高压隔离开关机械故障诊断[J].中国电机工程学报,2015,35(13):3459-3466.QiuZhibin,RuanJiangjun,HuangDaochun,etal.Mechanicalfaultdiagnosisofhighvoltagediscon-nectorbasedonmotorcurrentdetection[J].ProceedingsoftheCSEE,35(13):3459-3466.QiuZhibin,RuanJiangjun,HuangDaochun.Mechanicalfaultdiagnosisofoutdoorhigh-voltagedisconnector[J].IEEJTransactionsonElectricalandElectronicEngineering,11(5):556-563.黄聿琛,阮江军,邱志斌,等.隔离开关操动机构电机输出轴扭矩和电流关系的研究[J].高压电器,2015,51(6):139-144.HuangYuchen,RuanJiangjun,QiuZhibin,etal.Studyontherelationshipbetweenmotoroutputshafttorqueandmotorcurrentofdisconnectoroperationmechanism[J].HighVoltageApparatus,2015,51(6):139-144.王栋.隔离开关智能测试装置的设计[D].上海:上海交通大学,2014.何成,李文胜,赵建平，等.高压隔离开关分合闸过程触指压力检测技术与应用[J].高压电器，53(11):229-235.HeCheng,LiWensheng,ZhaoJianping,etal.Contact-finger-pressuredetectiontechnologyandapplicationofthehighvoltagedisconnectorduringtheopenandcloseprocesses[J].HighVoltageApparatus,2017,53(11):229-235.何成,李文胜，王欣欣,等.户夕卜隔离开关模拟试验台研制及试验研究[J].机械设计,2018,35(6):70-76.HeCheng,LiWensheng,WangXinxin,etal.Developmentandtestofoutdoordiscon