李禎維，吳建軍，李家俊，楊 澤，鐘建偉

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北恩施 445000；2.湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北恩施 445000）

引言

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展和智能變電站的快速建設(shè)，高壓電器設(shè)備的智能化程度也越來越高。斷路器作為電力系統(tǒng)中最主要的開關(guān)設(shè)備，對(duì)其運(yùn)行可靠性自然具備更高要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高壓斷路器是檢修維護(hù)工作量最大的一次設(shè)備。同時(shí)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的故障占其總故障的40%[1]。通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)斷路器機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行掌控，盡早發(fā)現(xiàn)其潛在故障，可以提升斷路器的可靠性。并且根據(jù)其狀態(tài)信息優(yōu)化檢修人員檢修方式，可避免斷路器的過度維修或維修不足[2,3]。

20 世紀(jì)90 年代，美國、日本開始研究斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。國內(nèi)的斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)起步于20 世紀(jì)90 年代末期，清華大學(xué)首先對(duì)高壓斷路動(dòng)作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理方面的探索，首次研發(fā)出了在線監(jiān)測(cè)的硬件平臺(tái)[4-6]。此后諸多機(jī)構(gòu)和學(xué)者在此領(lǐng)域展開研究[7-12]。然而多數(shù)學(xué)者研究方向主要聚焦于對(duì)斷路器的各種特征信息進(jìn)行采集和分析，如斷路器的振動(dòng)信號(hào)、分合閘線圈電信號(hào)、斷路器動(dòng)觸頭行程-速度信號(hào)等，并提出了多種故障診斷算法。大多學(xué)者未對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建進(jìn)行詳細(xì)的介紹，未具體闡述下位機(jī)裝置的設(shè)計(jì)方法。許多學(xué)位論文中詳細(xì)介紹了使用的在線監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)。但其設(shè)計(jì)的裝置僅在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)未在運(yùn)行的斷路器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未形成具有實(shí)用性的裝置對(duì)掛網(wǎng)運(yùn)行的斷路器進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)。基于實(shí)驗(yàn)室條件設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置，硬件設(shè)計(jì)方面存在諸多問題。本研究根據(jù)斷路器在線監(jiān)測(cè)下位機(jī)裝置研發(fā)和在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)搭建的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從硬件層面提高斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)用性的角度，提供相應(yīng)問題的解決方法。

1 裝置電源設(shè)計(jì)

對(duì)高壓開關(guān)柜中的真空斷路器而言，常用的操作電源為220 V/50 Hz 交流電或220 V 直流電。斷路器實(shí)際運(yùn)行中，在線監(jiān)測(cè)裝置需從開關(guān)柜內(nèi)部取電才能保證監(jiān)測(cè)的進(jìn)行。因此裝置應(yīng)具有從柜內(nèi)端子排取用上述規(guī)格電力的能力。同時(shí)斷路器作為強(qiáng)電設(shè)備，在線監(jiān)測(cè)下位機(jī)作為弱電裝置對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其工作的電磁環(huán)境復(fù)雜。因此，裝置的電源部分應(yīng)具有一定的隔離防護(hù)性能及一定的自我保護(hù)功能，才可保證裝置的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。裝置的電源設(shè)計(jì)是一個(gè)容易忽略但又十分重要的方面。

常見的監(jiān)測(cè)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建，未考慮裝置的實(shí)際用電情況。通常采用如圖1 所示方案。裝置需要外置電源適配器，提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且在開關(guān)柜內(nèi)占用空間大。同時(shí)，裝置內(nèi)部的芯片、運(yùn)算放大器、傳感器等元件需采用多種等級(jí)的直流弱電，這種設(shè)計(jì)方案大量采用線性穩(wěn)壓源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。一方面，線性穩(wěn)壓源對(duì)外接口未考慮隔離防護(hù)措施；另一方面，在線監(jiān)測(cè)裝置并非長(zhǎng)時(shí)間工作在高性能高負(fù)載狀態(tài)下，通常僅需在斷路器動(dòng)作時(shí)才發(fā)揮其性能。在大多數(shù)時(shí)間中，低負(fù)載情況下，線性穩(wěn)壓源的效率低，發(fā)熱較大，不利于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖1 常見電源方案

為了解決上述問題，可以采取如圖2 所示的電源方案。在裝置中集成電源模塊，這樣可以減少電源適配器這一配件，簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)。電源模塊帶隔離防護(hù)功能，提高了裝置電源對(duì)外接口的安全防護(hù)性能。利用強(qiáng)電轉(zhuǎn)弱電的隔離開關(guān)電源直接從開關(guān)柜內(nèi)部端子排接線取電，轉(zhuǎn)換為24 V 直流弱電。再利用開關(guān)電源將相對(duì)較高的24 V 弱電轉(zhuǎn)化為多種電壓等級(jí)，為不同的元器件供電。開關(guān)電源效率高，輕載功耗較低，通過開關(guān)電源和低壓差線性穩(wěn)壓源的組合使用，降低裝置的電源發(fā)熱，提升裝置長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了芯片運(yùn)行的穩(wěn)定性，可以在電壓相差較小的變換，如5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 時(shí)，利用低壓差線性穩(wěn)壓源降低電源紋波。避免直接用線性穩(wěn)壓源進(jìn)行相差較大的電壓變換，如24 V轉(zhuǎn)5 V時(shí)，帶來的較大發(fā)熱問題。

圖2 隔離電源集成方案

2 角度傳感器的安裝

通?？赏ㄟ^監(jiān)測(cè)動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來分析斷路器動(dòng)作的機(jī)械特性，但在戶內(nèi)高壓開關(guān)柜中的真空斷路器，由于結(jié)構(gòu)緊湊且具有較高的絕緣防護(hù)要求，不便于后期加裝直線位移傳感器來進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)。因此，利用角度傳感器監(jiān)測(cè)斷路器主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)行程，間接反映動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[13,14]。角速度傳感器需通過過渡接頭與主軸完成安裝連接[15]。如圖3 所示，斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，預(yù)留角度傳感器安裝位置較為局促。廠商通常在斷路器側(cè)板上開有圓口，當(dāng)斷路器移出開關(guān)柜，在非運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)試時(shí)，可以將傳感器與過渡接頭伸出圓口進(jìn)行測(cè)試。這種安裝方式在實(shí)驗(yàn)室條件下容易實(shí)現(xiàn)。但須注意的是，若斷路器正常工作時(shí)需移回開關(guān)柜內(nèi)部，這種方法將無法安裝，因而無法持續(xù)監(jiān)測(cè)斷路器主軸動(dòng)作狀態(tài)。

圖3 斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述問題，在斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)選用角度傳感器時(shí)，應(yīng)盡量選用體積較小的角度傳感器，并選用盡量小的過渡接頭，使其能夠安裝在斷路器內(nèi)部，保證不影響斷路器在開關(guān)柜內(nèi)的正常工作。實(shí)際運(yùn)用中，若角度傳感器加過渡接頭的體積依然過大，無法直接安裝至斷路器內(nèi)部，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提供一種備用方案[16]，通過180°齒輪換向機(jī)構(gòu)，將主軸轉(zhuǎn)速等比換向。過渡接頭加換向機(jī)構(gòu)可以置于斷路器主軸與側(cè)板之間，變換角度傳感器的安裝位置。這種方案提升了角速度傳感器的選用靈活性，提升了斷路器對(duì)體積更大的傳感器的兼容性及在線監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用性。

3 振動(dòng)傳感器的驅(qū)動(dòng)

通過對(duì)斷路器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，可以判斷斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，識(shí)別出對(duì)應(yīng)故障。目前廣泛使用的振動(dòng)傳感器為兩線制的ΙEPE 振動(dòng)傳感器。這種傳感器對(duì)外輸出線分為一根供電線與一根接地線，供電線為其提供4 mA～20 mA 恒流供電，同時(shí)輸出的振動(dòng)信號(hào)也疊加在這根供電線上。因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)振動(dòng)傳感器供電激勵(lì)的能力，還能夠有效調(diào)理出其輸出信號(hào)，這些條件對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較高。通常ΙEPE傳感器的生產(chǎn)廠家會(huì)為其專門配備恒流適配器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電及信號(hào)調(diào)理功能，如圖4 所示。但是這種方案需要多連接恒流適配器這一輔助設(shè)備，增加了系統(tǒng)整體的復(fù)雜度，不利于斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用。

圖4 常見振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)方案

因此，應(yīng)提升在線監(jiān)測(cè)裝置的集成化程度，在其內(nèi)部集成專用ΙEPE數(shù)據(jù)采集卡，使裝置直接具備驅(qū)動(dòng)ΙEPE振動(dòng)傳感器的能力，并能有效分離出輸出信號(hào)。ΙEPE 數(shù)據(jù)采集卡將輸出信號(hào)調(diào)理為適用于芯片采集的模擬信號(hào)，再通過ADC芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終傳遞給上位機(jī)。通過提高監(jiān)測(cè)裝置的集成度，簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)，增強(qiáng)其實(shí)用性。方案如圖5所示。

圖5 振動(dòng)信號(hào)采集集成方案

4 電流電壓采集方案設(shè)計(jì)

通過采集斷路器分（合）閘線圈電信號(hào)、儲(chǔ)能電信號(hào)等操控回路的電信號(hào)并進(jìn)行分析診斷，既可以診斷出回路中故障：如線圈短路、接觸不良、電源過壓和欠壓等，也可以診斷出斷路器部分機(jī)械結(jié)構(gòu)故障：如鐵心卡澀、脫扣器卡死等。通常為了采集電信號(hào)，需要采用如圖6所示方案，在斷路器內(nèi)部加裝穿孔式霍爾傳感器，將采集到的信號(hào)傳遞回在線監(jiān)測(cè)裝置。但這樣的方案主要存在以下三方面的缺點(diǎn)。

圖6 常用電流電壓采集方案

首先，斷路器分閘動(dòng)作時(shí)，分閘線圈通電時(shí)間僅為幾十毫秒，而常見的穿孔式霍爾傳感器響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)幾十至數(shù)百毫秒，其響應(yīng)時(shí)間難以滿足快速采集電信號(hào)，繪制出電流或電壓曲線的要求。其次，在線監(jiān)測(cè)裝置為傳感器提供的供電端口以及信號(hào)接收端口常常未考慮隔離防護(hù)措施，信號(hào)直接引入以運(yùn)算放大器為核心組成的信號(hào)調(diào)理電路。雖然霍爾電流或電壓傳感器天然具備隔離效果，可以保護(hù)弱電系統(tǒng)免受強(qiáng)電影響，但其供電線和信號(hào)線又成為防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，使得裝置在此處可能受到強(qiáng)電、靜電影響以及電磁干擾。其三，這種采集方案需要在斷路器內(nèi)部加裝多個(gè)傳感器，有的傳感器甚至需要在斷路器內(nèi)部打孔安裝，這種方案提升了系統(tǒng)安裝實(shí)用的復(fù)雜度。

若采用接觸式霍爾傳感器，可以提升系統(tǒng)采集信號(hào)時(shí)的響應(yīng)速度，傳感器響應(yīng)時(shí)間通常較短，僅為數(shù)微秒。同時(shí)將傳感器集成到在線監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部，裝置對(duì)外接口即為傳感器一次回路接口，傳感器自身隔離防護(hù)能力對(duì)裝置整體也可構(gòu)成保護(hù)，不存在防護(hù)的缺口與薄弱環(huán)節(jié)。這樣的方案同時(shí)也簡(jiǎn)化了裝置的安裝復(fù)雜度，只需將裝置與斷路器對(duì)應(yīng)回路接線即可完成監(jiān)測(cè)，無需在斷路器內(nèi)加裝傳感器。

圖7 集成化電流電壓采集方案

5 裝置對(duì)外端口隔離防護(hù)

在線監(jiān)測(cè)裝置需要長(zhǎng)期工作在高壓強(qiáng)電設(shè)備周圍，其工作場(chǎng)景的電磁環(huán)境復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，斷路器不在導(dǎo)通高壓電的工作狀態(tài)，無需考慮隔離防護(hù)措施。在不考慮裝置的電磁兼容性能的情況下也可正常完成試驗(yàn)。但為了增強(qiáng)裝置實(shí)用性，需提高裝置的電磁兼容性能和抗干擾能力，以保證設(shè)備在高壓強(qiáng)電設(shè)備附近長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。除了在電路板設(shè)計(jì)方面采用一些手段來提高裝置的EMC性能，很重要的一方面就是加強(qiáng)裝置對(duì)外接口的隔離防護(hù)措施。除了上文提到的電源設(shè)計(jì)方案與電信號(hào)采集方案中對(duì)對(duì)應(yīng)接口的防護(hù)，還需考慮其他接口的防護(hù)性能。

在線監(jiān)測(cè)裝置需與上位機(jī)通訊，通?？刹捎肦S232、RS48、CAN 等通訊方式與上位機(jī)連接，或與智能ΙED 設(shè)備連接再傳遞信息給上位機(jī)[17]。通常在裝置硬件設(shè)計(jì)時(shí)，許多設(shè)計(jì)方案直接采用對(duì)應(yīng)芯片搭建的電路以實(shí)現(xiàn)通訊功能。然而常用的芯片及其電路并不具備隔離防護(hù)能力，因此對(duì)應(yīng)的通訊接口處于無保護(hù)狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用帶隔離防護(hù)功能的通訊模塊來實(shí)現(xiàn)通訊功能，提升接口的安全性。

此外為了判斷機(jī)械開關(guān)的位置狀態(tài)，部分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還會(huì)添加如圖8 所示原理的光耦電路，將機(jī)械開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[18,19]。光耦元件具有隔離防護(hù)能力，信號(hào)通路無需考慮防護(hù)問題。輔助觸點(diǎn)通路即S1通路，應(yīng)采取與在線監(jiān)測(cè)裝置沒有聯(lián)系的其他電源供電。然而通常在設(shè)計(jì)中，許多方案直接由在線監(jiān)測(cè)裝置提供圖中V1 電源，此時(shí)該供電接口就失去了防護(hù)能力。雖然采用了光耦元件，若輔助觸點(diǎn)S1處有高壓，高壓電將通過供電接口直接損壞裝置。因此，采用該原理的電路，需要裝置直接為輔助觸點(diǎn)通路供電時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)對(duì)外輸出的隔離電源，保證各對(duì)外端口的全面防護(hù)。

圖8 常用輔助觸點(diǎn)光耦電路

6 結(jié)語

通過改進(jìn)斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案，可以提高裝置的集成化程度，降低系統(tǒng)整體的復(fù)雜度和安裝難度；提高裝置的隔離防護(hù)能力，保障裝置在復(fù)雜的電磁環(huán)境條件下可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。以上一系列措施都可以提高裝置的實(shí)用性，使斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置不僅僅適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的試驗(yàn)和斷路器非工作狀態(tài)下的測(cè)試，也可對(duì)正常通電運(yùn)行的斷路器進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。