牛勃，馬飛越，相中華，伍弘，孫尚鵬，溫泉

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著超高壓、特高壓的快速發(fā)展，750 kV及以上電壓等級(jí)GIS、HGIS、罐式斷路器等裝設(shè)合閘電阻堆(preinsertion resistors, PIR)的開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備因其占地面積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1-2]。以國(guó)家電網(wǎng)公司西北電網(wǎng)750 kV電壓等級(jí)為例，截止2020年累計(jì)裝用GIS設(shè)備371間隔，罐式斷路器440臺(tái)。目前各高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備常采用的電阻片均來(lái)自英國(guó)摩根電氣公司，其主要成分包括碳導(dǎo)體、惰性陶瓷填充料和粘土粘合劑，并以顆粒的形態(tài)按一定比例混合而成。該種結(jié)構(gòu)合閘電阻目前主要被應(yīng)用于800 kV及以上電壓等級(jí)線(xiàn)路斷路器以及550 kV及以上交流濾波器用斷路器，用以抑制斷路器分合閘過(guò)程中的合閘涌流與暫態(tài)過(guò)電壓。其中，550 kV及以下電壓等級(jí)線(xiàn)路通過(guò)避雷器的不同配置方式來(lái)抑制操作過(guò)電壓，800 kV及以上電壓等級(jí)由于電壓等級(jí)高，絕緣配合要求苛刻，對(duì)操作過(guò)電壓限制值更低，從而該電壓等級(jí)線(xiàn)路斷路器均采用帶合閘電阻堆結(jié)構(gòu)[3-15]。交流濾波器(AC filter，ACF)用斷路器主要用來(lái)對(duì)換流站的容性負(fù)載的投切，以提供換流站所需無(wú)功，并進(jìn)行相應(yīng)的諧波濾除。該類(lèi)斷路器較線(xiàn)路斷路器不僅動(dòng)作頻繁，且分合過(guò)程中要同時(shí)承受交直流混合電壓的作用，合閘電阻堆故障較為頻繁，以國(guó)家電網(wǎng)西北電網(wǎng)為例，罐式斷路器合閘電阻堆異常導(dǎo)致故障占同類(lèi)設(shè)備故障比例30%[16-23]。

目前，針對(duì)斷路器合閘電阻堆出現(xiàn)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)家依據(jù)設(shè)備使用場(chǎng)所提出了不同的解決方法，但沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。其中，針對(duì)ACF用斷路器西門(mén)子公司以及部分設(shè)備運(yùn)維單位主要通過(guò)提高滅弧室SF6氣體的額定壓力，以增強(qiáng)內(nèi)絕緣強(qiáng)度，確保斷路器在交直流復(fù)合過(guò)電壓作用下開(kāi)斷容性電流時(shí)不發(fā)生重燃[24-29]。北京ABB公司提出采用選相合閘斷路器替換常規(guī)帶合閘電阻斷路器，但相關(guān)電壓等級(jí)產(chǎn)品尚未在工程中得到應(yīng)用[30-34]。針對(duì)線(xiàn)路用斷路器廈門(mén)ABB公司與新東北公司提出合閘電阻堆結(jié)構(gòu)單獨(dú)氣室布置方式，以降低合閘電阻堆運(yùn)行故障，相關(guān)產(chǎn)品已在廈門(mén)ABB 750 kV GIS設(shè)備與新東北公司1 100 kV GIS設(shè)備中應(yīng)用[35-45]。盡管設(shè)備制造廠(chǎng)提出了不同的運(yùn)維檢修策略，但并未對(duì)帶合閘電阻斷路器運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行可靠性及合閘電阻炸裂后的故障診斷技術(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)研究。

本文首先對(duì)摩根公司所生產(chǎn)合閘電阻的基本物理性能以及主流制造廠(chǎng)采用的兩種合閘電阻堆布置方式進(jìn)行介紹，之后通過(guò)合閘過(guò)程暫態(tài)波形分析、合閘過(guò)程中聲振檢測(cè)與應(yīng)力分析、電磁場(chǎng)仿真、合閘電阻熱容量試驗(yàn)、合閘電阻熱容量仿真以及基于迭代最近點(diǎn)算法(iterative closest point，ICP)的合閘電阻堆拼接等方法，對(duì)兩起串并聯(lián)合閘電阻結(jié)構(gòu)堆斷路器運(yùn)行故障進(jìn)行分析，為斷路器合閘電阻運(yùn)行可靠性分析及故障診斷提供技術(shù)支撐，避免事故發(fā)生。

1 合閘電阻特性參數(shù)

進(jìn)行合閘電阻運(yùn)行可靠性與故障分析時(shí)，首先應(yīng)了解合閘電阻的特性參數(shù)，尤其是合閘電阻片的比熱、短時(shí)安全工作體積熱容量、短時(shí)工作的允許溫度、電阻發(fā)熱后的散熱時(shí)間常數(shù)[46-48]。目前各高壓開(kāi)關(guān)制造廠(chǎng)應(yīng)用合閘電阻特性參數(shù)如下：

(1)比熱容≥2 J/(cm3·℃)。

(2)電阻溫度系數(shù)-0.05%/℃～-0.1%/℃。

(3)電阻電壓系數(shù)-0.5%/(kV·cm-1)～-7.5%/(kV·cm-1)。

(4)熱膨脹系數(shù)≤7.0×10-6/℃。

(5)短時(shí)安全工作體積熱容量(在SF6介質(zhì)中)

≥600 J/cm3(直徑φ111 mm);

≥500 J/cm3(直徑φ127 mm);

≥400 J/cm3(直徑φ150 mm)。

(6)短時(shí)工作允許溫度(輸入能量為600 J/cm3，SF6介質(zhì)為80 ℃時(shí))≤380 ℃。

(7)施加規(guī)定電壓時(shí)，電阻片表面溫升≤170 ℃。

(8)抗壓強(qiáng)度(每片環(huán)面均勻受力)≥16 kN。

(9)散熱時(shí)間常數(shù)τ≤1 290V/S，式中V為電阻片體積(cm3),S為電阻片側(cè)表面積(cm2)。

2 合閘電阻工作原理

不同廠(chǎng)家合閘電阻布置方式不同，目前主要包括三種方式，分別為合閘電阻單端布置、合閘電阻雙端布置以及合閘電阻單獨(dú)氣室布置。盡管不同廠(chǎng)家布置方式不同，但依據(jù)合閘電阻堆與主斷口關(guān)系不同，帶合閘電阻堆斷路器主要包括串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種方式。以750 kV罐式斷路器為例，串聯(lián)結(jié)構(gòu)代表設(shè)備為新東北LW56-800系列，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)代表設(shè)備為西開(kāi)LW13-800、平高LW55-800、ABB 800PM50 -50T等。相應(yīng)的合閘電阻如圖1所示。

(a) 并聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖1中并聯(lián)結(jié)構(gòu)的PIR斷口與電阻堆串聯(lián)，之后與滅弧室主斷口并聯(lián)，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)PIR斷口與電阻堆并聯(lián)后再與主斷口串聯(lián)。相應(yīng)的斷路器分合閘過(guò)程中主開(kāi)關(guān)與PIR開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況見(jiàn)表1。

表1 串并聯(lián)PIR結(jié)構(gòu)比較

表1斷路器操作遵循PIR開(kāi)關(guān)操作，即并聯(lián)PIR結(jié)構(gòu)在合閘期間PIR開(kāi)關(guān)與主開(kāi)關(guān)同步動(dòng)作，PIR開(kāi)關(guān)先合閘，PIR投入運(yùn)行8～11 ms后主開(kāi)關(guān)閉合短接PIR。分閘時(shí)PIR開(kāi)關(guān)在阻尼彈簧作用下首先斷開(kāi)，之后將開(kāi)斷電流轉(zhuǎn)移至滅弧室主開(kāi)關(guān)，主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)切斷電流。串聯(lián)PIR結(jié)構(gòu)在合閘期間主開(kāi)關(guān)與PIR開(kāi)關(guān)同步動(dòng)作，其中主開(kāi)關(guān)先合閘，電阻堆投入8～11 ms后PIR開(kāi)關(guān)合閘短接PIR，分閘時(shí)主開(kāi)關(guān)先斷開(kāi)切除電流，之后PIR開(kāi)關(guān)斷開(kāi)為下次合閘做準(zhǔn)備。

3 串聯(lián)結(jié)構(gòu)斷路器運(yùn)行可靠性分析

3.1 背景簡(jiǎn)介

某±800 kV換流變電站ACF用罐式斷路器采用1 500 Ω PIR串聯(lián)結(jié)構(gòu)，且電阻堆采用單端布置。其在電容器組投入過(guò)程中合閘電流無(wú)平滑抑制階段，出現(xiàn)明顯振蕩，分析斷路器內(nèi)部合閘電阻在斷路器動(dòng)作過(guò)程中存在間歇性放電缺陷。相應(yīng)的合閘暫態(tài)波形見(jiàn)圖2。

(a) A相合閘錄波

圖2(a)中949.3 ms合閘電阻投入，959.1 ms合閘電阻退出，合閘電阻退出時(shí)電流峰值為-2 238 A，峰值較大主要原因?yàn)楹祥l電阻退出時(shí)系統(tǒng)參數(shù)變化導(dǎo)致。圖2(b)中951.7 ms合閘電阻投入，電流發(fā)生明顯振蕩，畸變涌流峰值分別達(dá)到-1 164，905.7，858.3 A。分析C相斷路器內(nèi)部合閘電阻存在缺陷，在圖2(b)的區(qū)域I與區(qū)域Ⅱ發(fā)生間歇性放電。

3.2 動(dòng)態(tài)電阻擬合

合閘電阻狀態(tài)影響斷路器合閘涌流，通過(guò)改變異常相斷路器合閘電阻的阻值，計(jì)算斷路器投入合閘電阻與退出合閘電阻時(shí)的涌流峰值。為保證仿真結(jié)果可信度，仿真過(guò)程中合閘電阻投入相角與合閘涌流異常時(shí)相角保持一致。相應(yīng)的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同合閘電阻式涌流峰值

可以通過(guò)圖2故障錄波所得電流，反推此時(shí)對(duì)應(yīng)的合閘電阻值。為實(shí)時(shí)跟蹤合閘涌流變化，本文使用動(dòng)態(tài)電阻法對(duì)斷路器熄弧和燃弧時(shí)的合閘阻值進(jìn)行模擬。相應(yīng)的仿真波形如圖3所示。

(a) 合閘電阻異常仿真

圖3仿真波形中a、b、c、d為合閘電阻變化的四個(gè)時(shí)刻，藍(lán)線(xiàn)為合閘涌流，綠線(xiàn)為合閘電阻狀態(tài)，其中高電平代表合閘電阻被擊穿(合閘阻值不為1.5 kΩ)，低電平代表合閘電阻未被擊穿。由圖3仿真波形知a時(shí)刻合閘電阻被擊穿而發(fā)生燃弧，b時(shí)刻電流過(guò)零電弧熄滅，c時(shí)刻再次發(fā)生擊穿，d時(shí)刻電弧熄滅。

3.3 聲振信號(hào)檢測(cè)

為進(jìn)一步分析該斷路器運(yùn)行過(guò)程中合閘電阻堆是否存在缺陷，本文以斷路器合閘過(guò)程中彈簧釋能作為觸發(fā)信號(hào)，并采用高精度信號(hào)錄波儀、超聲波傳感器、振動(dòng)傳感器對(duì)異常C相與正常B相斷路器合閘過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。相應(yīng)的檢測(cè)圖譜如圖4所示。

(a) B相超聲波檢測(cè)圖譜

由圖4可知，斷路器主斷口機(jī)械合閘后聲振信號(hào)較合閘初期大，其中異常相斷路器振動(dòng)信號(hào)、超聲波信號(hào)分別為正常相1.6倍與3倍，分別達(dá)到6.73 V與80 V。此時(shí)合閘電阻處于投運(yùn)初期，分析斷路器合閘過(guò)程中的異常振動(dòng)導(dǎo)致合閘電阻堆內(nèi)表面損傷并產(chǎn)生微粒附著在合閘電阻堆內(nèi)表面與絕緣柱外表面，造成合閘電阻堆與絕緣柱搭接異常放電現(xiàn)象。

3.4 電場(chǎng)仿真

基于異常斷路器的暫態(tài)波形分析、動(dòng)態(tài)電阻擬合、聲振帶電檢測(cè)結(jié)果，分析合閘電阻內(nèi)表面存在機(jī)械損傷。相應(yīng)的機(jī)械損傷主要包括內(nèi)表面剮蹭，氣隙存在異物，外表面破裂以及電阻片存在貫穿性裂紋等，通過(guò)COMSOL對(duì)合閘過(guò)程中合閘電阻堆損傷狀態(tài)以及粒子影響情況進(jìn)行電場(chǎng)仿真，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)仿真模型如圖5所示。

(a) 計(jì)算模型

圖5仿真模型中，合閘電阻堆組成部分、幾何結(jié)構(gòu)以及其他物理參數(shù)來(lái)源于HVR線(xiàn)性電阻片。在耐受電壓為1 746 kV、合閘電阻堆與絕緣支撐柱之間氣隙間距1.5 mm、顆粒尺寸為 0.2 mm、合閘電阻裂縫深度10 mm、裂縫寬度1 mm時(shí)，相應(yīng)的電阻堆裂縫與粒子仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

(a) 電阻片存在裂紋仿真結(jié)果

由圖6可知電阻片存在裂紋時(shí)電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重部位為裂縫首端22.75 kV/mm，在裂縫邊沿電場(chǎng)較為集中為14.5 kV/mm。電阻堆與絕緣柱之間氣隙內(nèi)存在微粒時(shí)，隨著粒子在氣隙中位置不同，電場(chǎng)畸變程度不同，其中接近電阻內(nèi)表面電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重為17.22 kV/mm，電阻與絕緣柱接觸時(shí)次之。電阻片沖擊電壓為25 kV、1.2/50 μs，電阻片存在裂紋時(shí)電場(chǎng)畸變程度接近電阻片沖擊電壓范圍，存在微粒時(shí)表面電場(chǎng)強(qiáng)度小于電阻片沖擊電壓峰值，但作用時(shí)間11 ms遠(yuǎn)超出其半峰時(shí)間50 μs。通過(guò)物理場(chǎng)仿真知合閘電阻存在缺陷時(shí)，易導(dǎo)致缺陷部位電場(chǎng)發(fā)生畸變，最終影響合閘電阻的耐壓性能與涌流抑制能力。

3.5 合閘電阻熱容量試驗(yàn)

為進(jìn)一步考核合閘電阻的限流性能，本文在1/3～1/6全電壓下通過(guò)全電流對(duì)異常斷路器進(jìn)行熱容量試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)合閘電阻熱容量試驗(yàn)電路如圖7(a)所示。合閘電阻熱容量測(cè)試時(shí)，合閘開(kāi)關(guān)、輔助開(kāi)關(guān)1動(dòng)作，被試試品通流。被試品通流11ms 后，輔助開(kāi)關(guān)2觸頭接通被試試品短接，輔助開(kāi)關(guān)1分閘切斷電流。

試驗(yàn)中分壓器與電流互感器分別檢測(cè)到試驗(yàn)電壓、電流峰值為83.42 kV，0.325 kA時(shí)合閘電阻失效，持續(xù)時(shí)間1.4 ms。圖7(b)中試驗(yàn)電壓呈現(xiàn)階梯狀衰減，試驗(yàn)電流發(fā)生振蕩型變化，最終合閘電阻擊穿，限制合閘涌流作用失效。之后對(duì)試驗(yàn)斷路器合閘電阻進(jìn)行測(cè)量，阻值偏差滿(mǎn)足±5%偏差要求。試驗(yàn)表明常規(guī)阻值測(cè)試方法難以發(fā)現(xiàn)合閘電阻內(nèi)部電氣缺陷，熱容量試驗(yàn)可以診斷出合閘電阻間歇性局部放電缺陷。

(a) 熱容量試驗(yàn)電路

3.6 解體檢查及故障原因分析

拆除斷路器機(jī)構(gòu)，將滅弧室與罐體分離后發(fā)現(xiàn)一柱合閘電阻外表面熏黑，分子篩附近存在少量黑色分解產(chǎn)物；合閘電阻表面燒傷，燒蝕痕跡從內(nèi)向外擴(kuò)展；絕緣柱存在兩處損傷，表面存在明顯熏黑現(xiàn)象；電阻銅制連接片存在燒蝕，燒蝕狀態(tài)呈現(xiàn)輻射狀。罐體拆解檢查結(jié)果如圖8所示。

(a) 絕緣柱表面貫穿性閃絡(luò)痕跡

通過(guò)異常斷路器合閘過(guò)程的暫態(tài)波形分析、聲振信號(hào)帶電檢測(cè)、物理場(chǎng)仿真以及返廠(chǎng)檢查情況，分析導(dǎo)致斷路器合閘涌流異常原因有以下方面：

(1)串聯(lián)PIR結(jié)構(gòu)斷路器主斷口合閘，PIR投入時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)，使端面電阻片內(nèi)表面受損，產(chǎn)生異物，導(dǎo)致單柱電阻堆在投運(yùn)時(shí)絕緣柱兩端發(fā)生貫穿性放電；同時(shí)產(chǎn)生放電粉塵，粉塵隨氣流運(yùn)動(dòng)吸附到電阻堆外表面等位置，形成黑色痕跡，造成部分電阻片及連接片靠近絕緣桿的中心孔位置發(fā)生輕微燒蝕。

(2)合閘電阻堆電阻片壓緊工藝不良，導(dǎo)致連接銅片與電阻片為點(diǎn)接觸方式，在電阻堆投運(yùn)時(shí)局部電流密度過(guò)高，產(chǎn)生電弧放電，造成電阻堆損傷，最終導(dǎo)致合閘電阻堆絕緣支撐桿絕緣擊穿。

4 并聯(lián)結(jié)構(gòu)斷路器故障診斷技術(shù)

4.1 故障簡(jiǎn)介

S特高壓換流站年度綜檢后操作7573斷路器，進(jìn)行M線(xiàn)送電，合閘8 s后750 kVⅡ母兩套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，M線(xiàn)兩套線(xiàn)路保護(hù)動(dòng)作，7513、7523、7543、7573、7583、7593、75B3、75C3斷路器跳閘。通過(guò)故障保護(hù)動(dòng)作情況分析 573 B相斷路器間隔內(nèi)部發(fā)生間隙接地故障，繼而對(duì)其分閘過(guò)程中錄波圖進(jìn)行分析，相應(yīng)的故障斷路器跳閘過(guò)程中電壓、電流錄波如圖9所示。

由圖9知99 130 μs時(shí)，斷路器內(nèi)部發(fā)生接地故障，運(yùn)行電壓、運(yùn)行電流開(kāi)始畸變，其中運(yùn)行電壓近似分段線(xiàn)性衰減，之后發(fā)生振蕩。分析起始接地故障為電阻接地，之后由于故障電流增加導(dǎo)致電阻堆端部電壓抬升，超出罐體設(shè)計(jì)裕度而發(fā)生多點(diǎn)接地。故障持續(xù)時(shí)間40 950 μs后，斷路器過(guò)流保護(hù)動(dòng)作切除故障，其中故障電流峰值為44.75 kA。

(a) 電壓錄波

4.2 解體檢查分析

拆除斷路器底部吸附劑罩蓋板時(shí)發(fā)現(xiàn)蓋板表面、罐體內(nèi)部存在112塊合閘電阻碎片，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)一柱阻值為58 Ω的合閘電阻堆發(fā)生炸裂，其他3柱合閘電阻堆防護(hù)套正常。由第一章電阻堆散熱時(shí)間常數(shù)知，電阻在8 s內(nèi)的熱量損失可以忽略，即導(dǎo)致合閘電阻炸裂原因?yàn)閿嗦菲鲀?nèi)部發(fā)生放電，導(dǎo)致電阻在大電流作用下發(fā)生崩裂。分析設(shè)備內(nèi)部發(fā)生多點(diǎn)擊穿時(shí)有較大的短路電流通過(guò)炸裂合閘電阻堆，相應(yīng)的解體結(jié)果如圖10(a)所示。

故障斷路器解體檢查發(fā)現(xiàn)炸裂電阻堆與正常電阻堆連接的屏蔽罩燒蝕嚴(yán)重，炸裂電阻堆端部均壓環(huán)發(fā)生燒蝕。依據(jù)圖9(a)故障斷路器電壓錄波知故障電流流過(guò)合閘電阻，持續(xù)時(shí)間不低于3 370 μs，即電壓波形開(kāi)始發(fā)生振蕩前故障電流流過(guò)合閘電阻，之后內(nèi)部發(fā)生多點(diǎn)接地，接地電壓開(kāi)始振蕩衰減。從而分析電阻堆連接部分屏蔽罩的放電點(diǎn)為主放電點(diǎn)，電阻堆端部屏蔽罩放電點(diǎn)為衍生放電點(diǎn)[12-15]，相應(yīng)的放電軌跡如圖10(b)所示。

(a) 散落電阻碎片

4.3 合閘電阻熱容量仿真

基于第一章合閘電阻電氣參數(shù)特性與圖11故障過(guò)程中合閘涌流變化趨勢(shì)知，故障斷路器合閘8 s后的電阻堆溫度為120 ℃，阻值下降12%至51.04 Ω。8 s后發(fā)生接地故障，電流開(kāi)始按照近似正弦的規(guī)律上升，當(dāng)電流持續(xù)時(shí)間為3 030 μs時(shí)，電壓發(fā)生振蕩，罐體內(nèi)衍生放電位置開(kāi)始擊穿，此時(shí)斷路器合閘電阻堆溫度達(dá)到1 788.04 ℃，導(dǎo)致其發(fā)生外爆。相應(yīng)的合閘電阻堆溫度變化趨勢(shì)如圖11所示。

圖11 合閘電阻堆溫度變化曲線(xiàn)

接地故障后電阻堆溫度隨著時(shí)間變化開(kāi)始快速提升，相應(yīng)的電阻堆溫度由合閘后120 ℃上升至1 788.04 ℃。依據(jù)圖10合閘電阻炸裂結(jié)果分析知炸裂電阻堆端部的調(diào)整鋁片根部發(fā)生融化，電阻堆表面特種涂層部分發(fā)生燒蝕，表明此時(shí)炸裂電阻堆溫度不低于1 000 ℃，表明仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)解體結(jié)果符合。

4.4 基于ICP的合閘電阻堆拼接

合閘電阻因長(zhǎng)時(shí)間大電流流過(guò)而導(dǎo)致崩裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量合閘電阻碎片，若不能完成碎片拼接，則難以獲取電阻對(duì)內(nèi)爆起點(diǎn)和碎片破碎過(guò)程，繼而影響斷路器故障原因分析。由于實(shí)際采集到的碎片由10個(gè)合閘電阻破碎得到，累計(jì)達(dá)112塊，這使得碎片的拼接變得更為復(fù)雜和困難，難以進(jìn)行電阻崩裂原因分析；同時(shí)，采集過(guò)程中無(wú)法判別電阻碎片的正反面，導(dǎo)致傳統(tǒng)sobel、roberts、prewitt等提取方法易受邊沿噪聲的干擾。為解決傳統(tǒng)算法提取圖像邊緣時(shí)容易出現(xiàn)的噪聲干擾和后續(xù)碎片輪廓拼接困難的問(wèn)題，本文提出基于ICP的碎片拼接方法：首先將初始采集到的圖像灰度化之后經(jīng)過(guò)去噪和中值濾波，得到無(wú)噪聲的碎片圖像；之后采用閾值分割的方法將碎片分割，將碎片信息完整的分割保留，而背景圖像則全部被標(biāo)記為純黑色，其中一塊碎片的邊緣提取結(jié)果如圖12所示。

本文所采用方法提取的碎片邊緣完整連續(xù)且無(wú)其他噪聲。在得到碎片邊緣信息之后，結(jié)合實(shí)際研究對(duì)象，可以看出大部分碎片都保留著外圍的碎片弧形邊緣，而這一部分的信息對(duì)于實(shí)際拼接過(guò)程是不起作用的。為了實(shí)際拼接的效率和精度考慮，將碎片中外圍的圓弧和內(nèi)部的圓弧予以忽略，只保留碎片圓弧之外的邊緣信息。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，針對(duì)不同碎片的擺放位置，需要針對(duì)每個(gè)碎片計(jì)算其對(duì)應(yīng)的非圓弧部位。結(jié)合實(shí)際拼接過(guò)程，在拼接中需要將碎片的一個(gè)側(cè)邊和其他碎片拼接，而大部分碎片的邊緣在忽略圓弧部分之后可以分為兩個(gè)側(cè)邊，本文對(duì)這兩個(gè)側(cè)邊分別保留了獲得每個(gè)碎片的上下側(cè)邊信息之后，使用這些關(guān)鍵的邊緣信息完成拼接。本文提出使用通過(guò)ICP算法完成這些邊緣信息的拼接過(guò)程，ICP算法包括兩部分：對(duì)應(yīng)點(diǎn)搜索和位姿求解，其目的在于求解兩個(gè)點(diǎn)集之間的匹配關(guān)系，求解的結(jié)果為兩個(gè)點(diǎn)集之間的平移和旋轉(zhuǎn)量。假設(shè)P和M是兩個(gè)點(diǎn)集，P為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)集，M為待配準(zhǔn)點(diǎn)集。具體步驟包括如下4步：

(1)搜索最近點(diǎn)。

取P中一點(diǎn)P(i)，在M中找到距離P(i)最近的M(i)，則點(diǎn)對(duì)(P(i)，M(i))構(gòu)成了一對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，同時(shí)它們之間存在一定的旋轉(zhuǎn)和平移關(guān)系，需要求解出旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量來(lái)確定兩個(gè)點(diǎn)集之間的關(guān)系；

(2)求解變換關(guān)系(R，T)。

n對(duì)點(diǎn)(P(i)，M(i))對(duì)應(yīng)于n個(gè)方程組，采用一定的數(shù)學(xué)方法求解得到(R，T)，為了求解得到更加精確的點(diǎn)集之間變換關(guān)系，需要不斷迭代算法；

(3)應(yīng)用變換。

對(duì)點(diǎn)集P中每一個(gè)點(diǎn)P(i)運(yùn)用變換關(guān)系得到點(diǎn)集P2，定義點(diǎn)集之間相似度衡量函數(shù)：

(1)

式(1)中E的物理意義為經(jīng)過(guò)變換之后的P中每個(gè)點(diǎn)與M中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離之和。根據(jù)算法精度要求，給定終止迭代的條件，當(dāng)E小于給定的值時(shí)終止迭代。

(4)重復(fù)迭代。

當(dāng)?shù)?jì)算得到的E滿(mǎn)足條件時(shí)終止迭代，輸出最優(yōu)(R，T)，否則繼續(xù)迭代，直到滿(mǎn)足條件。在每次迭代過(guò)程中，均需重新計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即需要將經(jīng)過(guò)變換的點(diǎn)集Pn帶入函數(shù)E中繼續(xù)迭代。

依據(jù)上述步驟尋找未匹配側(cè)邊的最佳匹配，最終完成碎片拼接。拼接結(jié)果如圖13所示。

圖13 碎片拼接結(jié)果

依據(jù)碎片拼接結(jié)果，合閘電阻片靠近端部與中間炸裂嚴(yán)重。依據(jù)圖12，故障原因?yàn)楹祥l電阻負(fù)荷側(cè)首先發(fā)生接地故障，之后導(dǎo)致電源側(cè)電流增大，最終發(fā)生電阻崩裂。由于電阻堆自身重力以及電阻堆與絕緣柱之間存在較大氣隙，電阻片中間炸裂亦較為嚴(yán)重，圖片拼接結(jié)果與4.2節(jié)斷路器解體檢查結(jié)果相符。

4.5 電場(chǎng)仿真分析

由4.2解體檢查知主放電軌跡為第一柱電阻堆與第二柱電阻堆之間的屏蔽罩對(duì)罐體。以主放電點(diǎn)處屏蔽罩為模型，分別對(duì)屏蔽罩表面附著尺寸為1 mm2合閘電阻屑時(shí)的電場(chǎng)畸變情況，以及屏蔽罩表面附著1 mm2合閘電阻屑時(shí)氣腔內(nèi)不同數(shù)量異物導(dǎo)致氣腔內(nèi)電場(chǎng)畸變情況進(jìn)行電場(chǎng)仿真，相應(yīng)的異物仿真結(jié)果分別如圖14、表3所示。

圖14 主放電路徑仿真模型

表3 主放電路徑異物仿真結(jié)果

由表3仿真結(jié)果可知，屏蔽處與氣腔內(nèi)無(wú)異物時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng)位于屏蔽表面，場(chǎng)強(qiáng)為18.12 kV/mm；當(dāng)屏蔽罩表面存在1 mm合閘電阻屑時(shí)電場(chǎng)畸變?yōu)?5.75 kV/mm。當(dāng)氣室內(nèi)存在不同數(shù)量異物時(shí)電場(chǎng)發(fā)生變化，其中屏蔽罩表面電場(chǎng)畸變程度變化較小，但隨著氣腔內(nèi)異物數(shù)量的增加，氣腔內(nèi)電場(chǎng)畸變程度呈逐漸上升趨勢(shì)。分析主放電點(diǎn)放電原因?yàn)閿嗦菲鞑賱?dòng)合閘過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)使罐體底部異物發(fā)生跳動(dòng)，或斷路器操動(dòng)過(guò)程中罐體殘留異物通過(guò)合閘氣流運(yùn)動(dòng)至屏蔽罩表面，并在屏蔽罩與下方氣腔內(nèi)懸浮，最終導(dǎo)致?lián)舸?/p>

4.6 應(yīng)力特性分析

針對(duì)返廠(chǎng)解體合閘電阻堆缺陷，基于ICP算法的碎片拼接結(jié)果以及存在異物時(shí)電場(chǎng)仿真情況，本文采用Ansys對(duì)運(yùn)行過(guò)程中電阻堆應(yīng)力特性進(jìn)行分析，判斷異物是否有合閘電阻片受力不均勻?qū)е?。合閘電阻堆裝配時(shí)通過(guò)彈簧施加4 964 N彈力壓緊，即正常裝配狀態(tài)下，電阻堆內(nèi)每片線(xiàn)性電阻端面均承受該壓力；同時(shí)，電阻堆裝配完成后，裝配件整體的重力加載在裝配件的質(zhì)心上。按照此邊界條件對(duì)電阻堆進(jìn)行靜力分析，仿真過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注每柱電阻堆最靠近斷口位置處電阻片的應(yīng)力狀況。相應(yīng)的載荷施加模型見(jiàn)圖15。

(a) 靜荷施加1

基于圖15靜荷施加模型，對(duì)靠近滅弧室主斷口的6片電阻片進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均小于電阻片允許的壓縮強(qiáng)度120 MPa，即合閘電阻裝配過(guò)程中無(wú)缺陷時(shí)，導(dǎo)致斷路器內(nèi)部主放電點(diǎn)發(fā)生擊穿的異物不是合閘電阻碎片。同時(shí)由圖16仿真計(jì)算結(jié)果知，合閘電阻堆端面外表面所受應(yīng)力較大，且位于上部位置電阻片的應(yīng)力明顯高于下方電阻片的應(yīng)力值，仿真計(jì)算結(jié)果顯示出來(lái)的規(guī)律與圖13故障斷路器電阻堆拼接結(jié)果吻合。由應(yīng)力仿真結(jié)果知并聯(lián)PIR結(jié)構(gòu)斷路器在進(jìn)行電阻片組裝時(shí)在應(yīng)力較大部位宜添加適當(dāng)厚度鋁片進(jìn)行應(yīng)力緩沖與電阻堆厚度調(diào)整，避免斷路器分合閘過(guò)程中應(yīng)力超出電阻堆應(yīng)力限制，導(dǎo)致電阻片絕緣擊穿，引發(fā)故障。

基于故障斷路器解體情況與合閘電阻堆應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，此次由合閘電阻破損及氣室內(nèi)發(fā)生接地故障原因有以下方面：

(1)斷路器合閘電阻堆組裝過(guò)程中電阻片內(nèi)表面與絕緣支撐桿外表面之間間隙較大，導(dǎo)致分合閘過(guò)程中電阻片之間與電阻片端部壓力不均而產(chǎn)生異物，異物下降過(guò)程中導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，發(fā)生氣隙間歇性擊穿。

(2)氣隙間隙性擊穿過(guò)程中氣室內(nèi)部環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致故障演變?yōu)閱蜗嘟拥毓收?，合閘電阻堆在短時(shí)大電流作用下，由于累積熱量不能充分釋放發(fā)生外爆。

5 結(jié) 論

合閘電阻是斷路器分合閘過(guò)程中涌流與過(guò)電壓抑制的重要部件，然而在運(yùn)維分析、故障診斷中基本沒(méi)有對(duì)應(yīng)的方法提供參考。本文給出了合閘電阻測(cè)試與分析方法，以及相應(yīng)的合閘電阻堆狀態(tài)檢測(cè)方法。

(1)基于動(dòng)態(tài)電阻的合閘涌流擬合方法可以復(fù)現(xiàn)斷路器合閘過(guò)程中電阻阻值變化狀態(tài)，繼而判斷電阻片及連接片靠近絕緣桿的中心孔位置燒蝕情況，避免電阻堆兩端發(fā)生貫穿性放電。

(2)應(yīng)力分析知合閘電阻堆運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)力集中部位為電阻堆斷面，且通過(guò)聲振聯(lián)合檢測(cè)時(shí)，若超聲波峰值與振動(dòng)幅值同正常相存在明顯差異時(shí)，應(yīng)在運(yùn)維過(guò)程中對(duì)異常相合閘電阻投運(yùn)過(guò)程中的合閘涌流進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。

(3)電場(chǎng)仿真知合閘電阻內(nèi)表面、外表面以及內(nèi)表面與絕緣支撐柱間存在異物時(shí)，易導(dǎo)致缺陷部位電場(chǎng)發(fā)生畸變，且靠近內(nèi)表面存在缺陷時(shí)電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重，缺陷的存在最終影響合閘電阻的耐壓性能與涌流抑制能力。

(4)基于ICP的合閘電阻堆碎片拼接方法在較低的失真度下，將碎片邊緣噪聲降至最低，同時(shí)結(jié)合故障過(guò)程中熱容量仿真可以為運(yùn)行過(guò)程中合閘電阻堆炸裂后故障原因分析、放電發(fā)展軌跡提供理論支撐。

(5)熱容量試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流的變化趨勢(shì)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)合閘電阻堆缺陷，而合閘電阻阻值測(cè)量在電阻堆尚未崩裂時(shí)難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部異常，從而在斷路器分合閘過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流的變化狀態(tài)。