國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司 李禎維 吳建軍 李家俊 湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院 楊 澤 鐘建偉

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最核心最關(guān)鍵的開關(guān)設(shè)備，其運(yùn)檢維修工作量在變電站設(shè)備維護(hù)工作中占很大一部分[1]。但高壓斷路器在其服役期間的動(dòng)作次數(shù)隨著電壓等級(jí)的升高而降低，其允許短路開斷的次數(shù)也隨著電壓等級(jí)的升高以及開斷電流的升高而減少。但部分?jǐn)嗦菲饕驗(yàn)槠涞奶厥獾膽?yīng)用位置，其動(dòng)作次數(shù)要遠(yuǎn)高于其他斷路器，如變電站中10kV 補(bǔ)償柜中的電容器投切斷路器。相對(duì)頻繁的動(dòng)作對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性提出了更高的要求。為了提升斷路器的可靠性、提前發(fā)現(xiàn)其機(jī)械性能缺陷、有針對(duì)性地進(jìn)行檢修、減少不必要的檢修對(duì)性能的影響，可以通過設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷[2-3]。

智能斷路器具備一定的自我監(jiān)測(cè)能力，但目前智能斷路器的故障診斷技術(shù)還未完全成熟。斷路器結(jié)構(gòu)種類多，各廠商有所出入，其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也不統(tǒng)一，因此智能斷路器并未得到大規(guī)模的推廣使用。目前電網(wǎng)在使用的絕大多數(shù)斷路器還是傳統(tǒng)斷路器，不具備性能的監(jiān)測(cè)能力，因此設(shè)計(jì)一款在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行智能化改造，在不影響性能的前提下對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行掌握十分重要。但平臺(tái)設(shè)計(jì)中還存在以下諸多問題值得注意。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

斷路器的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景主要可分為以下三類：（1）在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，探究不同機(jī)械結(jié)構(gòu)斷路器的動(dòng)作信號(hào)特性，進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)以選用最為合適的故障診斷算法。（2）斷路器的常規(guī)檢修測(cè)試，將斷路器從開關(guān)柜中抽出，退出運(yùn)行狀態(tài)后進(jìn)行定期檢測(cè)。（3）將在線監(jiān)測(cè)裝置安裝于斷路器內(nèi)部，在其正常工作時(shí)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求不同，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)也有所差異，應(yīng)按需選擇。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)大概可以歸納為如圖1所示兩種方案。其中方案a 對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求較低，僅需設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理裝置，將傳感器采集到的信號(hào)調(diào)理至數(shù)據(jù)采集裝置可以接受的水平。數(shù)據(jù)采集設(shè)備可采用數(shù)據(jù)采集卡這樣的現(xiàn)有產(chǎn)品，以PC 作為上位機(jī)，驅(qū)動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可。對(duì)比方案b，這種架構(gòu)實(shí)際上由上位機(jī)分擔(dān)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等功能。然后上位機(jī)根據(jù)分析到的數(shù)據(jù)特征，采用合適的故障診斷算法，即可實(shí)現(xiàn)斷路器的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷功能。這種方案硬件平臺(tái)搭建容易，硬件環(huán)境要求低，可以將更多的精力用于信號(hào)分析、信號(hào)處理、診斷算法等方面，適用于上述前兩種應(yīng)用場(chǎng)景。但這種方案不適用于對(duì)斷路器正常工作的長期監(jiān)測(cè)。

圖1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

方案b 與方案a 功能相同，三種應(yīng)用場(chǎng)景都可以適應(yīng)，設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)裝置下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的集成化程度，使下位機(jī)裝置同時(shí)具備傳感器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)的采集處理等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單，但其對(duì)于軟硬件的設(shè)計(jì)要求較高。由于要對(duì)斷路器正常工作的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下位機(jī)裝置需安裝至開關(guān)柜內(nèi)，斷路器導(dǎo)通高壓強(qiáng)電，電磁環(huán)境復(fù)雜，因此在硬件抗干擾能力方面提出了更高的要求，增加了設(shè)計(jì)難度。且裝置應(yīng)具有從開關(guān)柜內(nèi)取電的能力。在裝置投入實(shí)用前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試與認(rèn)證，以滿足法律法規(guī)以及行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，但研發(fā)成本較高，因此需根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案。

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

為了有效判斷斷路器機(jī)械性能狀態(tài)，能夠通過監(jiān)測(cè)的物理量變化準(zhǔn)確做出故障診斷，需要確定好平臺(tái)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。通常主要通過監(jiān)測(cè)操控回路的電流或電壓信號(hào)、斷路器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)、以及動(dòng)觸頭行程—時(shí)間信號(hào)曲線來判斷是否存在機(jī)械故障。同時(shí)還可對(duì)斷路器溫濕度、機(jī)械位置開關(guān)狀態(tài)等項(xiàng)目進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)。通常監(jiān)測(cè)某一特定信號(hào)就可以判斷出數(shù)種故障類型，深入研究某特定信號(hào)特征的科研成果較多。但為了能夠?qū)嗦菲骺赡苡龅降墓收项愋妥龅奖M可能的全面覆蓋，應(yīng)當(dāng)靈活組合選用各檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行綜合診斷。在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)在進(jìn)行下面各項(xiàng)監(jiān)測(cè)的過程中，還存在各種問題需要注意。

2.1 操控回路的電流電壓監(jiān)測(cè)

不同的斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，可能存在不同的操控回路。但以最為常見的彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)斷路器為例，其操控回路通常有分閘線圈回路、合閘線圈回路、合閘閉鎖線圈回路、儲(chǔ)能電機(jī)回路。通過對(duì)各操控回路動(dòng)作的電流電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制出其信號(hào)的變化曲線，可分析出多種故障，如線圈短路或斷路、過壓或低壓操作、線圈鐵心卡澀、脫扣器卡死等故障[4-7]。在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，選用合適傳感器時(shí)，應(yīng)注意斷路器的操作回路用電類型、電流電壓等級(jí)及傳感器的安裝位置。斷路器操作回路從開關(guān)柜內(nèi)取電，可能直接取用站內(nèi)110V 或220V 直流電，也可能取用交流電，然后在斷路器內(nèi)部通過整流轉(zhuǎn)換為直流電。在監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)明確傳感器的安裝位置對(duì)應(yīng)的用電類型。

同時(shí)在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目還有一個(gè)問題容易忽略。通常為了不影響斷路器操控回路原有的線路結(jié)構(gòu)，許多方案采用穿孔式霍爾傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而該類型傳感器存在一個(gè)問題不易被發(fā)現(xiàn)，即其響應(yīng)時(shí)間較長。其常見的響應(yīng)時(shí)間在幾十至二三百微秒。斷路器在動(dòng)作時(shí)有著極高的操作時(shí)間要求。如分閘時(shí)要求快速動(dòng)作，分閘線圈的通電時(shí)間僅僅幾十微秒，在此期間準(zhǔn)確測(cè)量回路電流電壓并記錄其變化曲線對(duì)傳感器技術(shù)要求很高。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予充分考慮，選用符合要求的傳感器。

2.2 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)

在斷路器分閘時(shí)，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存的大量能量瞬間釋放，使動(dòng)觸頭快速分閘，這一過程會(huì)帶來較大的振動(dòng)。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析亦可診斷出多種故障[8-10]。但該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集技術(shù)要求較高。有的振動(dòng)傳感器適用于采集持續(xù)的振動(dòng)信號(hào)，有的傳感器適用于采集沖擊振動(dòng)信號(hào)，在傳感器選型時(shí)應(yīng)注意選用后者，否則無法在極短時(shí)間內(nèi)完整有效的采集振動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，振動(dòng)信號(hào)隨時(shí)可能產(chǎn)生，且在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)并消失，需把握好下位機(jī)系統(tǒng)的采集策略。振動(dòng)信號(hào)的采集時(shí)間在斷路器長期的工作時(shí)間中幾乎可以忽略不計(jì)，為了不進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)加重下位機(jī)裝置的負(fù)擔(dān)，該項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)最好配合其他項(xiàng)目進(jìn)行。如與分閘線圈信號(hào)配合，當(dāng)分閘線圈通電時(shí)才啟動(dòng)振動(dòng)信號(hào)的采集。極短時(shí)間采集記錄大量的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)下位機(jī)的裝置的數(shù)據(jù)處理能力也提出了很高的要求。

振動(dòng)傳感器分為：壓電式、壓阻式、電容式、電感式、光電式等，目前最常用的是IEPE 壓電式振動(dòng)傳感器。這種傳感器需采用恒流供電驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流在4～20mA。并且輸出信號(hào)疊加在供電線上，這為下位機(jī)裝置的設(shè)計(jì)帶來了困難。因此在該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)就需考慮到，系統(tǒng)應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)IEPE 振動(dòng)傳感器，并有效調(diào)理出其振動(dòng)輸出信號(hào)的能力。

2.3 動(dòng)觸頭行程監(jiān)測(cè)

分閘時(shí)機(jī)械機(jī)構(gòu)整體動(dòng)作情況的最終結(jié)果就是斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)。通過監(jiān)測(cè)斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)情況，繪制出動(dòng)觸頭的行程—時(shí)間曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析，可以反映出其機(jī)械性能狀態(tài)。利用智能算法對(duì)故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效識(shí)別出斷路器的機(jī)械故障。動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，采集其信號(hào)最直接的方式就是在其同軸線的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝直線傳感器進(jìn)行測(cè)量。但斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，且有極高的絕緣防護(hù)要求，通常直線傳感器無法安裝。因此可以安裝傳感器測(cè)量其他位置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作變化，間接反應(yīng)出動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)情況。不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷路器可選取的測(cè)量位置不同，依然以彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)斷路器為例，可以監(jiān)測(cè)其傳動(dòng)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)情況[11]。

在主軸末端安裝角度傳感器以實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。角度傳感器需要使用過渡接頭與主軸連接。在前文提到的前兩種監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下，對(duì)傳感器的安裝要求較低，因?yàn)閿嗦菲鞒槌鲩_關(guān)柜進(jìn)行測(cè)試，角速度傳感器加過渡接頭可以伸出斷路器外部殼體，完成測(cè)量即可。但在第三種場(chǎng)景下，角度傳感器的安裝不可影響斷路器在開關(guān)柜內(nèi)的正常工作，因此必須置于斷路器內(nèi)部，在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目時(shí)應(yīng)加以考慮。

3 在線監(jiān)測(cè)裝置的可靠性

在搭建在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)正常工作時(shí)的斷路器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要考慮下位機(jī)裝置的實(shí)際使用情況和工作環(huán)境。其需要長期對(duì)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此在進(jìn)行下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到其長期工作的穩(wěn)定性，排除影響穩(wěn)定性的不良因素。例如，在斷路器未動(dòng)作時(shí)，下位機(jī)需要保持監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目很少，功耗較低。若供電模塊的能量轉(zhuǎn)化效率較低，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)發(fā)熱，降低裝置穩(wěn)定性。需選用空載功耗低、效率高的電源。

下位機(jī)裝置在開關(guān)柜內(nèi)工作，其所處位置電磁環(huán)境復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)時(shí)需考慮足夠的隔離防護(hù)措施。其對(duì)外接口，如電源接口、通訊接口、傳感器接口，均需進(jìn)行額外的加強(qiáng)設(shè)計(jì)以提升裝置的抗干擾能力與自我防護(hù)能力，保障裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 總結(jié)

在搭建在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)高壓真空斷路器的機(jī)械性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)及故障診斷時(shí)，平臺(tái)搭建本身面臨著以上提到的許多問題。因此相關(guān)領(lǐng)域的研究不僅局限于監(jiān)測(cè)信號(hào)的特征和故障診斷的算法，還需不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使得方案更適用于投入生產(chǎn)實(shí)踐。提升平臺(tái)的實(shí)用性有利于推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域理論研究的落地與推廣。