高壓開關(guān)柜斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置研究探討
引言：在變電站中，高壓開關(guān)柜斷路器是非常重要的一個(gè)存在，是用來保護(hù)和控制電力系統(tǒng)，會(huì)直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。變電站綜合自動(dòng)化水平的不斷提高，也要求應(yīng)該提高高壓斷路器的可靠性。高壓斷路器會(huì)發(fā)生許多的停電事故，損失遠(yuǎn)大于設(shè)備本身的費(fèi)用，因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。能夠了解其運(yùn)行狀況，掌握其運(yùn)行特性及變化趨勢(shì)，防止出現(xiàn)潛在故障，為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，應(yīng)該立即運(yùn)用預(yù)防措施或進(jìn)行維修。高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)為設(shè)備的狀態(tài)檢修機(jī)制提供了依據(jù)，創(chuàng)造了有利的條件給從計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，具有重大意義。
1 監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)
1.1 監(jiān)測(cè)裝置的組成及其工作原理
目前高壓開關(guān)柜內(nèi)所用斷路器，大部分都是運(yùn)用模塊化結(jié)構(gòu)組成，它對(duì)提升斷路器的使用質(zhì)量和抗干擾能力非常有利，能夠通過運(yùn)用模塊集成技術(shù)，將內(nèi)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(diǎn)、角度傳感器、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)五個(gè)模塊。當(dāng)斷路器通電工作后，霍爾傳感器調(diào)用單片機(jī)控制程序中的設(shè)定時(shí)間，此時(shí)起始時(shí)刻被確定。之后，輔助接點(diǎn)（非接觸式位移傳感器）接收霍爾傳感器的動(dòng)作指令，將時(shí)間調(diào)用程序啟動(dòng)，根據(jù)事先設(shè)定好的時(shí)間間隔，自動(dòng)計(jì)算出斷路器的停止時(shí)刻。確定起始時(shí)間和中止時(shí)間之后，角度傳感器開始采集和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并在時(shí)間結(jié)束后，將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和匯總，上傳到信號(hào)處理器。這些初始數(shù)據(jù)在信號(hào)處理器內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(diào)用。
1.2 斷路器的機(jī)械特性
本文所研究的在線檢測(cè)裝置，在斷路器分、合閘的過程中，斷路器主軸旋轉(zhuǎn)角度與觸頭行程之間有某種數(shù)學(xué)上的聯(lián)系，從而能夠通過測(cè)量斷路器的分合閘旋轉(zhuǎn)角度，來間接的測(cè)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(fù)責(zé)檢測(cè)斷路器主軸的旋轉(zhuǎn)角度，主動(dòng)把主軸動(dòng)作信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字模擬信號(hào)。同時(shí)，該信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后，將輸出的信號(hào)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(yùn)用霍爾電流傳感器和斷路器自帶的輔助觸電檢測(cè)機(jī)械特性時(shí)間參數(shù)，在開始進(jìn)行時(shí)間參數(shù)檢測(cè)時(shí)，斷路器內(nèi)部單片機(jī)控制中心首先要依照斷路器分合閘的動(dòng)作周期，制定相應(yīng)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(guān)柜斷路器機(jī)械特性內(nèi)部監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)
2.1 角度傳感器的選擇與安裝
在測(cè)得主軸角位移曲線和動(dòng)作行程之后，可以利用相應(yīng)的計(jì)算軟件得出斷路器觸頭的直線位移曲線，這種間接測(cè)量法也是現(xiàn)階段大多數(shù)型號(hào)斷路器的普遍應(yīng)用方法。需要注意的是，真空斷路器由于自身結(jié)構(gòu)的影響，內(nèi)部主軸旋轉(zhuǎn)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(hù)內(nèi)部主軸，通常要在斷路器內(nèi)部預(yù)留一定的空間，方便安裝角位移傳感器，防治在主軸旋轉(zhuǎn)過程中位移傳感器采集不到相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)。
本文研究所用的角位移傳感器生產(chǎn)與美國(guó)Sburnnik公司，其信號(hào)采集傳感器為電磁感應(yīng)式動(dòng)作捕捉器，具有使用壽命長(zhǎng)、信號(hào)準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，理論上最小分辨率可達(dá)0.015°，分辨率為12位。角度傳感器安裝時(shí)，要注意其內(nèi)部磁位器應(yīng)當(dāng)架空安置，除了必要的導(dǎo)線連接外，不應(yīng)與其他金屬固件直接接觸。一般情況下，磁位器應(yīng)當(dāng)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(cè)
在每次分合閘過程中，斷路器線圈電流是隨時(shí)間變化的，變化波形中蘊(yùn)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有無卡滯，脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)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(duì)分合閘操動(dòng)線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀況等，為檢修提供一個(gè)輔助判據(jù)。高壓、超高壓斷路器大多配液壓、彈簧、氣動(dòng)等操作機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)的分合閘脫扣電磁鐵，在長(zhǎng)期運(yùn)行中常發(fā)生彎曲變形、銹澀或臟污粘滯使電磁鐵動(dòng)作不暢而導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)，此類故障約占每年全國(guó)開關(guān)拒動(dòng)、誤動(dòng)總事故率的26.1%。而電磁鐵鐵芯的動(dòng)作情況，可以通過鐵心運(yùn)動(dòng)與電流特性的關(guān)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(dòng)作狀況，預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)這類故障起到預(yù)防作用。分合閘操動(dòng)線圈是控制斷路器動(dòng)作的關(guān)鍵元件，應(yīng)用霍爾電流傳感器可方便地監(jiān)測(cè)多種信息的分合閘電流波形。分析每次操作監(jiān)測(cè)到的波形變化，可以診斷出斷路器機(jī)械故障的趨勢(shì)，對(duì)發(fā)生概率最大、危害性也最大的拒動(dòng)、誤動(dòng)故障的診斷尤為有效。
2.3 輔助觸點(diǎn)信號(hào)回路切換控制電路設(shè)計(jì)
斷路器剛分、剛合時(shí)刻確定通過輔助接點(diǎn)構(gòu)成的信號(hào)回路連接至DSP的XINT2實(shí)現(xiàn)，在斷路器常開、常閉輔助觸點(diǎn)構(gòu)成的回路中附加3.3V直流電壓可構(gòu)成兩路信號(hào)回路，信號(hào)回路的輸出信號(hào)經(jīng)消抖等處理后可以為DSP的XINT2提供另一個(gè)可靠的中斷沿觸發(fā)信號(hào)，但隨著斷路器分閘或合閘動(dòng)作的進(jìn)行，兩路信號(hào)必須滿足不斷與DSP的XINT2管腳進(jìn)行切換連接的功能。電路設(shè)計(jì)中通過控制繼電器常開、常閉觸頭實(shí)現(xiàn)，兩路信號(hào)的切換電路如圖1所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
本裝置采用非接觸式角度傳感器監(jiān)測(cè)斷路器分、合閘時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)角度，很好地解決了斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)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(diǎn)較準(zhǔn)確地提取了斷路器分、合閘周期起止時(shí)刻。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、安裝方便、成本較低，具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
結(jié)語：高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置能在線監(jiān)測(cè)斷路器的各機(jī)械參數(shù)，能夠?qū)嗦菲鬟\(yùn)行過程中的機(jī)械狀態(tài)隨時(shí)掌握，及時(shí)分析診斷和處理機(jī)械故障。裝置有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)在線和數(shù)據(jù)通信等優(yōu)點(diǎn)，而且有著良好的抗干擾特性，可用于智能開關(guān)柜等配有高壓斷路器的電氣設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)，且運(yùn)行狀態(tài)良好，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)了所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、處理工作。下一步應(yīng)該開發(fā)和定普上位機(jī)軟件,建立數(shù)據(jù)庫(kù),與專家系統(tǒng)相結(jié)合,開展?fàn)顟B(tài)檢修工作。
信息整理：揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司 信息來源：www.ewkbg.com
1 監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)
1.1 監(jiān)測(cè)裝置的組成及其工作原理
目前高壓開關(guān)柜內(nèi)所用斷路器，大部分都是運(yùn)用模塊化結(jié)構(gòu)組成，它對(duì)提升斷路器的使用質(zhì)量和抗干擾能力非常有利，能夠通過運(yùn)用模塊集成技術(shù)，將內(nèi)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(diǎn)、角度傳感器、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)五個(gè)模塊。當(dāng)斷路器通電工作后，霍爾傳感器調(diào)用單片機(jī)控制程序中的設(shè)定時(shí)間，此時(shí)起始時(shí)刻被確定。之后，輔助接點(diǎn)（非接觸式位移傳感器）接收霍爾傳感器的動(dòng)作指令，將時(shí)間調(diào)用程序啟動(dòng)，根據(jù)事先設(shè)定好的時(shí)間間隔，自動(dòng)計(jì)算出斷路器的停止時(shí)刻。確定起始時(shí)間和中止時(shí)間之后，角度傳感器開始采集和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并在時(shí)間結(jié)束后，將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和匯總，上傳到信號(hào)處理器。這些初始數(shù)據(jù)在信號(hào)處理器內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(diào)用。
1.2 斷路器的機(jī)械特性
本文所研究的在線檢測(cè)裝置，在斷路器分、合閘的過程中，斷路器主軸旋轉(zhuǎn)角度與觸頭行程之間有某種數(shù)學(xué)上的聯(lián)系，從而能夠通過測(cè)量斷路器的分合閘旋轉(zhuǎn)角度，來間接的測(cè)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(fù)責(zé)檢測(cè)斷路器主軸的旋轉(zhuǎn)角度，主動(dòng)把主軸動(dòng)作信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字模擬信號(hào)。同時(shí)，該信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后，將輸出的信號(hào)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(yùn)用霍爾電流傳感器和斷路器自帶的輔助觸電檢測(cè)機(jī)械特性時(shí)間參數(shù)，在開始進(jìn)行時(shí)間參數(shù)檢測(cè)時(shí)，斷路器內(nèi)部單片機(jī)控制中心首先要依照斷路器分合閘的動(dòng)作周期，制定相應(yīng)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(guān)柜斷路器機(jī)械特性內(nèi)部監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)
2.1 角度傳感器的選擇與安裝
在測(cè)得主軸角位移曲線和動(dòng)作行程之后，可以利用相應(yīng)的計(jì)算軟件得出斷路器觸頭的直線位移曲線，這種間接測(cè)量法也是現(xiàn)階段大多數(shù)型號(hào)斷路器的普遍應(yīng)用方法。需要注意的是，真空斷路器由于自身結(jié)構(gòu)的影響，內(nèi)部主軸旋轉(zhuǎn)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(hù)內(nèi)部主軸，通常要在斷路器內(nèi)部預(yù)留一定的空間，方便安裝角位移傳感器，防治在主軸旋轉(zhuǎn)過程中位移傳感器采集不到相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)。
本文研究所用的角位移傳感器生產(chǎn)與美國(guó)Sburnnik公司，其信號(hào)采集傳感器為電磁感應(yīng)式動(dòng)作捕捉器，具有使用壽命長(zhǎng)、信號(hào)準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，理論上最小分辨率可達(dá)0.015°，分辨率為12位。角度傳感器安裝時(shí)，要注意其內(nèi)部磁位器應(yīng)當(dāng)架空安置，除了必要的導(dǎo)線連接外，不應(yīng)與其他金屬固件直接接觸。一般情況下，磁位器應(yīng)當(dāng)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(cè)
在每次分合閘過程中，斷路器線圈電流是隨時(shí)間變化的，變化波形中蘊(yùn)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有無卡滯，脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)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(duì)分合閘操動(dòng)線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及機(jī)械操動(dòng)機(jī)構(gòu)狀況等，為檢修提供一個(gè)輔助判據(jù)。高壓、超高壓斷路器大多配液壓、彈簧、氣動(dòng)等操作機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)的分合閘脫扣電磁鐵，在長(zhǎng)期運(yùn)行中常發(fā)生彎曲變形、銹澀或臟污粘滯使電磁鐵動(dòng)作不暢而導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)，此類故障約占每年全國(guó)開關(guān)拒動(dòng)、誤動(dòng)總事故率的26.1%。而電磁鐵鐵芯的動(dòng)作情況，可以通過鐵心運(yùn)動(dòng)與電流特性的關(guān)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(dòng)作狀況，預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)這類故障起到預(yù)防作用。分合閘操動(dòng)線圈是控制斷路器動(dòng)作的關(guān)鍵元件，應(yīng)用霍爾電流傳感器可方便地監(jiān)測(cè)多種信息的分合閘電流波形。分析每次操作監(jiān)測(cè)到的波形變化，可以診斷出斷路器機(jī)械故障的趨勢(shì)，對(duì)發(fā)生概率最大、危害性也最大的拒動(dòng)、誤動(dòng)故障的診斷尤為有效。
2.3 輔助觸點(diǎn)信號(hào)回路切換控制電路設(shè)計(jì)
斷路器剛分、剛合時(shí)刻確定通過輔助接點(diǎn)構(gòu)成的信號(hào)回路連接至DSP的XINT2實(shí)現(xiàn)，在斷路器常開、常閉輔助觸點(diǎn)構(gòu)成的回路中附加3.3V直流電壓可構(gòu)成兩路信號(hào)回路，信號(hào)回路的輸出信號(hào)經(jīng)消抖等處理后可以為DSP的XINT2提供另一個(gè)可靠的中斷沿觸發(fā)信號(hào)，但隨著斷路器分閘或合閘動(dòng)作的進(jìn)行，兩路信號(hào)必須滿足不斷與DSP的XINT2管腳進(jìn)行切換連接的功能。電路設(shè)計(jì)中通過控制繼電器常開、常閉觸頭實(shí)現(xiàn)，兩路信號(hào)的切換電路如圖1所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
本裝置采用非接觸式角度傳感器監(jiān)測(cè)斷路器分、合閘時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)角度，很好地解決了斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)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(diǎn)較準(zhǔn)確地提取了斷路器分、合閘周期起止時(shí)刻。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、安裝方便、成本較低，具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
結(jié)語：高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置能在線監(jiān)測(cè)斷路器的各機(jī)械參數(shù)，能夠?qū)嗦菲鬟\(yùn)行過程中的機(jī)械狀態(tài)隨時(shí)掌握，及時(shí)分析診斷和處理機(jī)械故障。裝置有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)在線和數(shù)據(jù)通信等優(yōu)點(diǎn)，而且有著良好的抗干擾特性，可用于智能開關(guān)柜等配有高壓斷路器的電氣設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)，且運(yùn)行狀態(tài)良好，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)了所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、處理工作。下一步應(yīng)該開發(fā)和定普上位機(jī)軟件,建立數(shù)據(jù)庫(kù),與專家系統(tǒng)相結(jié)合,開展?fàn)顟B(tài)檢修工作。
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