隔離開關動作特性監測用無線姿態傳感器空間取能設計方法

殷關輝 朱曉紅 李建斌 常永要

（云南電網有限責任公司曲靖供電局 云南省曲靖市 655000）

1 引言

隔離開關是變電檢修安全防御的重要設備，隔離開關失效可能導致被檢修設備帶電，給檢修人員帶來安全隱患。隔離開關的動作一般可通過動作特性測試儀進行定期檢定，但定期檢定周期很長，并不能及時有效的保證隔離開關動作的有效性。

為了進一步提高變電檢修安全運行管理質量，有必要開展隔離開關動作監測，從而實時為變電檢修人員的安全護航。

2 姿態傳感器應用情況

姿態傳感器是基于MEMS 技術的高性能三維運動姿態測量系統。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計，三軸電子羅盤等運動傳感器，通過內嵌的低功耗ARM 處理器得到經過溫度補償的三維姿態與方位等數據。利用基于四元數的三維算法和特殊數據融合技術，實時輸出以四元數、歐拉角表示的零漂移三維姿態方位數據。

姿態傳感器近年來在隔離開關動作特性監測中逐步應用，其主要方式是：通過有線方式實現信息傳輸和供電，控制與供電線纜在隔離開關動作過程中信號線纜不可避免產生擠壓，破損，影響了傳感器及隔離開關的可靠性。

從姿態傳感器安裝角度考慮，由于需要兼顧信號傳輸和供電條件，姿態傳感器安裝位置受限，尤其用于垂直方向動作的隔離開關時，動觸頭上安裝姿態傳感器的條件并不恰當，因此一般現有的姿態傳感器主要用于水平方向移動的隔離開關。如圖1所示。

3 無線姿態傳感器解決的核心問題

本文針對姿態傳感器在隔離開關動作特性中的應用現狀，針對安裝靈活性和數據供電傳輸問題，提出一種無線姿態傳感器，該傳感器采用MCU、通信模塊和姿態傳感器高度集成的方案，可實現靈活安裝，無線傳輸的特點，能夠應用在水平方向和垂直動作方向的隔離開關中。

無線姿態傳感器在隔離開關的應用早有討論，但目前尚未得到廣泛實施，最典型的挑戰是供電、電池續航問題。如果姿態傳感器一直處于受控狀態，其靜態電流和通信時的電流很快會耗盡內部電池供電，因此單純依賴高性能電池無法滿足現場應用要求。

4 無線姿態傳感器的擴展用途

4.1 隔離開關健康診斷

圖1

圖2

姿態傳感器提供了三維傾角，同時也提供了三維加速度，在隔離開關切換過程中，如果隔離開關自身的機械部件出現故障，會導致加速度出現及不穩定的現象。因此通過加速度可以反映隔離開關動作過程中的異常噪聲，用于評價隔離開關是否正常。如果探測的噪聲已經屬于嚴重的質量問題，那么即使隔離開關動作到位，也可能后期發生無法動作或動作失效的情況。

4.2 溫濕度及其它參數監測

溫度監測是目前主流姿態傳感器芯片測量環境溫度的的一個通用指標，因此可以利用該溫度對傳感器內部的自身溫度進行測量。另外由于無線姿態傳感器主要通過I2C 總線方式控制，MCU 還有其他富余資源，可用于擴展濕度、外部溫度、放電、感應電流或紫外光的測量。其中感應電流可以用于傳感器布置在觸頭時感應觸頭的電流波形，該波形可用于描述開關動作特性；紫外光可用于觀測環境光照情況外，還可通過改變紫外光傳感器的角度，針對觸頭離合時的紫外光進行探測，診斷開關接觸是否正常。

5 電場取能方法

如上分析，不論采取姿態傳感器用于隔離開關位置，還是基于擴展的輔助電參數測量，都建立在姿態傳感器的可靠蓄能基礎之上。本文提出了基于電場取能方案，可實現變電站內空間電場自然取能，解決供電可靠性問題。設計的傳感器結構如圖2所示。

如圖2 采用了上隔離層作為電場耦合層滿足姿態傳感器上端的電場強度耦合，與下隔離層形成板極電容，對站內高壓設備形成了電容耦合分壓回路。在板極電容內部設計了分壓模塊，在分壓模塊引出后可給電源電路提供驅動電源。

為了降低站內開關切換時沖擊脈沖的過電壓對取能回路造成沖擊影響，分壓元件采取了電感器件，既可起到分壓，又可滿足高頻沖擊波抑制的功能。同時電感在承受脈沖電壓的過程中，自身會出現儲能效應，該儲能一方面可以通過分壓點釋放給驅動電源部分，另一方面可通過傳感器的等效板極電容形成LC 回路實現交互式的充電，將部分沖擊能量存儲在電容中。

為了降低在戶外長期運行引起傳感器內部高溫，在殼體外表面設計反射層，可降低光照入射強度，尤其是保護殼體受紫外線照射。

6 討論

采用純電池供電的無線姿態傳感器在持續受控條件下很難滿足長期監測的要求，本文提出的空間電場取能方法可以顯著提升無線姿態傳感器的有效性，尤其是有效解決姿態傳感器在隔離開關動作特性監測中的實際應用。在設計時應考慮幾個重要因素：

6.1 安裝位置與取電量值的關系。

基于分壓電場取能的方法考慮了穩態電場和瞬間沖擊的非穩態電場的情況，在設計上下板極電容的過程中，應考慮到極間耐受電壓及極間電場對內部電路的影響。如果下隔離層采取接地處理，那么極間電容獲得的分壓為上隔離層與架空線或其他臨近帶電體之間的空氣等效電容之間的分壓比計算；如果下隔離層采取非接地措施，但下隔離層與現場安裝的開關觸頭通過外殼等效電容形成了分壓電容關系，這種情況下電場取能是基于空間耦合電容、外殼與隔離開關觸頭等效電容、外殼自身上下隔離層電容之間的分壓所得。

6.2 分壓線圈的匝間耐受電壓和交流阻抗

如圖盡管分壓線圈對耦合取能采取了分壓節點引出后給電池充電，但分壓線圈如果自身阻抗過低，會導致獲得交流電場轉換為電流信號，消耗在線圈內部，從而減弱取電能量。另外，在沖擊電場作用下，分壓線圈自身的感抗可能產生較大的感應電勢，該感應電勢可能危及匝間絕緣，損壞分壓線圈。

6.3 內部熱量釋放

在沖擊電場或長期穩態電場取能過程中，線圈發熱，電池發熱以及電路板的發熱都會導致殼體內部溫度升高，因此應考慮散熱處理。從該角度分析，上下隔離層作為金屬層，可以一定程度釋放電感端頭的熱量，但上下隔離層自身也屬于儲能電極，它內部通過的電流與電感屬于串聯關系，因此自然通過金屬面積消耗一部分熱量。從該角度分析，上下隔離層應充分考慮散熱條件，采取金屬薄膜或金屬塊設計。

6.4 電子電路的保護

電場取能過程中，線圈與板極電容構成的諧振回路可能產生諧振波形，另外沖擊脈沖條件下，線圈的自感電動勢增大，會形成“天線”效應，產生高頻輻射，對電子電路的正常工作構成干擾。基于該情況將電子電路進行屏蔽處理，如圖（b）的金屬網罩，起到了良好的電磁屏蔽作用。

綜上，本文的方案將傳感器的電路和封裝殼體完整設計，利用殼體的架構，實現了取能、存能，并考慮到變電站環境的沖擊脈沖電場效應，采用了感性原件實現分壓和過濾，有較好的實用價值。解決了供電問題后，整個傳感器被封裝在一個緊湊的容器內，可靈活安裝應用于垂直和水平隔離開關。

7 結論

解決姿態傳感器的電池續航能力對于提高隔離開關狀態監測有很高的實用價值，本文提出的方案經濟價值高，能夠滿足垂直方向和水平方向動作隔離開關的應用，對于提升變電檢修技術水平，實現一鍵順控調度管理的技術發展都有很好的推廣應用空間。