CN105699808A

CN105699808A - 基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法

Info

Publication number: CN105699808A
Application number: CN201610059632.4A
Authority: CN
Inventors: 杨志强; 郭晨华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2016-06-22

Abstract

本发明公开了一种基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，通过对开关柜外用于安装测温传感器的间接测温点以及环境测温点进行温度实时监测来进行开关柜故障状态的判断。该方法首先物理建模和选择测量点，实时测得所述间接测温点的温度θ₂(t)和环境测温点的温度θ₀(t)，然后计算开关柜内集总热源中心的温度θ₁(t)以及集总热源中心的负载理想温度θ₁(t)_LX和/或所确定的间接测温点的负载理想温度θ₂(t)_LX，并通过这些测量的温度以及计算得出的温度与设定的故障判断标准中的阈值进行比较，最终做出故障状态的诊断。本发明采用间接测温的方法代替复杂昂贵的直接测温方式，操作简单，降低了成本。

Description

基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电力开关柜故障诊断技术领域，特别是涉及一种基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法。

背景技术

开关柜在电力系统中担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重功能,随着电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展,电网日益扩大以及变电站无人值班管理模式和综合自动化的普及推广，开关柜的安全运行越来越重要。开关柜内闸刀触头、电力电缆进出线的接头接触不良时,接触电阻增大，在负载电流流过时会产生发热现象，过热会引起金属材料的机械强度下降，绝缘材料老化并可能导致击穿形成事故。测量和监视开关柜内的温度状态，是诊断开关柜设备故障状态的有效手段之一。

对于目前投运的大部分开关柜设备，没有装配温度监测功能，在设备故障异常发热温升后，管理人员无法获知。现有技术中典型的开关柜的温度监测和诊断方法，大都是采用电气接点部位的直接测温结合温度阈值诊断方法。例如：采用各种接触式测温传感器、红外测温传感器、光纤光栅类测温传感器等。而要在柜内电气接点部位安装任何的测温传感器，都受到诸多的限制条件，例如：开关柜要停电安装测温设备的限制、柜内空间结构的限制、电气间隙的限制、传感器耐受高压和强磁场的限制、传感器耐高温能力的限制、传感器电源和通讯线路布线的限制、无线信号传输屏蔽的影响等，使得开关柜测温传感器的安装和普及难度很大，成本很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种通过对开关柜外部选定的间接测温点以及柜外环境测温点等非发热部位的间接性温度监测，即可判断开关柜内部是否存在温度过热的故障诊断方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，主要包含以下四个步骤：

步骤A：物理建模，物理建模的过程为：首先，针对某一类型的开关柜，选择确定开关柜上间接测温点和环境测温点的位置，即在线间接测温方式的测温传感器的外部的安装位置；然后，以该间接测温点和环境测温点的在线温度数据为已知变量，建立起包含开关柜的柜体结构、负载、电特性、温度场、时间量、等相关量的物理模型；

该间接测温点的位置选择，该点不在开关柜一次电气间隔范围之内，又需要在一次电气间隔邻近的安全区域。例如在一次电气设备不停电的运行状态下即可以实施现场安装测温传感器的情况下，同时需要使该点对于一次电气设备的致热效应(温升)有较强的相关性(敏感)。优选的，该间接测温点的位置选择在开关柜的断路器间隔泄压通道天窗隔板上，或母排间隔泄压通道天窗隔板上，或出线间隔泄压通道天窗隔板上，或二次设备间隔中与一次电气间隔相间的底部隔板上。

又例如，当一次电气间隔允许进行停电安装测温传感器的情况下，该间接测温点也可以选择安装在一次电气间隔的空间内，优选的，该间接测温点的位置选择在开关柜的断路器间隔、母排间隔、出线间隔内的中部侧壁或顶板上。

进一步，上述环境温度点的位置选择在应能代表所测开关柜所处的环境温度，而且受柜内温升的影响很小的位置。而实际上柜内的热量散发也会改变柜体所处的环境温度，并且柜体外部的环境温度和气流的变化有未知的不确定性，所以该环境测温点也不适合选择在室内或室外的环境温度。优选的，该环境测温点设置在所测开关柜前表面或后表面的底部，该位置受到柜内温升的影响最小，并最能代表柜体当时所处的环境温度。

上述物理模型又可分为开关柜温度场的物理模型和负载致热温升的物理模型两种类别。以下为通过优选的建模方法，所建立的电力开关柜物理模型，开关柜温度场的物理模型包括以下第一模型：

所述负载致热温升的物理模型包括以下三个模型，分别为：

开关柜负载致热与开关柜内集总热源中心温度的物理模型为：

开关柜负载致热、环境温度和开关柜内集总热源中心温度间的物理模型为：

开关柜负载致热、间接测温点温度和环境温度间的物理模型为：

其中，为集总热源中心到间接测温点的热阻相关热物性系数；

为间接测温点到环境测温点的热阻相关热物性系数；

为集总热源中心到间接测温点的热容相关热物性系数；

为间接测温点到环境测温点的热容相关热物性系数；

为t时刻开关柜内集总热源的总热损耗(功率)。

步骤B：计算传热学温度；根据上述温度场的物理模型和在线监测的间接测温点温度和环境温度，计算开关柜内集总热源中心的传热学温度。在对于某种类型的开关柜设备建模后，等为已知的设备热物性系数。即可按照(第一模型)，开关柜内集总热源中心温度只通过间接测温点温度和环境温度即可准确计算出，结果的物理意义为开关柜内集总热源中心的传热学温度(记为)。

步骤C：计算负载理想温度；根据负载致热温升的物理模型和实测的负载数据，计算开关柜内集总热源中心的负载理想温度，以及所确定的间接测温点的负载理想温度。根据模型的不同，计算开关柜内集总热源中心的负载理想温度又可分为两种情况。

第一种、根据(第二模型)，开关柜内集总热源中心温度只通过间接测温点温度和开关柜负载参数以及电流数据即可准确计算出，结果的物理意义为开关柜内集总热源中心的、以确定的间接测温点温度为参照的负载理想温度(记为)，本发明主要以这种情况进行讲述。

第二种、根据(第三模型)，开关柜内集总热源中心温度只通过环境温度和开关柜负载数据即可准确计算出，结果的物理意义为开关柜内集总热源中心的、以确定的环境测温点温度为参照的负载理想温度。(当没有间接测温点温度数据时，可采用此模型。)

此外所确定的间接测温点的负载理想温度是按照(第四模型)来计算，开关柜间接测温点的温度只通过环境温度和开关柜负载数据即可准确计算出，结果的物理意义为开关柜上确定的间接测温点温度的负载理想温度(记为)。

步骤D：故障状态诊断；根据上述实测间接测温点温度、环境温度、上述计算出的各项温度进行比较和计算，通过与设定的故障判断标准中的阈值进行比较，从而做出故障状态的诊断。具体来说，可以分为四种优选的相互独立的方法，并包含对应的判断标准：

方法一，优选的，根据开关柜内集总热源中心传热学温度[]的诊断方法和诊断标准。其诊断原理为：将开关柜内的某回路的最高温度以计算出的开关柜内集总热源中心的传热学温度为近似的代表，根据已有的电力设备温度(或温升)判断标准进行状态判断。通用的诊断标准为：

和分别为“存在隐患可能性”状态的温度阈值和温升阈值；

和分别为“故障预警”状态的温度阈值和温升阈值；

和分别为“故障报警”状态的温度阈值和温升阈值；

并且以上三个温度阈值或温升阈值逐步增大，而当或时，则判断为健康状态。

上述阈值可根据《GBT11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中相关温度和温升极限标准，并以轻度发热量不平衡发热模式为基准，推导计算出通用阈值诊断标准。

上述诊断结论的模糊性在于：对于开关柜内有N个独立热源，根据相关公式有可知，近似的有：开关柜内集总热源中心温度为内部N个独立热源温度的平均值，则在此开关柜内N个独立热源发热量严重不均衡时，会出现集总热源中心温度小于N个独立热源最高温度的情况。所以应用这种诊断标准，会比N个独立热源分别直接测温诊断结果的故障更严重一些。它的模糊性在于故障严重程度等级之间的界限无法精确确定，存在一定的模糊性。

方法二，优选的，根据开关柜间接测温点实测温度的诊断方法和诊断标准。其诊断原理为：在以往的诊断方法中，对于开关柜间接测温点温度的故障判断，无法确定一个恒定的标准。在该方法中，根据第一模型，以上述方法一中的开关柜内集总热源中心温度的三个诊断阈值，反向计算出开关柜间接测温点传热学的诊断阈值，并以此作为诊断标准，该诊断标准为：

和分别为间接测温点处在“存在隐患可能性”状态下的温度阈值和温升阈值；

和分别为“故障预警”状态的温度阈值和温升阈值；

和分别为“故障报警”状态的温度阈值和温升阈值；

其中是根据第一模型，从方法一中的反向计算得到，而、则类似。

诊断结论的模糊性在于：因与方法一采用的相同的物理模型，所得结论与方法一有相似的模糊性。

方法三，优选的，根据开关柜内集总热源中心负载理想温度与开关柜内集总热源中心的传热学温度相比较的诊断方法和诊断标准。其诊断原理为：开关柜内集总热源中心的负载理想温度，顾名思义，是当开关柜设备处于健康状态下的该负载的理论理想温度，而开关柜内集总热源中心的传热学温度是根据柜体结构的传热学模型建立的，可认为是近似的真实温度，那么从理论值与真实值相比较，即可做出设备故障状态的判断。

诊断规则：为了便于结果的计算和判断，这里引入一个变比系数：将开关柜内集总热源中心的负载理想温度与开关柜内集总热源中心的传热学温度的变比系数设为：

根据《GBT11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中相关温度和温升极限标准，并以轻度发热量不平衡发热模式为基准，推导计算出通用阈值诊断标准为：

特别说明：通常情况下应小于，即。如出现时，则可能是模型设置或计算过程误差造成。

该诊断方法不需设备实际有很大的负载或很高的温度，即可以做出设备健康状态的诊断。所以在本诊断方法中，将诊断的结果定义为健康和分等级的故障隐患状态。

诊断结论的模糊性在于：应用开关柜内集总热源中心的传热学温度参与判断，存在方法一中所述的模糊性，即“故障更严重”的量无法精确确定；应用开关柜内集总热源中心的负载理想温度参与判断，会存在因原始负载致热模型与实际所监测对象差异而带来的系统偏差。

方法四，优选的，根据开关柜上确定的间接测温点温度的负载理想温度与该点实测温度相比较的诊断方法和诊断标准。其诊断原理：开关柜上确定的间接测温点温度的负载理想温度，顾名思义，是当开关柜设备处于健康状态下的间接测温点该负载的理论理想温度，那么从理论值与实测值相比较，即可做出设备故障状态的判断。

诊断规则：为了便于结果的计算和判断，这里引入一个变比系数：将开关柜上确定的间接测温点的负载理想温度与该点实测温度的变比系数设为：

该诊断方法与上述方法三相似，不需设备实际有很大的负载或很高的温度，即可以做出设备健康状态的诊断。所以，在本诊断方法中，将诊断的结果定义为健康和故障隐患状态，因与方法三引用了相同的模型参数和比较策略，模糊性方面与方法三相同。

为了减少模糊性的影响，可对上述四种方法进行综合运用：从所述的四种方法，都可以分别对开关柜设备进行故障状态的诊断，但是对于任何一个单独的诊断方法，因所采集的信息量限制，每种方法的诊断结论都有一定的模糊性；并且又由于应用中实测对象与实验模型存在差异性，对实际应用的开关柜设备会存在一定的系统误差。然而，在对某一开关柜设备做诊断时，综合的运用本发明所述的四种诊断方法，并进一步推理论证，可以得到更加精准的诊断结论。为了更明确的得到诊断结果，可以通过系统的方式，进行大数据的分析，将相近型号的开关柜的上述四种诊断方法的结果，进行横向的比较和纵向的历史比较，将比较的结果再进行归纳整理，将得出更加准确的诊断结论。

本发明中所列的四种诊断方法，是优选的、具有代表性的基础诊断方法。根据本发明的提供的间接测温方式和诊断方法思路，还可以提出其它类似的相关物理量相比较的诊断方法，也应属于本发明所限定的权限范围。

本发明所涉及的诊断方法的有益效果主要体现在以下几点：

1、本发明提出的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，计算和诊断过程明确，数据可计算性强，诊断结论的可靠度高。在电力开关柜测温故障诊断领域，为简便的间接测温的方法代替复杂昂贵的直接测温方式提供了可行性方案，为正在服役的电力开关柜设备普及装备测温设备提供了最简便的方法。上述故障诊断方法，能实现在线诊断，诊断快速，能在故障隐患期就能发现并提供预测的量化诊断信息，适合大面积的应用和普及。

2、本发明提出的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，不需设备实际有很大的负载或很高的温度，即可以做出设备健康状态和故障隐患状态的诊断。

附图说明

图1是本实施例在物理建模步骤中的电力开关柜集总热源中心等效热路模型简化图。

图2是本实施例的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法的步骤示意图。

在图1中，为t时刻开关柜内集总热源中心的总热损耗(功率)；

为t时刻开关柜内集总热源中心的温度；

为t时刻开关柜确定的间接测温点的温度；

为t时刻开关柜确定的环境测温点的温度；

为开关柜内集总热源中心到间接测温点的模拟热阻；

为开关柜间接测温点到确定的环境测温点的模拟热阻；

为开关柜内集总热源中心到间接测温点的模拟热容；

为开关柜间接测温点到确定的环境测温点的模拟热容。

具体实施方式

下面结合图1至2和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，包含以下四个步骤：

第一步，物理建模。物理建模的过程为：首先，针对某一类型的开关柜，选择确定开关柜上间接测温点和环境测温点的位置，即在线间接测温方式的测温传感器的安装位置；然后以该间接测温点和环境测温点的在线温度数据为已知变量，建立起包含开关柜柜体结构、负载、电特性、温度场、时间量、等相关量的物理模型；

在本实施例中，以某10KV三相高压开关柜，型号：KYN28-1250为例。间接测温点的位置选择在开关柜的断路器间隔泄压通道天窗隔板上，环境测温点选择在开关柜前表面的底部。

如图1所示，通过某种优选的建模方法，建立开关柜的物理模型。

开关柜温度场的物理模型为：

开关柜负载致热、环境测温点温度、开关柜内集总热源中心温度间的物理模型为：

开关柜负载致热、间接测温点温度和环境测温点温度间的物理模型为：

第二步，计算传热学温度：根据温度场的物理模型和在线监测的间接测温点温度和环境温度，计算开关柜内集总热源中心的传热学温度。在对于某种类型的开关柜设备建模后，等为已知的设备热物性系数。

根据第一模型，开关柜内集总热源中心温度只通过间接测温点温度和环境温度即可准确计算出，本实施例的高压开关柜，在某时刻t时，负载电流，测得，，则通过第一模型计算得到：。

第三步，计算负载理想温度：根据负载致热温升的物理模型和实测负载数据，计算开关柜内集总热源中心的负载理想温度，以及所确定的间接测温点的负载理想温度。以下为不同模型的计算结果：

第1、根据第二模型，开关柜内集总热源中心温度只通过间接测温点温度和开关柜负载参数，即可准确计算出。本实施例的高压开关柜，则可通过第二模型计算得到，。

第2、根据第三模型，开关柜内集总热源中心温度只通过环境温度和开关柜负载参数，即可准确计算出，本实施例的高压开关柜，则可通过第三模型计算得到，，可以看出与第二模型计算的结果有一定偏差。

第3、根据第四模型，开关柜间接测温点温度只通过环境温度和开关柜负载参数，即可准确计算出，本实施例的高压开关柜，则可通过第四模型计算得到，。

第四步，故障状态诊断：根据上述实测间接测温点温度、环境测温点的温度、上述计算出的集总热源中心传热学温度、集总热源中心的负载理想温度、间接测温点的负载理想温度进行比较和计算，通过与设定的故障判断标准进行比较，从而进行故障状态的诊断。具体的，可以分为四种方法和对应的判断标准：

方法一，根据开关柜内集总热源中心传热学温度的诊断方法和诊断标准。

根据《GBT11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中相关温度和温升极限标准，并以轻度发热量不平衡发热模式为基准，推导计算通用阈值诊断标准。分别计算出：

时，；

诊断标准为：

则本实施例的高压开关柜，，诊断结论为：存在隐患可能性。

方法二，根据开关柜间接测温点的实测温度的诊断方法和诊断标准。

通过第一模型，根据上面方法一中的集总热源中心的三个温度阈值分别计算出间接测温点的温度阈值或温升阈值：

当时，，；

诊断标准为：

实例1的高压开关柜，，而，诊断结论为：存在隐患可能性。

方法三，根据开关柜内集总热源中心负载理想温度与开关柜内集总热源中心的传热学温度相比较的诊断方法和诊断标准。

诊断规则：在本实施例中的开关柜内集总热源中心的负载理想温度与开关柜内集总热源中心的传热学温度的变比系数为：

则本实施例的高压开关柜，诊断结论为：一般缺陷隐患。

方法四，是根据开关柜上确定的间接测温点温度的负载理想温度与该点实测温度相比较的诊断方法和诊断标准。

诊断规则：本实施例中的开关柜上确定的间接测温点温度的负载理想温度与该点实测温度的变比系数为：

则本实施例中的高压开关柜，诊断结论为：一般缺陷隐患。

从上述的四种诊断方法，都可以分别对开关柜设备进行故障状态的诊断。对于第一和第二种方法，因未知开关柜设备的负载信息，所得诊断结论有较大的模糊性；进一步的，通过第三和第四中方法，结合了开关柜设备的负载参数信息(可根据负载数据计算出负载热损耗)，所得诊断结论是比较明确的。当然，更进一步的，通过系统的方式，进行大数据的分析，将相近型号的开关柜的上述四种诊断方法的结果，进行横向的比较和纵向的历史比较，将比较的结果再进行归纳整理，将得出更加准确的诊断结论。

Claims

1.一种基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，通过对开关柜外用于安装测温传感器的间接测温点以及环境测温点进行温度实时监测，来进行开关柜故障状态判断，其特征在于包括以下步骤：

步骤A：物理建模；根据某一确定类型的开关柜，选择确定所述间接测温点和环境测温点的位置，并建立以该两个测温点的温度数据为已知变量的相关量的物理模型，该物理模型包括开关柜温度场的物理模型和负载致热温升的物理模型；

步骤B：实时测得所述间接测温点的温度和环境测温点的温度，并通过所述温度场的物理模型计算出开关柜内集总热源中心的温度；

步骤C：计算负载理想温度；根据实测的负载数据和所述负载致热温升的物理模型，计算开关柜内集总热源中心的负载理想温度，和/或所确定的间接测温点的负载理想温度；

步骤D：根据所述间接测温点的温度、集总热源中心的温度以及集总热源中心的负载理想温度和/或所确定的间接测温点的负载理想温度，与设定的故障判断标准中的阈值进行比较，做出故障状态的诊断。

2.根据权利要求1所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于，所述温度场的物理模型包括第一模型：

其中，为所述集总热源中心到间接测温点的热阻相关热物性系数；

为所述集总热源中心到间接测温点的热容相关热物性系数；

为所述间接测温点到环境温度点的热阻相关热物性系数；

为所述间接测温点到环境温度点的热容相关热物性系数。

3.根据权利要求2所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,所述步骤D中的故障判断标准是根据第一模型计算出的集总热源中心的温度或温升来与预设的阈值进行比较，判断条件如下：

其中，所述和分别为存在隐患可能性状态下集总热源中心的温度阈值和温升阈值；

所述和分别为在产生故障预警状态下集总热源中心的温度阈值和温升阈值；

所述和分别为在产生故障报警状态下集总热源中心的温度阈值和温升阈值；

并且上述存在隐患可能性、故障预警、故障报警状态的温度阈值或温升阈值逐步增大，当或时，则判断为健康状态。

4.根据权利要求3所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,所述步骤D中的故障判断标准是根据实测的间接测温点的温度或温升来与预设的阈值进行比较，该阈值是根据所述集总热源中心的温度或温升阈值通过第一模型反向计算得出，判断条件如下：

诊断结果当或存在隐患可能性1 --> 当或故障预警当或故障报警

其中，所述和分别为存在隐患可能性状态下间接测温点的温度阈值和温升阈值；

所述和分别为在产生故障预警状态下间接测温点的温度阈值和温升阈值；

所述和分别为在产生故障报警状态下间接测温点的温度阈值和温升阈值。

5.根据权利要求2所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,所述负载致热温升的物理模型包括：

第二模型：；

第三模型：；

第四模型：；

其中所述为t时刻开关柜内的集总热源中心的总热损耗。

6.根据权利要求5所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,所述步骤D中的故障判断标准是根据所述集总热源中心的负载理想温度与集总热源中心的传热学温度之间的变比系数来与预设的阈值进行比较，该系数设为：

所述传热学温度即为根据所述第一模型中温度场计算得出的集总热源中心的温度，所述是根据所述第二模型中温升致热效应得出的理想温度；依据该系数的判断条件如下：

诊断结果健康状态一般缺陷隐患严重缺陷隐患紧急缺陷隐患

。

7.根据权利要求5所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,所述步骤D中的故障判断标准是根据所述间接测温点的负载理想温度与该间接测温点的实测温度之间的变比系数来与预设的阈值进行比较，该系数设为：

所述间接测温点的负载理想温度是根据第四模型中温升致热效应计算得出的理想温度；依据该系数的判断条件如下：

诊断结果健康状态一般缺陷隐患严重缺陷隐患紧急缺陷隐患

。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,当开关柜的一次电气设备在不停电运行状态下可现场安装测温传感器的情况下，所述间接测温点的位置选择在开关柜的断路器间隔泄压通道的天窗隔板上，或母排间隔泄压通道的天窗隔板上，或出线间隔泄压通道的天窗隔板上，或二次设备间隔中与一次电气间隔相间的底部隔板上。

9.根据权利要求1至7任一项所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,当一次电气间隔允许进行停电安装测温传感器的情况下，所述间接测温点选择在开关柜的断路器间隔、母排间隔、出线间隔内的中部侧壁或顶板上。

10.根据权利要求1至7任一项所述的基于在线间接测温方式的开关柜故障诊断方法，其特征在于,所述环境测温点设置在所测开关柜外的前表面或后表面的底部。