董 馳，李曉峰，顧朝敏，賈伯巖，李天輝，龐先海

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

高壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，起著接受、分配電能，控制、保護(hù)電網(wǎng)的作用。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)柜的裝用規(guī)模越來(lái)越來(lái)大，也對(duì)其運(yùn)行維護(hù)提出了更高的要求。斷路器是高壓開(kāi)關(guān)柜中的核心部件，其機(jī)械特性關(guān)系到開(kāi)關(guān)能否正常動(dòng)作，十分重要。傳統(tǒng)的停電試驗(yàn)、帶電檢測(cè)效率低下，耗時(shí)費(fèi)力，不足以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的需求；現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)手段多集中于局部放電、溫度的監(jiān)測(cè)[1－3]，對(duì)機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)相對(duì)缺乏。因此，有必要對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝置展開(kāi)研究。

文獻(xiàn)[4－5]采用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)分合閘線圈電流或儲(chǔ)能電機(jī)的電流，提取電流曲線中的關(guān)鍵參量，從而能夠反映斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行狀態(tài)；文獻(xiàn)[6]研究對(duì)比了斷路器機(jī)械特性測(cè)試的幾種位移傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了旋轉(zhuǎn)編碼器和激光位移傳感器是中壓斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)的理想傳感器；文獻(xiàn)[7－8]采用角位移傳感器獲取了斷路器觸頭行程－時(shí)間曲線，并用中值濾波算法對(duì)曲線進(jìn)行了去噪、平滑處理；文獻(xiàn)[9－13]應(yīng)用振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)斷路器的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特征確定了斷路器的剛分、剛合點(diǎn)，但是信號(hào)處理算法復(fù)雜，且振動(dòng)傳感器的位置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大影響。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了基于高頻信號(hào)耦合解耦原理的高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器分合閘周期在線檢測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓斷路器分合閘周期的在線監(jiān)測(cè)，但是該方法需要在高壓回路中接入測(cè)量電路，對(duì)裝置的可靠性要求較高。

本文在前述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、行程－時(shí)間特性的在線監(jiān)測(cè)。核心部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端，可以提供各參量監(jiān)測(cè)裝置或傳感器電源、數(shù)據(jù)通訊接口、評(píng)估算法容器、顯示告警和上層通訊等服務(wù)。本文還建立了高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，能夠直觀反映出各特征量的健康狀態(tài)，為運(yùn)維檢修人員提供決策支持。

1 監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)裝置的組成和工作原理

高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置主要由分合閘線圈電流傳感器、儲(chǔ)能電機(jī)電流傳感器、觸頭行程傳感器、狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端等部分組成，如圖1所示。

圖1 高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置

監(jiān)測(cè)裝置的基本工作原理是:分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、觸頭行程等前端傳感器負(fù)責(zé)采集原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)模擬或數(shù)字輸入接口匯集到狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端，狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端根據(jù)事先內(nèi)置的軟件算法，計(jì)算得出關(guān)鍵的機(jī)械特性特征參量并進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)，最后將分析結(jié)果在客戶端應(yīng)用程序顯示出來(lái)，輸出告警。

1.2 電流傳感器

本文采用開(kāi)口式閉環(huán)霍爾電流傳感器，該類電流傳感器適合開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝環(huán)境，能夠測(cè)量小電流、非穩(wěn)態(tài)直流，并且具有可靠性高、免維護(hù)的特點(diǎn)。所選霍爾電流傳感器測(cè)量范圍為0～25 A，分辨率不大于10 mA，精度為0.5%滿量程(full scale，F(xiàn)S)，能夠滿足測(cè)量要求。本文采用的霍爾電流傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)4 mA～20 mA 電流輸入接口進(jìn)入核心處理器。

傳感器安裝在分合閘線圈線纜和儲(chǔ)能電機(jī)電源線上。電流傳感器原邊導(dǎo)線，盡可能放置于傳感器的孔徑中心。由于傳感器不介入斷路器自身的電氣回路，因此避免了對(duì)斷路器電氣性能的影響。

1.3 觸頭行程傳感器

本文采用增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器，該類傳感器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)解碼后再利用角位移和觸頭直線位移的關(guān)系間接得到觸頭行程。所選增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器行程測(cè)量范圍為0～50 mm，精度為0.1 mm。本文采用的增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器的輸出信號(hào)可通過(guò)HCTL－20XX 系列芯片解碼后進(jìn)入核心處理器[6]。

傳感器安裝在斷路器的拐臂上，安裝時(shí)應(yīng)盡量使傳感器與拐臂的旋轉(zhuǎn)軸同心布置。

1.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端

智能終端由電源輸出模塊、模擬通道輸入模塊、狀態(tài)輸入/輸出模塊、數(shù)字輸入接口模塊、數(shù)字輸出接口模塊、核心處理器模塊、GPS 受時(shí)模塊、保護(hù)電源模塊和視頻輸出模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端結(jié)構(gòu)圖

電源輸出模塊提供1 個(gè)6Pin PCIe 輸出接口，6Pin PCIe 電源輸出接口包含＋5 V、Com、Pe、＋12 V、Com、Pe 端子各1 個(gè)，且可以通過(guò)6Pin PCIe 分路接口線進(jìn)行多級(jí)擴(kuò)展，擴(kuò)展數(shù)量不受限制，但總?cè)萘坎荒艹^(guò)電源模塊提供的容量。

模擬通道輸入模塊由6 個(gè)通道構(gòu)成，每個(gè)通道均包括電流輸入接口和電壓輸入接口，電流輸入接口的電流輸入范圍為4 mA～20 mA，電壓輸入接口的電壓輸入范圍為0～5 V；電流輸入接口和電壓輸入接口均采用插拔式，以拔插更換來(lái)適應(yīng)不同的通道接口組合。

數(shù)字輸入接口模塊設(shè)置有RS485 模塊接口、RJ45 模塊接口和輸入擴(kuò)展接口。輸入擴(kuò)展接口包括四個(gè)插拔接口，可用來(lái)插裝Zigbee 模塊、433 模塊、Wifi 模塊、藍(lán)牙模塊或其他專用數(shù)字接口電路。

數(shù)字輸出接口模塊設(shè)置有RS485 模塊接口和輸出擴(kuò)展接口。輸出擴(kuò)展接口包括三個(gè)插拔接口，用來(lái)插裝RJ45 模塊、Zigbee 模塊、Wifi 模塊或4G 通訊模塊。通過(guò)數(shù)字輸出接口可將監(jiān)測(cè)分析結(jié)果上傳給桌面端或移動(dòng)端的應(yīng)用。

核心處理器模塊運(yùn)行Linux 內(nèi)核2.4 以上版本，并提供基于IEC61970 協(xié)議定制的高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。核心處理器模塊采集模擬通道輸入模塊、狀態(tài)輸入/輸出模塊和數(shù)字輸入接口模塊輸入的模擬量、狀態(tài)量和數(shù)字量，并分別對(duì)其進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換及協(xié)議解析，并更新到高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。核心處理器模塊同時(shí)根據(jù)設(shè)定高壓開(kāi)關(guān)柜數(shù)據(jù)處理算法，最終輸出斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件整體設(shè)計(jì)

軟件由觸發(fā)判斷程序、A/D 采樣程序、濾波算法程序、機(jī)械特性特征量計(jì)算程序、狀態(tài)評(píng)價(jià)程序、數(shù)據(jù)通訊程序等部分組成。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

核心處理器實(shí)時(shí)采集霍爾電流傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行觸發(fā)判斷。當(dāng)有電流出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)主程序，開(kāi)始采集斷路器動(dòng)作過(guò)程中的分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流及行程數(shù)據(jù)。當(dāng)行程曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，采樣結(jié)束，備份波形數(shù)據(jù)。然后一方面重新進(jìn)入到觸發(fā)判斷程序，另一方面開(kāi)始波形數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算。通過(guò)小波閾值去噪算法、中值濾波算法[7]對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到精確波形。然后根據(jù)精確波形計(jì)算機(jī)械特性的特征量，進(jìn)而完成斷路器的狀態(tài)評(píng)價(jià)，并將結(jié)果在智能終端上顯示。數(shù)據(jù)通信程序可將計(jì)算、評(píng)價(jià)結(jié)果傳輸至其他終端顯示。

2.2 機(jī)械特性特征量的計(jì)算

特征量應(yīng)能反應(yīng)斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本文選取以下九個(gè)參量作為斷路器機(jī)械特性的關(guān)鍵特征量:

(1)鐵芯啟動(dòng)時(shí)間T1

(2)脫扣完成時(shí)間T2

(3)輔助開(kāi)關(guān)切換時(shí)間T3

(4)線圈帶電時(shí)長(zhǎng)T4

(5)線圈穩(wěn)態(tài)電流值Iw

(6)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)Ts

(7)儲(chǔ)能電機(jī)平均電流Iav

(8)分合閘時(shí)間T

(9)行程S

上述第1 至第6 個(gè)特征量可以利用在分合閘線圈電流波形、儲(chǔ)能電機(jī)電流波形中提取極值點(diǎn)的方法確定出來(lái)；儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為儲(chǔ)能電機(jī)自上電時(shí)刻開(kāi)始到電流結(jié)束時(shí)刻的整個(gè)時(shí)間區(qū)間；儲(chǔ)能電機(jī)平均電流為每一個(gè)采樣點(diǎn)的電流值在儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)上的算術(shù)平均值；行程為動(dòng)觸頭起始位移量之差。

本文將線圈帶電時(shí)刻作為分合閘時(shí)間的起始時(shí)刻。分合閘時(shí)間終止時(shí)刻的確定是利用離線機(jī)械特性測(cè)試，找到剛分、剛合時(shí)刻與輔助開(kāi)關(guān)切換時(shí)刻的時(shí)間配合關(guān)系，然后將在線測(cè)量的輔助開(kāi)關(guān)切換時(shí)刻進(jìn)行修正，作為分合閘時(shí)間的終止時(shí)刻。分合閘時(shí)間的計(jì)算公式為:

式中:T為分/合閘時(shí)間，T3為輔助開(kāi)關(guān)切換時(shí)刻，T0為線圈帶電時(shí)刻，Δt為時(shí)間修正量。

2.3 狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

本文建立的狀態(tài)評(píng)價(jià)體系分成四個(gè)區(qū)間，對(duì)于特征量T1、T2、T3、T4、Iw、Ts、Iav，當(dāng)初值差在±5%以內(nèi)時(shí)，特征量評(píng)價(jià)為正常狀態(tài)；當(dāng)初值差在±5%～±10%范圍時(shí)，特征量評(píng)價(jià)為注意狀態(tài)，判定開(kāi)關(guān)需要加強(qiáng)對(duì)應(yīng)特征量部分的關(guān)注；當(dāng)初值差在±10%～±15%范圍時(shí)，特征量評(píng)價(jià)為異常狀態(tài)，判斷開(kāi)關(guān)需要盡快進(jìn)行對(duì)應(yīng)特征量部分的檢修；當(dāng)初值差超過(guò)±15%時(shí)，特征量評(píng)價(jià)為嚴(yán)重狀態(tài)，判定開(kāi)關(guān)存在嚴(yán)重缺陷，應(yīng)立即停電安排檢修。初值差[15]計(jì)算公式為:

式中:初始值可以為出廠值、交接試驗(yàn)值或早期試驗(yàn)值。

對(duì)于特征量T，技術(shù)文件一般規(guī)定其上限Tmax，本文定義變量ε:

對(duì)于特征量S，技術(shù)文件一般規(guī)定其參考范圍Smid±ΔS。Smid指產(chǎn)品技術(shù)文件中規(guī)定的行程范圍的中間值。本文定義變量δ:

本文建立的高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性狀態(tài)評(píng)價(jià)體系見(jiàn)表1。

表1 高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

本文以某型號(hào)12 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜真空斷路器為研究對(duì)象，對(duì)比了傳統(tǒng)離線機(jī)械特性測(cè)試和本文裝置在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，如表2 所示。

表2 斷路器機(jī)械特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置計(jì)算得到的機(jī)械特性參數(shù)與離線測(cè)試的參數(shù)基本相符，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的裝置監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流相關(guān)特征量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流相關(guān)特征量測(cè)試結(jié)果

合閘操作時(shí)各特征量狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 合閘操作特征量狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3、表4 可見(jiàn)，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)Ts與儲(chǔ)能電機(jī)平均電流Iav的測(cè)試值明顯小于初始值，狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果分別為異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)，判斷儲(chǔ)能電機(jī)的輸出功率變小，可能為儲(chǔ)能彈簧疲軟所致?，F(xiàn)場(chǎng)更換儲(chǔ)能彈簧后，測(cè)試結(jié)果恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

本文對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置展開(kāi)研究，通過(guò)霍爾電流傳感器、角位移傳感器及其電路以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)智能終端等相關(guān)模塊，分析處理得到斷路器機(jī)械特性的特征參量，建立了機(jī)械特性狀態(tài)評(píng)價(jià)體系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，本文設(shè)計(jì)的裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)果與離線測(cè)試參數(shù)及初始值基本相符，驗(yàn)證了本文裝置的有效性。