基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸分合到位综合判别方法研究

基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸分合到位综合判别方法研究

李祥斌王立江乔柱桥

(1中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局;2深圳悦锐达科技有限公司;

3中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局)

摘要：本文基于±800kV普侨直流输电工程送端普洱换流站采用的某厂家生产的ELK-3型500kV电压等级GIS设备，通过剖析该GIS设备的（接地）刀闸机械结构和二次控制、信号回路，提出一种全新的基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸分合到位综合判别方法。

关键字：气体绝缘全封闭组合电器；机器视觉；判别

1引言

SF6气体绝缘全封闭组合电器（简称GIS设备）由于其占地面积小，抗震性能好，免维护等优点，在现代变电站、换流站中得到越来越广泛的应用。在GIS设备的刀闸操作中，每一项改变设备运行方式的操作后，一般只能通过检查其分合闸指示灯、本体上的机械分合闸指示器来判别设备是否操作到位，无法直接观察触头接触情况，判断GIS刀闸触头分合闸是否到位，一旦发生触头分合闸不到位，则会引起事故[1]。

2GIS（接地）刀闸非全相分合闸隐患分析

ELK-3型500kV电压等级GIS（接地）刀闸结构设计紧凑，采用一个机构箱三相联动式结构（如图1所示），安装于C相上的机构箱为刀闸操作时提供动力、监控节点和分合位置指示信息，A、B相安装齿轮箱通过传动连杆与C相连接。A、B相齿轮箱中未配置二次监控节点和位置指示器。

图1：ELK-3型GIS隔离开关三相连接结构示意图

ELK-3型500kV电压等级GIS（接地）刀闸这种结构在很大程度上提高了GIS设备的紧凑性和简洁性，因位置指示器和二次监控节点均只在C相安装，只要C相机构箱正常动作，现场位置指示器以及二次监控系统就会判别（接地）刀闸已在正常的分合位置。所以LK-3型500kV电压等级GIS（接地）刀闸存在着以下三点隐患：

1）（接地）刀闸非全相分合闸；

2）（接地）刀闸非全相分合闸，且现场位置指示器和二次监控系统无法正确识别出（接地）刀闸处于非全相运行状态；

3）（接地）刀闸分合不到位，现有技术手段无法识别。

3GIS（接地）刀闸非全相分合闸故障实例分析

某巨型水电站装机容量大、处于全国电网互联的关键节点，交流开关全部采用GIS设备，右三电站分别于2012年03月27日和2014年04月18日发生两起GIS接地刀闸飞全相分闸事件，所幸第一次设备处于检修状态，未造成实际后果。

2014年4月18日，电厂运行人员准备将某断路器投入运行，在确认该断路器的检修接地刀闸C分闸信号指示到位后，对该断路器的隔离开关进行合闸操作，当隔离开关合闸时，所在母线母差保护动作[2]，将母线下所有3号断路器跳闸，同时故障录波装置检测到B、C相有短路电流，GIS局部放电在线监测装置检测到合闸的隔离开关附近有短路放电现象。现场查看发现检修接地刀闸C的B相接地联板上有明显的放电痕迹。仔细检查发现接地刀闸C的A相操动机构尼龙齿轮与传动连杆上鼓形齿轮处于脱扣状态，使A相分闸动作未传动至B、C相。拆开GIS气室，发现当A相已分闸到位时而B、C相仍然是合闸状态。当隔离开关合闸时，电流通过检修接地刀闸未分开的B、C相直接接地导致接地短路故障[3]隔离开关合闸时电弧对隔离开关动静触头造成了严重烧蚀。如图2所示：

图2：某巨型水电站500kVGIS接地刀闸非全相拉开故障

总结原因这是一起因GIS接地开关实际位置判别错误（包括位置指示器判别和二次监控回路判别）导致的母线接地故障，具体原因为B相操作机构与A相操作机构的传动连杆脱落导致B、C相未跟随A相一起动作。

4现有GIS（接地）刀闸分合到位判断方法研究

1)位置指示器

根据安装在GIS（接地）刀闸机构箱上的分合闸位置指示器判别（接地）刀闸在分位还是合位，但由于位置指示器与刀闸机构箱传动杆是非硬连接，故（接地）刀闸分合位置指示器信息仅能作为判别（接地）刀闸分位、合位的初步信息，不能作为（接地）刀闸是否分合到位的有效判据。

2)位置指示灯

GIS（接地）刀闸现场指示灯根据连接在主机构箱传动杆上的分合位置二次触点的通断点亮相应的指示灯，在原理上与安装于机构箱上的位置指示器同理，同样不能作为（接地）刀闸是否分合到位的有效判据。

3)监控系统

二次监控系统分合位置信息取自与位置指示灯同样的二次接点，同样不能作为（接地）刀闸是否分合到位的有效判据。另一方面，仅在安装有机构箱的C相配置有二次位置接点，不能反映A、B相的位置信息。

4)分相位置指示器

为避免GIS（接地）刀闸非全相分合闸时位置信息识别错误，目前较为常见的方法是在三相均安装位置指示器，通过现场检查人员识别（接地）刀闸是否三相均已在正确位置。但在绝缘杆或导体内的齿轮件脱落时，位置指示器仍指示与实际位置不符的信息，没有100%的可靠性。

5基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸触头分合到位判断方法

在一般的500kV电压等级的倒闸操作中，采用远方发令的操作模式，隔离开关与接地刀闸在二次监控系统中设置有电气连锁，只有二次监控系统监测到接地刀闸在分位时，才具有合隔离开关的操作允许位。操作过程中，设备安装现场设置有现场位置检查人，负责检查现场的位置指示器和信号灯是否符合设备应处于的状态。

国内多次发生的接地刀闸非全相分闸导致母线接地故障充分表明：依靠现场位置指示器和二次监控系统判别GIS（接地）刀闸位置是不可靠的。

基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸触头分合到位判断方法通过安装于GIS（地刀）刀闸观察窗上的视觉设备（如图3），将密封在GIS外壳内部的接地）刀闸触头的实时图像摄取、处理，直观的显示在视觉设备的显示屏上，现场检查人员直观查看（接地）刀闸的触头实际位置图像，判断三相（接地）刀闸实际位置，具有100%的可靠性。

图3基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸触头分合到位判断原理图

笔者根据基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸触头分合到位判断方法开发了一套触头位置可视化装置，可直观、明了判断刀闸的实际位置。结合现场的位置指示器和二次监控系统，共同判别刀闸的实际位置。可有效解决（接地）刀闸非全相分合闸时现场位置指示器和二次监控系统无法正确识别出（接地）刀闸处于非全相运行状态隐患。同时，可作为识别GIS（接地）刀闸分合不到位的有效技术手段。

6结论

目前500kV电压等级GIS（接地）刀闸操作过程中，依靠二次监控系统和现场位置指示器判别（接地）刀闸的实际位置不具有100%可靠性。由于GIS隔离开关和接地刀闸之间一般不设置有机械连锁，当发生接地刀闸非全相操作时，会导致应检修的设备未接地（非全相合闸）、应复电的设备接地刀闸未拉开（非全相分闸），接地刀闸非全相合闸无法保障检修人员的人身安全、非全相分闸导致复电过程中母线接地故障。而隔离开关非全相分合闸也会导致电网非全相运行，这对500kV电网显然是不允许的。

本文通过研究现有的500kV电压等级GIS（接地）刀闸的实际位置判别方法，提出一种可靠性100%的基于机器视觉技术的GIS（接地）刀闸实际位置判别方法，结合传统的位置指示器、二次监控等方法，在设备上增加可直观监控GIS（接地）刀闸动、静触头画面的监控装置，不对运行设备的电磁场分布产生影响，可靠解决了500kV电压等级GIS（接地）刀闸的实际位置判别不可靠问题和分合闸不到位无法正确识别问题。

参考文献：

[1]马龙涛,苏凤飞.GIS设备运行中注意的几个问题[J].电气应用.2010(01):52.

[2]周春龙,GIS设备刀闸安装不到位导致母差动作事故分析[J].科技创业月刊[J].2013(01):170-171

[3]徐烙,GIS刀闸非全相分合闸故障分析及处理[J].水电与新能源，2015(8):52