高壓開關柜斷路器機械特性在線監(jiān)測裝置研究探討
引言：在變電站中，高壓開關柜斷路器是非常重要的一個存在，是用來保護和控制電力系統(tǒng)，會直接關系到整個電網(wǎng)的安全運行。變電站綜合自動化水平的不斷提高，也要求應該提高高壓斷路器的可靠性。高壓斷路器會發(fā)生許多的停電事故，損失遠大于設備本身的費用，因此，應該加強對斷路器的狀態(tài)監(jiān)測。能夠了解其運行狀況，掌握其運行特性及變化趨勢，防止出現(xiàn)潛在故障，為了保證系統(tǒng)可靠運行，應該立即運用預防措施或進行維修。高壓斷路器在線監(jiān)測技術為設備的狀態(tài)檢修機制提供了依據(jù)，創(chuàng)造了有利的條件給從計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉變，具有重大意義。
1 監(jiān)測裝置的硬件設計
1.1 監(jiān)測裝置的組成及其工作原理
目前高壓開關柜內所用斷路器，大部分都是運用模塊化結構組成，它對提升斷路器的使用質量和抗干擾能力非常有利，能夠通過運用模塊集成技術，將內容元件交叉短路的概率降低?？傮w來說，斷路器分為霍爾傳感器、輔助接點、角度傳感器、信號處理器、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)五個模塊。當斷路器通電工作后，霍爾傳感器調用單片機控制程序中的設定時間，此時起始時刻被確定。之后，輔助接點（非接觸式位移傳感器）接收霍爾傳感器的動作指令，將時間調用程序啟動，根據(jù)事先設定好的時間間隔，自動計算出斷路器的停止時刻。確定起始時間和中止時間之后，角度傳感器開始采集和處理相關數(shù)據(jù)，并在時間結束后，將所采集到的數(shù)據(jù)進行初步整理和匯總，上傳到信號處理器。這些初始數(shù)據(jù)在信號處理器內實現(xiàn)轉化、篩選和加工，最終匯總到數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，以備工作人員調用。
1.2 斷路器的機械特性
本文所研究的在線檢測裝置，在斷路器分、合閘的過程中，斷路器主軸旋轉角度與觸頭行程之間有某種數(shù)學上的聯(lián)系，從而能夠通過測量斷路器的分合閘旋轉角度，來間接的測量出觸頭行程。是其主要理論依據(jù)。角度傳感器的主要功能是負責檢測斷路器主軸的旋轉角度，主動把主軸動作信號轉換為數(shù)字模擬信號。同時，該信號通過A/D轉換器進行轉化之后，將輸出的信號錄入專門的繪圖軟件中，能夠得出斷路器觸頭的行程曲線。
運用霍爾電流傳感器和斷路器自帶的輔助觸電檢測機械特性時間參數(shù)，在開始進行時間參數(shù)檢測時，斷路器內部單片機控制中心首先要依照斷路器分合閘的動作周期，制定相應的控制指令，來將斷路器操作線圈和觸頭分、合的頻率獲取。
2 高壓開關柜斷路器機械特性內部監(jiān)測裝置的設計
2.1 角度傳感器的選擇與安裝
在測得主軸角位移曲線和動作行程之后，可以利用相應的計算軟件得出斷路器觸頭的直線位移曲線，這種間接測量法也是現(xiàn)階段大多數(shù)型號斷路器的普遍應用方法。需要注意的是，真空斷路器由于自身結構的影響，內部主軸旋轉的供電方式為低壓供電，因此也就不存在高低壓電位分離的問題。為了保護內部主軸，通常要在斷路器內部預留一定的空間，方便安裝角位移傳感器，防治在主軸旋轉過程中位移傳感器采集不到相應的動作信號。
本文研究所用的角位移傳感器生產與美國Sburnnik公司，其信號采集傳感器為電磁感應式動作捕捉器，具有使用壽命長、信號準確率高等優(yōu)點，理論上最小分辨率可達0.015°，分辨率為12位。角度傳感器安裝時，要注意其內部磁位器應當架空安置，除了必要的導線連接外，不應與其他金屬固件直接接觸。一般情況下，磁位器應當采用環(huán)氧樹脂或可塑性膠泥與固件連接。
2.2 分、合閘線圈電流監(jiān)測
在每次分合閘過程中，斷路器線圈電流是隨時間變化的，變化波形中蘊藏著極為重要的信息。電磁鐵線圈的電流波形中含有很多信息，反映電磁鐵本身以及所控制的鎖門或閥門以及聯(lián)鎖觸頭在操作過程中的工作情況，如鐵心運動機構有無卡滯，脫扣、釋能機械負載變動的情況，線圈的狀態(tài)（如電阻是否正常），與鐵心頂桿連接的鎖門或閥門的狀態(tài)。通過對分合閘操動線圈動作電流的監(jiān)測，可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及機械操動機構狀況等，為檢修提供一個輔助判據(jù)。高壓、超高壓斷路器大多配液壓、彈簧、氣動等操作機構，這類機構的分合閘脫扣電磁鐵，在長期運行中常發(fā)生彎曲變形、銹澀或臟污粘滯使電磁鐵動作不暢而導致斷路器拒動，此類故障約占每年全國開關拒動、誤動總事故率的26.1%。而電磁鐵鐵芯的動作情況，可以通過鐵心運動與電流特性的關系反映出來，如果能記錄分合閘脫扣電磁鐵的電流波形，便可掌握鐵心的動作狀況，預先發(fā)現(xiàn)問題，對這類故障起到預防作用。分合閘操動線圈是控制斷路器動作的關鍵元件，應用霍爾電流傳感器可方便地監(jiān)測多種信息的分合閘電流波形。分析每次操作監(jiān)測到的波形變化，可以診斷出斷路器機械故障的趨勢，對發(fā)生概率最大、危害性也最大的拒動、誤動故障的診斷尤為有效。
2.3 輔助觸點信號回路切換控制電路設計
斷路器剛分、剛合時刻確定通過輔助接點構成的信號回路連接至DSP的XINT2實現(xiàn)，在斷路器常開、常閉輔助觸點構成的回路中附加3.3V直流電壓可構成兩路信號回路，信號回路的輸出信號經消抖等處理后可以為DSP的XINT2提供另一個可靠的中斷沿觸發(fā)信號，但隨著斷路器分閘或合閘動作的進行，兩路信號必須滿足不斷與DSP的XINT2管腳進行切換連接的功能。電路設計中通過控制繼電器常開、常閉觸頭實現(xiàn)，兩路信號的切換電路如圖1所示。
3 實驗結果及其分析
本裝置采用非接觸式角度傳感器監(jiān)測斷路器分、合閘時主軸旋轉角度，很好地解決了斷路器機械特性在線監(jiān)測傳感器不易安裝的問題，利用霍爾電流傳感器和斷路器輔助觸點較準確地提取了斷路器分、合閘周期起止時刻。裝置結構簡單小巧、安裝方便、成本較低，具有較廣泛的應用價值。
結語：高壓斷路器機械狀態(tài)在線監(jiān)測裝置能在線監(jiān)測斷路器的各機械參數(shù)，能夠將斷路器運行過程中的機械狀態(tài)隨時掌握，及時分析診斷和處理機械故障。裝置有測量精度高、實時在線和數(shù)據(jù)通信等優(yōu)點，而且有著良好的抗干擾特性，可用于智能開關柜等配有高壓斷路器的電氣設備中進行機械特性在線監(jiān)測，且運行狀態(tài)良好，計算機存儲了所有的實驗數(shù)據(jù)，負責統(tǒng)計、處理工作。下一步應該開發(fā)和定普上位機軟件,建立數(shù)據(jù)庫,與專家系統(tǒng)相結合,開展狀態(tài)檢修工作。
信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司 信息來源：ef2822.com
1 監(jiān)測裝置的硬件設計
1.1 監(jiān)測裝置的組成及其工作原理
目前高壓開關柜內所用斷路器，大部分都是運用模塊化結構組成，它對提升斷路器的使用質量和抗干擾能力非常有利，能夠通過運用模塊集成技術，將內容元件交叉短路的概率降低?？傮w來說，斷路器分為霍爾傳感器、輔助接點、角度傳感器、信號處理器、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)五個模塊。當斷路器通電工作后，霍爾傳感器調用單片機控制程序中的設定時間，此時起始時刻被確定。之后，輔助接點（非接觸式位移傳感器）接收霍爾傳感器的動作指令，將時間調用程序啟動，根據(jù)事先設定好的時間間隔，自動計算出斷路器的停止時刻。確定起始時間和中止時間之后，角度傳感器開始采集和處理相關數(shù)據(jù)，并在時間結束后，將所采集到的數(shù)據(jù)進行初步整理和匯總，上傳到信號處理器。這些初始數(shù)據(jù)在信號處理器內實現(xiàn)轉化、篩選和加工，最終匯總到數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，以備工作人員調用。
1.2 斷路器的機械特性
本文所研究的在線檢測裝置，在斷路器分、合閘的過程中，斷路器主軸旋轉角度與觸頭行程之間有某種數(shù)學上的聯(lián)系，從而能夠通過測量斷路器的分合閘旋轉角度，來間接的測量出觸頭行程。是其主要理論依據(jù)。角度傳感器的主要功能是負責檢測斷路器主軸的旋轉角度，主動把主軸動作信號轉換為數(shù)字模擬信號。同時，該信號通過A/D轉換器進行轉化之后，將輸出的信號錄入專門的繪圖軟件中，能夠得出斷路器觸頭的行程曲線。
運用霍爾電流傳感器和斷路器自帶的輔助觸電檢測機械特性時間參數(shù)，在開始進行時間參數(shù)檢測時，斷路器內部單片機控制中心首先要依照斷路器分合閘的動作周期，制定相應的控制指令，來將斷路器操作線圈和觸頭分、合的頻率獲取。
2 高壓開關柜斷路器機械特性內部監(jiān)測裝置的設計
2.1 角度傳感器的選擇與安裝
在測得主軸角位移曲線和動作行程之后，可以利用相應的計算軟件得出斷路器觸頭的直線位移曲線，這種間接測量法也是現(xiàn)階段大多數(shù)型號斷路器的普遍應用方法。需要注意的是，真空斷路器由于自身結構的影響，內部主軸旋轉的供電方式為低壓供電，因此也就不存在高低壓電位分離的問題。為了保護內部主軸，通常要在斷路器內部預留一定的空間，方便安裝角位移傳感器，防治在主軸旋轉過程中位移傳感器采集不到相應的動作信號。
本文研究所用的角位移傳感器生產與美國Sburnnik公司，其信號采集傳感器為電磁感應式動作捕捉器，具有使用壽命長、信號準確率高等優(yōu)點，理論上最小分辨率可達0.015°，分辨率為12位。角度傳感器安裝時，要注意其內部磁位器應當架空安置，除了必要的導線連接外，不應與其他金屬固件直接接觸。一般情況下，磁位器應當采用環(huán)氧樹脂或可塑性膠泥與固件連接。
2.2 分、合閘線圈電流監(jiān)測
在每次分合閘過程中，斷路器線圈電流是隨時間變化的，變化波形中蘊藏著極為重要的信息。電磁鐵線圈的電流波形中含有很多信息，反映電磁鐵本身以及所控制的鎖門或閥門以及聯(lián)鎖觸頭在操作過程中的工作情況，如鐵心運動機構有無卡滯，脫扣、釋能機械負載變動的情況，線圈的狀態(tài)（如電阻是否正常），與鐵心頂桿連接的鎖門或閥門的狀態(tài)。通過對分合閘操動線圈動作電流的監(jiān)測，可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及機械操動機構狀況等，為檢修提供一個輔助判據(jù)。高壓、超高壓斷路器大多配液壓、彈簧、氣動等操作機構，這類機構的分合閘脫扣電磁鐵，在長期運行中常發(fā)生彎曲變形、銹澀或臟污粘滯使電磁鐵動作不暢而導致斷路器拒動，此類故障約占每年全國開關拒動、誤動總事故率的26.1%。而電磁鐵鐵芯的動作情況，可以通過鐵心運動與電流特性的關系反映出來，如果能記錄分合閘脫扣電磁鐵的電流波形，便可掌握鐵心的動作狀況，預先發(fā)現(xiàn)問題，對這類故障起到預防作用。分合閘操動線圈是控制斷路器動作的關鍵元件，應用霍爾電流傳感器可方便地監(jiān)測多種信息的分合閘電流波形。分析每次操作監(jiān)測到的波形變化，可以診斷出斷路器機械故障的趨勢，對發(fā)生概率最大、危害性也最大的拒動、誤動故障的診斷尤為有效。
2.3 輔助觸點信號回路切換控制電路設計
斷路器剛分、剛合時刻確定通過輔助接點構成的信號回路連接至DSP的XINT2實現(xiàn)，在斷路器常開、常閉輔助觸點構成的回路中附加3.3V直流電壓可構成兩路信號回路，信號回路的輸出信號經消抖等處理后可以為DSP的XINT2提供另一個可靠的中斷沿觸發(fā)信號，但隨著斷路器分閘或合閘動作的進行，兩路信號必須滿足不斷與DSP的XINT2管腳進行切換連接的功能。電路設計中通過控制繼電器常開、常閉觸頭實現(xiàn)，兩路信號的切換電路如圖1所示。
3 實驗結果及其分析
本裝置采用非接觸式角度傳感器監(jiān)測斷路器分、合閘時主軸旋轉角度，很好地解決了斷路器機械特性在線監(jiān)測傳感器不易安裝的問題，利用霍爾電流傳感器和斷路器輔助觸點較準確地提取了斷路器分、合閘周期起止時刻。裝置結構簡單小巧、安裝方便、成本較低，具有較廣泛的應用價值。
結語：高壓斷路器機械狀態(tài)在線監(jiān)測裝置能在線監(jiān)測斷路器的各機械參數(shù)，能夠將斷路器運行過程中的機械狀態(tài)隨時掌握，及時分析診斷和處理機械故障。裝置有測量精度高、實時在線和數(shù)據(jù)通信等優(yōu)點，而且有著良好的抗干擾特性，可用于智能開關柜等配有高壓斷路器的電氣設備中進行機械特性在線監(jiān)測，且運行狀態(tài)良好，計算機存儲了所有的實驗數(shù)據(jù)，負責統(tǒng)計、處理工作。下一步應該開發(fā)和定普上位機軟件,建立數(shù)據(jù)庫,與專家系統(tǒng)相結合,開展狀態(tài)檢修工作。
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