高壓斷路器機械特性在線監測系統設計

耿飛 楊沛生

摘 要：本文分析了對高壓斷路器機械特性進行在線監測的必要性，給出了高壓斷路器機械特性在線監測系統的系統構成，并分析了機械特性在線監測系統各參量監測原理，以期為高壓斷路器機械特性在線監測系統的設計提供借鑒。

關鍵詞：高壓斷路器;機械特性;在線監測系統

中圖分類號：TM561文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0071-02

Abstract： This paper analyzed the necessity of on-line monitoring of the mechanical characteristics of high-voltage circuit breakers， and gave the system composition of the online monitoring system for the mechanical characteristics of high-voltage circuit breakers， and analyzed the principle of on-line monitoring system parameters， in order to provide reference for the design of on-line monitoring system for high-voltage circuit breakers.

Keywords： high voltage circuit breaker;mechanical characteristics;on-line monitoring system

斷路器是電力系統中最主要的高壓電器設備，其重要性不言而喻。為提高斷路器運行的可靠性，需要對斷路器進行必要的檢查和維修。當前，采取的檢修措施主要是“定期檢修”，即按固定的時間周期對斷路器進行停電檢修。定期檢修存在兩方面不足：一是設備存在潛在的不安全因素時，因未到檢修時間而導致不能及時排除隱患;二是設備狀態良好，但到檢修時間時必須對其進行檢修，檢修存在較大的盲目性。高壓斷路器機械特性在線監測系統能對斷路器當前的機械狀態進行實時監測，并對歷史狀態數據進行記錄，可以對斷路器的運行可靠性及控制可靠性進行評估，為“定期檢修”向“狀態檢修”過渡提供支持。

1 高壓斷路器機械特性參量

高壓斷路器合閘過程中的機械特性參量包括合閘行程、合閘時間、合閘速度和合閘線圈電流峰值等。高壓斷路器分閘過程中的機械特性參量包括分閘行程、分閘時間、分閘速度和分閘線圈電流峰值等。對于采用彈簧操作機構的高壓斷路器，合閘完成后，儲能電機開始運行，需要對儲能電機的單次運行時間進行監測。

2 高壓斷路器機械特性在線監測系統構成

2.1 系統整體結構

高壓斷路器機械特性在線監測系統主要由位移傳感器、合閘線圈電流傳感器、分閘線圈電流傳感器、儲能電機電流傳感器、斷路器輔助觸點、機械特性監測IED和人機界面等構成。各組成部分的關系如圖1所示。

2.2 位移傳感器

位移傳感器主要用于對斷路器合閘行程和分閘行程進行測量，可分為直線位移傳感器和角度位移傳感器。直線位移傳感器一般安裝在斷路器觸頭拉桿上;角度位移傳感器安裝在與斷路器觸頭運動相關的操作機構旋轉軸上。按照輸出信號的類型，位移傳感器可分為模擬量輸出型位移傳感器和數字量輸出型位移傳感器。模擬量輸出型位移傳感器一般應用于離線式的機械特性儀。為了實現數據處理的便利性，機械特性在線監測系統一般采用數字量輸出型的位移傳感器，如增量式光電編碼器[1]。

2.3 電流傳感器

電流傳感器包括合閘線圈電流傳感器、分閘線圈電流傳感器和儲能電機電流傳感器，分別用于對合閘線圈、分閘線圈、儲能電機的電流波形進行監測。目前，常用的電流傳感器為采用霍爾原理的穿心式電流傳感器，串聯安裝在斷路器合閘回路、分閘回路和儲能電機回路上。穿心式電流傳感器可以在不破壞原來電氣回路和增加原來電氣回路復雜性的基礎上實現電流采樣，可將被測電流轉換為0～5V信號供機械特性監測IED使用。

2.4 機械特性監測IED

機械特性監測IED是機械特性在線監測系統的運算核心，主要功能如下：①提供與位移傳感器、電流傳感器進行通信的接口并接收各傳感器的監測數據;②通過內置于IED中的程序對各傳感器的數據進行綜合計算，并將計算結果保存在IED存儲設備中;③將高壓斷路器最新一次的機械特性數據傳輸至人機界面中進行顯示和告警。

2.5 人機界面

人機界面為顯示機械特性在線監測系統數據的軟件界面，用于顯示高壓斷路器最新一次動作后的機械特性數據。變電站運行人員通過人機界面查看斷路器機械特性數據是否正常，判斷斷路器是否存在機械故障。

3 機械特性在線監測系統各參量監測原理

3.1 合閘行程、分閘行程監測原理

對于采用直線位移傳感器的機械特性在線監測系統，傳感器測得的位移量即為斷路器觸頭合閘行程、分閘行程。對于采用角度位移傳感器的機械特性在線監測系統，需要在機械特性監測IED中編制計算程序，將角度位移傳感器測量的旋轉角度數據換算為斷路器觸頭的直線行程數據。

3.2 合閘時間、分閘時間監測原理

合閘時間的計算起點為合閘線圈開始通電的時間，合閘時間的計算終點為斷路器剛合點。分閘時間的計算起點為分閘線圈開始通電的時間，分閘時間的計算終點為斷路器剛分點。合閘線圈或分閘線圈開始通電的時間可以通過相應的電流傳感器進行監測。斷路器剛合點、剛分點不能通過傳感器直接進行監測，但可以通過位移傳感器進行間接測量。以角度位移傳感器為例，使用離線式機械特性儀同時采集角度位移傳感器輸出信號和斷路器主回路接通（斷開）信號，可確定斷路器主回路接通（斷開）時角度位移傳感器對應的旋轉角度，可在機械特性監測IED中將該角度定義為斷路器的剛合點（剛分點）。

3.3 合閘速度、分閘速度測量原理

合閘（分閘）速度為高壓斷路器合閘（分閘）過程中觸頭在某一段行程中的平均速度。國家標準對該段行程的選擇上沒有明確的規定，由高壓斷路器生產廠家進行考慮。機械特性在線監測系統要實現合閘（分閘）速度的測量，就必須根據高壓斷路器生產廠家的建議，在機械特性監測IED中設定需要進行速度運算的行程區間。在斷路器進行合閘（分閘）操作時，對這段行程區間進行計算，并運算出這段行程區間內的平均速度，即為合閘速度、分閘速度。

3.4 電流及儲能時間測量原理

電流傳感器可以對合閘線圈、分閘線圈、儲能電機的完整電流波形進行監測，并由在線監測IED對電流波形進行計算后得出合閘線圈電流峰值、分閘線圈電流峰值、儲能電機單次運行時間。

4 結語

為了提高智能斷路器運行的安全可靠性，本文設計了一款高壓斷路器機械特性在線監測系統，以期為相關學者的研究提供借鑒。

參考文獻：

[1]姜義.光電編碼器的原理與應用[J].傳感器世界，2010（2）：16-19.