金 輝，胡德兆

直流斷路器動作特性在線錄波裝置開發(fā)和應(yīng)用

金 輝，胡德兆

地鐵直流斷路器在線錄波裝置通過采集直流斷路器動作時的電流、電壓、分合閘及位置反饋信號形成錄波數(shù)據(jù)，對波形的關(guān)鍵點和形態(tài)特征進(jìn)行自動分析，輸出關(guān)鍵參數(shù)，反映斷路器的機械特性和電氣特性，并將數(shù)據(jù)存儲在歷史數(shù)據(jù)庫中。該裝置的開發(fā)實現(xiàn)了對斷路器性能的在線監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障預(yù)警及壽命預(yù)估等功能。

地鐵；直流斷路器；在線錄波分析裝置；在線監(jiān)測

0 引言

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展及地鐵線路開通里程的迅速增加，地鐵供電設(shè)備的運維工作量隨之激增，采用原有的巡視和檢修方式，人員數(shù)量和成本費用都成幾何級的倍數(shù)增加。很多城市地鐵線路開通里程在十年內(nèi)將迅速增加，其維修人員的配置、維修資源的配給、維修體系的運行等問題，成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)研究的重要內(nèi)容。

從計劃檢修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修是解決該問題的重要途徑。實現(xiàn)狀態(tài)檢修，需實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測，輔以自動化的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，使配備數(shù)量有限的檢修人員最大限度地掌握設(shè)備運行狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)對設(shè)備的維護檢修做出準(zhǔn)確的預(yù)防性措施及應(yīng)急計劃，從而最大程度地節(jié)省維護檢修資源。

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，直流斷路器（額定電壓一般為1 500 V和750 V）是保障牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵設(shè)備，用于牽引供電網(wǎng)的通斷電及故障時的快速保護，也是地鐵運營維護部門需要重點維護的設(shè)備。

目前，地鐵直流斷路器的維護檢修普遍采用日常巡檢和計劃檢修方式，巡視、維修的人工、材料成本較高，且在地鐵高密度運行條件下，大部分檢測和維修工作需要停電進(jìn)行，效率非常低，人工巡檢也無法判斷斷路器內(nèi)部狀態(tài)，因此，研究斷路器在線監(jiān)測技術(shù)非常必要。

本文將研究一種通過在線監(jiān)測斷路器一次回路動作時的電氣參數(shù)，輔助判斷斷路器狀態(tài)優(yōu)劣的方法。

1 直流斷路器常見故障分析

在實際運行中，斷路器一次設(shè)備的主要故障是操作機構(gòu)不動作、動作時間超標(biāo)、滅弧時間長以及由此造成的分合閘失敗或燒損。針對這些故障，需要采取針對性的監(jiān)測方法[1]。

1.1 機械故障

機械故障一方面可能是由于操作機構(gòu)的速度、力量指標(biāo)達(dá)不到要求，無法快速推動斷路器的動觸頭部分，特別是在電動力較大的情況下；另一方面可能是由于傳動件磨損、松動甚至部件脫落引起傳動不到位、跳動、延遲等問題。參考高壓、超高壓、特高壓開關(guān)機械方面的監(jiān)測經(jīng)驗，斷路器機械特性在線監(jiān)測一方面是在斷路器機械結(jié)構(gòu)中設(shè)置傳感器，測量機械動作的相關(guān)參數(shù)（速度、行程等）以判斷機械性能是否劣化；另一方面是通過測量合閘線圈和分閘線圈的電壓、電流等參數(shù)，輔助判斷操作機構(gòu)是否存在電動機構(gòu)劣化問題[2]。

上述措施在一些開關(guān)，特別是大型開關(guān)的性能監(jiān)測中取得了一定效果，但仍存在某些局限性，例如在中低壓開關(guān)上安裝上述裝置，最大難點是安裝空間有限，對于直流開關(guān)，該問題尤為突出。目前廣泛采用的1 500 V、750 V各類直流開關(guān)，結(jié)構(gòu)較為緊湊，機構(gòu)、線圈體積較小，而且操作機構(gòu)的保持方式種類較多，其原理不盡相同，測量分合閘線圈的電氣參數(shù)意義不大。

1.2 滅弧系統(tǒng)故障

滅弧系統(tǒng)的老化將可能導(dǎo)致電弧無法及時冷卻，電弧持續(xù)時間長，從而引起設(shè)備燒損，甚至分閘失敗，造成較為嚴(yán)重的事故。

高壓、超高壓開關(guān)采用油、氣體作為滅弧介質(zhì)，通過監(jiān)測滅弧介質(zhì)的成分、狀態(tài)等參數(shù)可以對其滅弧能力作出判斷，從而采取相應(yīng)的預(yù)防措施。地鐵用直流斷路器通常采用由高分子材料、鋼片等組成的滅弧系統(tǒng)，但由于其體積小且空間狹小，難以檢測實時狀態(tài)量[2，3]。

2 斷路器動作錄波判斷性能的原理

如前文分析，由于地鐵直流斷路器的狀態(tài)監(jiān)測不適用于大型開關(guān)設(shè)備，或具有較大的局限性，因此筆者嘗試一種新方法，通過實時監(jiān)測開關(guān)動作過程中一次回路的電流電壓變化情況來綜合反映開關(guān)的狀態(tài)。

斷路器動作錄波是通過高精度捕捉斷路器動作時一次回路的電壓電流波形、操作指令時間、狀態(tài)信號的同步波形，形成綜合的動作過程記錄，從記錄的波形判斷斷路器動作時的機械參數(shù)（分合閘時間）、電氣參數(shù)（分、合全過程電流電壓的實時值）。這些參數(shù)可以反映開關(guān)動作的時間是否符合出廠值或運營要求值，也可從波形圖中發(fā)現(xiàn)電弧的變化情況，反映出斷路器在滅弧過程和分合閘動作時的優(yōu)劣狀態(tài)。

通過進(jìn)一步積累和疊加其波形歷史數(shù)據(jù)，對斷路器運行歷史記錄、參數(shù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋瑸榉治隹傮w運行趨勢提供輔助參考。采用斷路器錄波技術(shù)，既能在故障發(fā)生后快速準(zhǔn)確地判斷和分析故障，便于故障的排查和定位，也能在系統(tǒng)正常運行時，實時錄得電流、電壓波形，獲得各項電氣量參數(shù)，分析設(shè)備的性能。通過分析歷史波形數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行斷路器故障預(yù)警和壽命預(yù)估。

然而，由于斷路器每次動作時負(fù)荷具有隨機性，依據(jù)少量的錄波數(shù)據(jù)不能充分反映斷路器的性能，所以需要對多次錄波的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，甚至對同一類型設(shè)備的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，才能取得較有價值的結(jié)果。獲得大量數(shù)據(jù)需要長時間的樣本數(shù)據(jù)積累和深入探索分析。

3 在線錄波分析裝置設(shè)計原理及組成

3.1 在線錄波分析裝置設(shè)計原理

圖1為在線錄波分析裝置設(shè)計原理圖。

斷路器動作時，在線錄波分析裝置通過直流變送器測得斷路器電流和電壓的擾動值，形成擾動數(shù)據(jù)并存儲在錄波測控單元中。后臺監(jiān)控上位機包括服務(wù)器和客戶端電腦，服務(wù)器通過專用數(shù)據(jù)讀取軟件讀取錄波數(shù)據(jù)文件，客戶端電腦通過專用錄波分析軟件顯示和分析擾動前后波形，最后得出結(jié)果。

3.2 在線錄波分析裝置的組成

（1）錄波測控單元。在斷路器動作時，錄波測控單元獲取斷路器的電流、電壓擾動值，形成錄波數(shù)據(jù)文件。其主要配置包括：CPU、I/O接口、多路A/D轉(zhuǎn)換通道、按鍵指示燈、液晶顯示模塊、電源電路、時鐘模塊、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、RS485接口、USB接口和以太網(wǎng)接口（圖2）。開關(guān)量I/O接口用于獲取斷路器分閘指令、合閘指令、分位反饋信號、合位反饋信號的4路開關(guān)量輸入，錄波測控單元通過4路開關(guān)量輸入通道獲取斷路器的動作信號；A/D轉(zhuǎn)換通道用于獲取斷路器直流電壓測量信號和電流測量信號的2路模擬量輸入；錄波測控單元CPU時鐘周期為15 ns，其A/D轉(zhuǎn)換芯片分辨率為14位；斷路器的電流和電壓測量輸入信號、分合閘指令及合分位反饋信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和CPU處理后，以錄波數(shù)據(jù)文件的形式存儲在存儲區(qū)。錄波數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議通過RS485串口進(jìn)行通信，并上傳到后臺。

圖1 在線錄波分析裝置設(shè)計原理

（2）上位機服務(wù)器、交換機和客戶端電腦。上位機服務(wù)器讀取錄波數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行存儲；客戶端電腦通過訪問上位機服務(wù)器獲取儲存數(shù)據(jù)。上位機服務(wù)器、客戶端電腦及現(xiàn)場設(shè)備之間通過交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖2 錄波測控單元組成

（3）串口服務(wù)器。串口服務(wù)器通過RS485總線與錄波測控單元相連，錄波測控單元的錄波數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器RS485串口進(jìn)行上傳。

（4）數(shù)據(jù)采集軟件以輪詢掃描的方式讀取錄波裝置中的擾動數(shù)據(jù)，讀取出最新的錄波數(shù)據(jù)，并以rde格式文件存儲在實時數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

（5）錄波分析軟件從客戶端電腦讀取服務(wù)器的波形文件并進(jìn)行顯示分析。實際操作中，在客戶端電腦的上位界面軟件中設(shè)置鏈接按鈕，用以調(diào)用錄波分析軟件可執(zhí)行程序。在錄波分析軟件的打開菜單中選擇要查看的波形，生成波形顯示，且具備縮放、測量、向量圖生成等功能；同時具備分析功能，如自動分析斷路器動作時間、響應(yīng)時間、拉弧時間、滅弧時間等關(guān)鍵參數(shù)，統(tǒng)計分析歷史數(shù)據(jù)，形成報表及曲線，通過歷史曲線形成包絡(luò)圖，以判斷斷路器動作是否異常。

4 測試及分析

為了驗證錄波裝置的性能，分析波形中反映斷路器特性的各項時間參數(shù)，依據(jù)現(xiàn)有條件，以大電流發(fā)生器作為電源，采用小電壓、大電流的形式提供一次電源，在生產(chǎn)廠家實驗室搭建了試驗平臺，進(jìn)行直流斷路器的錄波試驗。試驗用直流斷路器型號為目前國內(nèi)工程中常用型號，其測試數(shù)據(jù)具有廣泛的代表性。試驗原理如圖3所示。

4.1 定義時間參數(shù)

（1）定義錄波測控單元從開關(guān)量輸入到開關(guān)量輸出的響應(yīng)時間為測控單元響應(yīng)時間t11，根據(jù)錄波測控單元的參數(shù)可知t11=10 ms；

圖3 直流斷路器錄波試驗原理

（2）定義接觸器K1和K2的動作響應(yīng)時間為接觸器響應(yīng)時間t21，根據(jù)接觸器的參數(shù)可知t21=28 ms；

（3）定義電流從負(fù)載值到零的時間為滅弧時間t1；

（4）定義直流斷路器線圈得電吸合，主觸頭開始動作（此時電流突變）的響應(yīng)時間為合閘線圈響應(yīng)時間t31；直流斷路器線圈失電釋放，主觸頭開始動作（此時電流突變）的響應(yīng)時間為分閘線圈響應(yīng)時間t32；這2個時間參數(shù)為斷路器固有特性，在實際操作中，合閘需要儲能，因此合閘時間長于分閘時間，即t31＞t32；

（5）定義斷路器從操作信號或故障跳閘信號產(chǎn)生到主觸頭開始動作（此時電流突變）的時間為斷路器響應(yīng)時間t2；

（6）斷路器從操作信號或故障跳閘信號產(chǎn)生到輔助觸點動作完成，整個過程動作的時間定義為斷路器動作時間t3；

（7）定義主觸頭從起點到終點（與輔助觸頭同步）的動作時間為觸頭動作時間t4；

（8）主觸頭和輔助觸點為聯(lián)動結(jié)構(gòu)，理論上同時開合。而在分閘波形中，輔助觸點動作相對于滅弧過程存在延時，這是由于觸頭壓簧的存在導(dǎo)致分閘時主輔觸頭動作不同步，此為斷路器固有特性。定義該延時為壓簧動作時間t5，根據(jù)波形得出t5=20 ms。

4.2 時間參數(shù)關(guān)系及波形

4.2.1 合閘

直流斷路器合閘時具有如下時間關(guān)系：

t3=t11+t21+t31+t4

t2=t11+t21+t31

直流斷路器合閘波形如圖4所示。

圖4 直流斷路器合閘波形

4.2.2 分閘

直流斷路器分閘時具有如下時間關(guān)系：

t3=t11+t21+t32+t4

t2=t11+t21+t32

直流斷路器分閘波形如圖5所示。

圖5 直流斷路器分閘波形

從圖4、圖5波形中讀取的各項時間參數(shù)值如表1所示。從以上波形可以得出：

（1）試驗所錄得的波形完全可以反映斷路器的動作特性及機械特性；

（2）固有特性不可避免，如壓簧動作時間和觸頭動作時間等，均可反映斷路器的機械特性；

（3）計算斷路器整個動作時間參數(shù)時需要減去中間環(huán)節(jié)（如接觸器動作時間）的時間。

表1 直流1 500 V斷路器錄波波形各時間參數(shù)值

5 錄波裝置現(xiàn)場應(yīng)用

為了對地鐵牽引變電所內(nèi)直流1 500 V開關(guān)柜的直流斷路器進(jìn)行錄波在線監(jiān)測，在直流1 500 V開關(guān)柜中安裝錄波測控單元TDR100。將開關(guān)柜內(nèi)的直流變送器信號及合分閘反饋信號接入到錄波測控單元，錄波測控單元通過RS485總線連接到串口服務(wù)器RS1，再通過交換機連接到上位機。

當(dāng)斷路器發(fā)生合分閘動作時，錄波測控單元將對斷路器的動作進(jìn)行波形記錄，并將錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；錄波數(shù)據(jù)上傳到后臺監(jiān)控上位機，通過錄波分析顯示軟件對錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示，生成的波形具備縮放、測量、向量圖生成等功能，同時具備分析功能。

6 結(jié)語

直流斷路器動作特性在線錄波分析裝置可以實現(xiàn)軌道交通供電系統(tǒng)直流斷路器錄波功能。錄波裝置由波形數(shù)據(jù)文件生成斷路器動作時的電壓、電流、分合閘指令及反饋信號的波形，且記錄的波形完全可以反映斷路器的動作特性及機械特性。通過波形分析軟件，可以測算提取反映斷路器動作特性及機械特性的各項參數(shù)值，并據(jù)此發(fā)出故障報警。對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，形成報表及曲線，通過大量的數(shù)據(jù)積累為狀態(tài)評估提供依據(jù)，對斷路器性能的劣化程度進(jìn)行評價，從而實現(xiàn)對斷路器壽命的預(yù)估。

以上是對直流斷路器性能在線監(jiān)測進(jìn)行的一些探索，某些細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步完善，其應(yīng)用效果需要在長期的試驗和現(xiàn)場運行中加以驗證。

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The online recording devices for subway DCcircuit breaker are able to realize theautomatic analysis on the key points and morphological characteristics of waveform by collection of current,voltage,tripping,closing and position feedback signals of DC circuit breaker,and output the key parameters,reflect the mechanical and electrical characteristics of the circuit breaker,and store the data into the historical database.The device’s development realizes thefunctionsof onlinemonitoring,historical datastatistics,failurealarm and servicelifeprediction for circuit breakers.

Subway;DCcircuit breaker;onlinerecording&analysis device;onlinemonitoring

U231.8

A

1007-936X(2017)06-0054-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.014

金 輝.廣州地鐵集團有限公司，高級工程師；胡德兆.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，工程師。

2017-04-19