По данным [1] около 80% всех отказов и неисправностей выключателей происходит из-за механических дефектов. Определенная часть этих отказов вызвана дефектами в механизме выключателя, выполняющего функцию преобразования энергии привода в поступательное движение контактов. Такой механизм имеется в любом выключателе, поэтому предлагаемые аппаратура и метод равно применимы ко всем видам выключателей: воздушным, вакуумным, масляным и элегазовым. Но наибольшую актуальность они представляют для масляных выключателей по следующим причинам:
- механизмы масляных выключателей являются одними из наиболее сложных;
- масляные выключатели наиболее многочисленны и, несмотря на ведущееся техническое перевооружение, пройдет немало лет, пока будет демонтирован последний из них;
- большинство эксплуатируемых масляных выключателей выработало свой ресурс.
Известно, что в выключателях с большим сроком эксплуатации увеличивается чувствительность к факторам износа, что приводит к увеличению скорости развития дефектов. Поэтому сложившаяся за многие годы система технического и ремонтного обслуживания с четкой регламентацией сроков и типов плановых ремонтов не в состоянии обеспечить надежную работу такого оборудования. Изношенный выключатель после очередного ремонта может просто «не дотянуть» до следующего по плану. За рубежом достаточно давно и успешно применяется непрерывный контроль технического состояния выключателей под рабочим напряжением (мониторинг). Это позволяет своевременно получать информацию о возникающих неисправностях и благодаря этому перейти от плановых ремонтов к ремонтам по необходимости. Но нужно принимать во внимание, что такие системы требуют достаточно больших затрат и оправданы только для ответственных объектов, например для выключателей системообразующих подстанций и т. п.
Учитывая указанные обстоятельства, все большее число предприятий стало применять и развивать способы получения информации о техническом состоянии выключателей путем проведения периодических обследований [2]. Особенностью таких обследований являются сравнительно небольшие интервалы между ними и комплексный характер. Комплексность заключается в разнообразии методов и средств контроля для получения необходимой информации. Для повышения же экономической эффективности обследований следует отдавать предпочтение методам и средствам контроля, позволяющим:
1. Получать информацию без вывода выключателей из эксплуатации, например, тепловизионным методам контроля качества переходных сопротивлений контактов, контроля диэлектрических характеристик маслонаполненных вводов под высоким напряжением и др.;
2. Получать информацию без разбора выключателей типа слива масла, отсоединения шунтирующих резисторов и пр. Примером может служить безразборный контроль в динамике характеристик времени, хода и скорости посредством приборов ПКВ/М5А и ПКВ/М6 [3];
3. Охватывать контролем сразу несколько узлов выключателя либо контролировать несколько характеристик узла (универсальные методы);
4. Распознавать неисправности на ранней стадии развития;
5. Получать обобщенные оценки технического состояния, например остаточного коммутационного или механического ресурса.
Какое-то время представлялось, что одним из многообещающих методов является метод вибрационного контроля, основанный на регистрации и анализе вибраций, возникающих в выключателе в моменты пуска [4]. Распространению такого мнения способствовали впечатляющие успехи вибрационной диагностики вращающихся машин: двигателей, генераторов, вентиляторов. Успехи определялись в первую очередь тем, что в результате большого объема экспериментальных исследований для различных неисправностей конкретных типов машин были найдены четкие диагностические признаки в регистрируемых вибрациях. В случае же с вибродиагностикой выключателей такая работа не проводилась, что и не удивительно, принимая во внимание число типов выключателей и многообразие их неисправностей. Были созданы лишь приборы для регистрации вибраций и предложен некоторый математический аппарат для определения критериев, с некоторой степенью вероятности характеризующих обобщенное механическое состояние (ресурс) выключателя. Недостатком такого подхода является трудность проверки достоверности критериев независимым способом и низкая чувствительность к дефектам отдельных элементов и узлов выключателя.
Рассматриваемый ниже метод заключается в регистрации процесса перемещения одного из элементов механизма: подвижного контакта, траверсы, вала привода и других, при пусках выключателя и сопоставлении полученного графика с графиком полностью исправного выключателя.
Принципиальное отличие этого метода от предыдущего заключается в том, что, если при вибродиагностике необходимая информация получается косвенным путем по вибрациям, сопровождающим механический процесс, то в данном случае она извлекается из самого механического процесса непосредственно. Очевидно, что во втором случае и объем полезной информации будет выше, а искажения посторонними факторами меньше (при вибродиагностике даже материал фундамента выключателя: сталь или бетон - может изменить спектр вибрации), и интерпретация результатов проще и достовернее.
Аппаратура для регистрации процессов
Регистрацию механических процессов удобно проводить упомянутыми выше приборами ПКВ/М5Н, ПКВ/М6Н, ПКВ/М7, ПКВ/У3.
В комплекте приборов имеются прецизионные цифровые датчики перемещения с высоким разрешением: линейного перемещения – ДП12 на диапазон 0 – 1000 мм и разрешением в 0,5 мм и ДП31 на диапазон 0 – 40 мм и разрешением в 0,05 мм; углового перемещения – ДП21 на диапазон 0 – 360° и разрешением в 0,09°. Прибор позволяет получать три вида графика: V=F(t), S=F(t), V=F(S), где V – скорость движения, S – ход, t – время. Время регистрируется через каждые 100 мкс, а скорость вычисляется с погрешностью не более 4 %. Датчики рассчитаны на закрепление в местах, изначально предусмотренных под установку приспособлений для измерения скоростных характеристик: вибрографа с линейкой для выключателей типа У-220, МКП-220, С-35 и других или вибрографа с сектором для выключателей типа ВМТ, ВК и пр. Таким образом, датчик линейного перемещения крепится на выключателях первого списка к держателю штанги с траверсой через отверстие для верхнего упора или буфера, а датчик углового перемещения – на остальные выключатели – к вылету вала привода. При использовании датчика углового перемещения значения углового движения вала привода пересчитываются процессором прибора в линейное перемещение подвижного контакта по кинематической схеме выключателя, хранящейся в постоянной памяти.
Типичное применение рассмотренной аппаратуры и аналогичной ей – контроль состояния выключателя путем сравнения нескольких измеренных характеристик выключателя с их паспортными значениями.
Но такое точечное представление механического процесса является чрезвычайно упрощенным и скудным и дает лишь общее представление о пригодности либо непригодности выключателя к дальнейшей эксплуатации без проведения ремонта. В то же время полный график зарегистрированного процесса содержит информацию о техническом состоянии многих отдельных элементов и узлов механизмов выключателя и отбрасывание этой информации есть не что иное, как чистой воды расточительство. Еще больше ценность графической информации возрастает благодаря замечательной способности человеческого мозга обрабатывать ее во много раз быстрее, чем цифровую, и выносить качественные (нормально – ненормально) оценки, руководствуясь даже незначительным отклонением формы графика от стандартной, что и требуется для обнаружения зарождающегося дефекта.
Основные положения метода
1. Механизм выключателя можно представить в виде кинематической цепи, составленной из отдельных звеньев (привода, рычагов, тяг, траверсы и пр.), соединенных последовательно или параллельно через жесткие связи. Так что фактически регистрируемый график движения подвижного контакта определяется взаимодействием всех составляющих механизма и изменение параметров (дефект) взаимодействия хотя бы одного элемента (увеличение люфта, ослабление пружины, повышение трения скольжения) сразу же сказывается на результирующем графике. Показательным исключением является механизм выключателя типа ВМТ, где использованы гибкие связи – полиспасты. Регистрируемый график процесса – сплошные пики и провалы – практически не поддается анализу.
2. У части звеньев (например, демпферов, дугогасительных устройств с неподвижными контактами и др.) нет постоянной жесткой связи с остальным механизмом, но благодаря обратной реакции на их взаимодействие состояние этих звеньев также отражается на графике процесса.
3. На основании изложенного в предыдущих пунктах можно утверждать, что к месту установки датчика перемещения в кинематической цепи механизма не предъявляются жесткие требования. Датчик линейного перемещения воспринимает информацию о процессе на выходе кинематической цепи, а датчик углового перемещения – на ее входе, а уж потом она преобразуется по передаточной функции цепи на ее выход. Однако благодаря жестким связям в механизме это не приводит к каким-то принципиальным отличиям в графиках, разве что погрешность при использовании пересчета углового перемещения в линейное будет несколько выше из-за допусков на точность изготовления, а также из-за увеличения люфтов в сочленениях в процессе эксплуатации.
4. Обычно в качестве координаты, применяемой при регулировке механизма выключателя и оценке его работы, используют ход траверсы или подвижного контакта. По этой координате также можно представить всю работу механизма выключателя и взаимодействие его частей. Более того, развертка по ходу приводит к одному и тому же масштабу графиков разных экземпляров выключателей одного и того же типа, что упрощает их сравнение с эталоном – графиком исправного выключателя. Поэтому использование координаты хода при анализе более предпочтительно. Однако некоторые дефекты нагляднее проявляются на графике, развернутом по времени, а не по ходу. Особенно полезна развертка графика по времени при определении виновников завышенных времен включения либо отключения и при анализе нарушений синхронности работы звеньев механизма. В таких случаях необходимо просмотреть оба графика.
5. Учитывая, что взаимодействие частей механизма сильно влияет на скорости их движения, анализировать нужно скоростную характеристику как функцию скорости от хода или от времени. При этом по координате «ход» или «время» определяют моменты начала или окончания взаимодействия, а по координате «скорость» – его величину.
6. Взаимодействия различных звеньев зачастую ограничены отдельными участками процесса (отключающая пружина передает энергию в начале процесса, демпфер вступает в действие в конце и т.д.). Поэтому на основании знания конструкции выключателя можно весь график разделить на участки, где в наибольшей степени проявляется влияние конкретных звеньев, что позволит локализовать и идентифицировать обнаруженные дефекты.
7. В операциях «О» и «В» меняется состав взаимодействующих звеньев, порядок их взаимодействия и др. И дефекты звеньев также по-разному проявляются в этих операциях, что обусловливает необходимость регистрации и анализа графиков для процессов включения и отключения.
8. Наибольшую сложность для анализа представляет случай наложения во времени влияния нескольких звеньев, так что неясно, какое из них дефектное. Здесь возможны различные приемы. Если звенья имеют различные характеристики, то их взаимно маскирующее действие возможно лишь на ограниченном участке хода. Если звенья идентичны и включены параллельно в кинематическую цепь, как, например, три полюса выключателя, то в этом случае можно отталкиваться от положения, что основное условие их правильного функционирования заключается в синхронности их работы. И несинхронность работы одного из полюсов тут же проявится на графике, полученном на другом полюсе. Если пойти на дополнительные временные затраты и получить графики для всех трех или хотя бы двух полюсов, то их наложение позволит значительно более уверенно определить дефектное звено.
Примеры анализа графиков
Иллюстрацию метода проведем на масляном выключателе МКП-110М. На приведенных ниже графиках изображены скоростные характеристики и осциллограммы замыкания – размыкания контактов по полюсам А, В, С.
Пример 1. Основные положения метода
На графике процесса можно выделить пять характерных участков, отмеченных стрелками с буквами: от начала движения до точки b – участок ab; участки bc; cd; de и ef. Если бы использовалась развертка по времени, то на графике присутствовал бы еще один участок: от момента подачи командного импульса до начала движения – участок 0a (участок хорошо виден на рис. 7).
Процессы, происходящие на отдельных участках:
Участок 0a. Запуск и отработка команды «отключение» приводом. Этот участок следует анализировать на графике с разверткой по времени. В точке a отработка команды приводом заканчивается.
Участок ab. Разгон штанги с траверсой за счет действия пружин контактов, пружин дугогасительных устройств и отключающих пружин. Размыкание контактов в точке b.
Участок bc. Прекратили действовать пружины контактов, и дальнейший разгон штанги с траверсой происходит за счет действия пружин дугогасительных устройств и отключающих пружин.
Участок cd. Прекратили действовать пружины, и дальнейшее движение штанги с траверсой происходит за счет инерции и действия силы тяжести.
Участок de. В действие вступает масляный буфер, который гасит скорость штанги с траверсой.
Участок ef. Продолжается действие масляного буфера. Штанга с траверсой под действием силы тяжести медленно движется до останова в точке f.
По приведенному графику скорости можно оценить работу пружин контактов, пружин дугогасительных устройств, отключающих пружин, отсутствие затираний в направляющем устройстве, работу масляного буфера. Кроме того, зная ход штанги с траверсой от точки d до останова (86 мм на приведенном графике), соответствующий работе масляного буфера, и зная, что соотношение плеч коромысла для центра оси крепления штанги и точки касания штока масляного буфера составляет приблизительно 2 к 1, можно сказать, что ход штока масляного буфера составляет приблизительно половину хода штанги с траверсой на этом участке (43 мм).
Пример 2. 
На графике рис. 2 можно выделить пять участков. Процессы, происходящие на них, следующие:
Участок 0a. Задержка срабатывания привода. Этот участок следует анализировать на графике с разверткой по времени.
Участок ab. Разгон штанги с траверсой за счет действия электромагнитного привода.
Участок bc. В точке b происходит соприкосновение подвижных контактов с нижними контактами дугогасительных устройств. Скорость резко падает из-за увеличения массы движущихся частей.
Участок cd. Продолжается разгон траверсы электромагнитным приводом, но траверса уже движется вместе со штангами с подвижными контактами дугогасительных устройств.
Участок de. На этом участке прекращает работу электромагнитный привод. Происходит сжатие отключающих пружин, пружин дугогасительных устройств и пружин контактов. В точке e штанга с траверсой останавливается.
Пример 3.
Как видно из приведенного графика (рис. 3), у выключателей с неработающим масляным буфером происходят резкие удары коромысла о буфер и штанга с траверсой совершает многократные возвратные движения до остановки (участок df исправного выключателя (рис. 1) выродился в спираль 1-2).
Пример 4. 
График, приведенный на рис. 4, отличается от графика работы исправного выключателя тем, что скорость движения траверсы, начиная с точки 1, снижается, что не наблюдается у исправного выключателя. Еще более заметно неисправность проявляется в том, что полностью отсутствует медленное движение траверсы на участке работы масляного буфера (участок ef выродился в точку 2). А если рассмотреть процесс включения этого же выключателя, приведенный на рис. 5, то наличие затираний штанги с траверсой становится совершенно очевидным. Причем по координате «ход» можно даже выделить участки хода штанги с траверсой, на которых затирание и происходит (1 и 2).
Пример 5. 
Если сравнить график, приведенный на рис. 6, с графиком работы исправного выключателя (рис. 1), то сразу видно, что кривая скорости на этом графике сильно отличается от кривой скорости исправного выключателя. На графике наблюдается снижение скорости на участке 1-2 и ее возрастание на участке 3-4, что не может быть объяснено с точки зрения работы исправного механизма выключателя. Особенно возрастание скорости на участке 3-4. Рассмотрение аналогичных графиков работы остальных полюсов этого выключателя показывает их отличие от графиков работы исправного выключателя, но не позволяет объяснить причину такого поведения выключателя. Если же рассмотреть работу полюсов B и C этого выключателя на одном графике (провести наложение графиков) с разверткой по времени, то причина такого поведения выключателя становится очевидной.
Пример 6. 
Графики, приведенные на рис. 7, свидетельствуют о том, что штанги с траверсами двух полюсов выключателя с общим приводом двигаются с сильно отличающимися скоростями. Такое возможно только при наличии больших люфтов между полюсами.
Люфты между полюсами объясняют и такой характер изменения скорости. После начала движения из-за плохого состояния дугогасительного устройства или отключающих пружин штанга с траверсой полюса С двигается с более медленной скоростью, чем штанга с траверсой полюса В. В это время выбирается люфт между полюсами. К моменту времени точки 1 люфт между полюсами оказывается весь выбранным. Происходит взаимодействие движущихся масс. Одна штанга с траверсой получает ускоряющий импульс, а другая тормозящий. Начиная с этого момента времени происходит соответствующее изменение скоростей движения траверс. И к моменту времени точки 2 скорости движения штанг с траверсами стабилизируются, но опять оказываются разными. Теперь штанга полюса С движется быстрее штанги полюса В. Люфт выбирается в другую сторону. В момент времени точки 3 штанга с траверсой полюса В начинает тормозиться масляным буфером. А штанга полюса С еще двигается со значительной скоростью. В момент времени точки 4 люфт оказывается весь выбранным. Происходит взаимодействие движущихся масс. Штанга с траверсой полюса С получает тормозящий импульс, а штанга с траверсой полюса В – ускоряющий. Это объясняет всплеск скорости на участке торможения у полюса В и наличие зубцов из-за интенсивного воздействия на участке торможения у полюса С.
На рис. 7 хорошо виден участок 0a – от момента подачи команды до начала движения. В течение этого интервала времени происходит отработка команды «отключение» приводом. В точке a отработка команды приводом заканчивается. По длительности этого временного интервала можно, например, определить «виновника» затягивания собственного времени отключения выключателя. Если этот интервал превышает определенную величину (найденную по графикам работы исправных выключателей), то процесс отключения затягивает привод. Если интервал не превышает этой величины, то привод отрабатывает команду нормально и для выяснения причины затягивания процесса необходимо анализировать скоростные характеристики выключателя.
Технология применения метода
1. Снять с выключателя высокое напряжение.
2. Установить датчик, присоединить пять кабелей от прибора, включить питание прибора и произвести два пуска выключателя в операциях «В» и «О» (временные затраты – 10…30 мин.).
3. Сравнить измеренные и паспортные значения скоростных и временных характеристик. Существенное их расхождение укажет на наличие неисправности, но если расхождение отсутствует, то это может означать либо исправность выключателя, либо просто раннюю стадию развития дефекта, которая еще не привела к значительным изменениям величин характеристик.
4. Провести анализ графиков. Анализ существенно упростится при наличии банка графиков и в нем – графика исправного выключателя этого же типа. И необходимость в анализе вообще отпадет, если в банке отыщутся графики, идентичные полученным.
5. Если были обнаружены дефекты в механизме и по результатам обследования произведен ремонт с их устранением, то нужно и полезно операцию контроля провести вторично. Это необходимо для определения качества ремонта, а оба графика – с дефектами и без них – пополнят банк графиков для последующего использования.
Выводы
1. В соответствии с приведенной выше классификацией методов контроля, наиболее пригодных для целей обследования, рассмотренный метод можно отнести к группам 2, 3 и 4:
- метод не требует разборки, даже частичной, выключателя;
- он позволяет контролировать одновременно несколько узлов;
- метод обладает высокой чувствительностью и позволяет распознавать даже небольшие дефекты в узлах механизма выключателя, которые не только не привели к его отказу, но даже еще не проявились в измеренных согласно инструкциям значениях скоростных характеристик.
2. Метод прост в применении, нагляден и легко поддается проверке. Для его освоения не требуется каких-то специальных знаний. Достаточно знаний о конструкции выключателя (кинематической схемы механизма) и понимания физического смысла взаимодействия его составляющих.
3. Метод и аппаратура одинаково применимы не только к масляным, но и любым другим выключателям. Для масляных выключателей проблема диагностирования механизма является наиболее острой.
4. Применение метода еще более упрощается при наличии банка графиков исправных и неисправных выключателей. Такой банк может быть создан совместными усилиями специалистов предприятий, имеющих уже вышеназванные приборы контроля (а таких предприятий на сегодня более трехсот).
5. Разработчики приборов предлагают свои услуги для организации такого банка и регулярную его публикацию на сайте в Интернете, а также путем рассылки заинтересованным лицам бумажных копий банка. Авторы обращаются с призывом ко всем пользователям указанных приборов о присылке получаемых графиков на наш адрес. Адрес и правила оформления графиков для отсылки указаны на сайте.
Литература
1.Бронштейн А.М., Козлов В.Б. Современное состояние и тенденции развития выключателей высокого напряжения. – Электричество. – 1987. – № 11.
2.Петрищев Л.С., Осотов В.Н., Константинов А.Г. Диагностика силового электротехнического оборудования в Свердловэнерго. – Электрические станции. – 1992. – № 5.
3.Чернышев Н.А. Приборы контроля высоковольтных выключателей ПКВ/М5А и ПКВ/М6. – Энергетик. – 2003. – №11.
4.Белкин Г.С., Шилин Н.В. Выключатели высокого напряжения. – Электричество. – 1989. – № 8.
