高壓隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)電機(jī)電流采集技術(shù)研究

任劍

摘要：在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中，隔離開(kāi)關(guān)（DS）的使用量是最大的，在高壓電網(wǎng)中起到隔離線路，建立可靠絕緣間隙的作用，DS還用于換接線路以及變換母線接線方式。DS性能的好壞直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，是高壓電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一。高壓隔離開(kāi)關(guān)在分合閘過(guò)程中常由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)速度的快或慢而引起拒分、拒合、分合閘不到位以及傳動(dòng)部件損壞變形等故障，因此，有必要對(duì)開(kāi)關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。以往的高壓隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用彈簧、液壓或氣動(dòng)技術(shù)，具有連桿多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，因此，其累計(jì)運(yùn)動(dòng)公差大、響應(yīng)緩慢、可控性差，難以實(shí)現(xiàn)觸頭的運(yùn)動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：隔離開(kāi)關(guān);操動(dòng)機(jī)構(gòu);電機(jī)輸出;扭矩;電流關(guān)系;分析

1導(dǎo)言

高壓隔離開(kāi)關(guān)主要用于倒閘操作、隔離電源或者分合小負(fù)荷設(shè)備。在倒換運(yùn)行方式或者設(shè)備停電檢修時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)能否順利操作直接影響到系統(tǒng)的供電可靠性和安全性。高壓隔離開(kāi)關(guān)多工作于戶外環(huán)境，轉(zhuǎn)動(dòng)或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在空氣中易發(fā)生銹蝕，加之運(yùn)行維護(hù)不及時(shí)，出現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)分合閘不到位、運(yùn)動(dòng)卡滯等機(jī)械故障，這已經(jīng)成為隔離開(kāi)關(guān)安全運(yùn)行急需解決的難題之一。隔離開(kāi)關(guān)工作時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)通過(guò)軸系統(tǒng)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成分合閘動(dòng)作。當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯等異常情況時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)輸出軸的扭矩增大，因此電機(jī)輸出軸扭矩是反映隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械故障的重要指標(biāo)。

2 DS電機(jī)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

2.1分合閘隔離驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

本文采用功率開(kāi)關(guān)器件IGBT來(lái)控制三相繞組電流的通斷，并設(shè)置RCD緩沖電路改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡控制各種瞬態(tài)過(guò)壓，降低器件開(kāi)關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，電容C通過(guò)二極管充電，吸收關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的du/dt，在IGBT開(kāi)通后，通過(guò)電阻R放電.吸收二極管必須選用快速恢復(fù)二極管，其額定電流應(yīng)不小于主電路器件額定電流的1/10。此外，應(yīng)盡量減小線路電感，應(yīng)選用內(nèi)部電感盡量小且高頻特性好的吸收電容。

2.2電機(jī)位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

位置檢測(cè)電路起著測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，然后控制定子繞組換相。本控制系統(tǒng)采用三個(gè)鎖存型霍爾元件按一定角度固定在霍爾盤上作為電機(jī)位置檢測(cè)傳感器。霍爾盤固定在電機(jī)外殼上，制作一個(gè)圓形磁鋼模擬電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布，磁鋼固定在電機(jī)主軸上。當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)，霍爾元件輸出電平發(fā)生變化，DSP通過(guò)捕獲霍爾元件輸出信號(hào)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子所處位置。

2.3速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器去檢測(cè)轉(zhuǎn)子的速度，光電旋轉(zhuǎn)編碼器由固定在定子上的光電耦合開(kāi)關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成。光電耦合開(kāi)關(guān)沿圓周均勻分布，每只光耦合開(kāi)關(guān)由相互對(duì)著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤位于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開(kāi)有一定角度的窗口.紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷導(dǎo)通和截止，其輸出信號(hào)反映了轉(zhuǎn)子的速度。

2.4繞組線圈電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電流檢測(cè)電路多利用分壓電阻的方式，此種方法簡(jiǎn)單，但電阻會(huì)因?yàn)闇仄l(fā)生變化，無(wú)法保證測(cè)量的精度.同時(shí)外部電路與控制電路之間沒(méi)有電氣隔離，極易造成主回路中的較高電壓對(duì)控制回路的沖擊，對(duì)控制系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅.因此在電流測(cè)量電路中，采用可實(shí)現(xiàn)電氣隔離的霍爾型電流傳感器CHF-400B，傳感器輸出電壓與輸入電流成比例，比值為1/100。電機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中每相繞組中的電流是交變的，但是A/D模塊的輸入電壓范圍是0-3.3 V，所以在傳感器輸出信號(hào)前應(yīng)先通過(guò)加法器，再經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算電路以保證線圈電流信號(hào)的安全性。

2.5電容充放電控制電路設(shè)計(jì)

BLDCM采用儲(chǔ)能電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧等儲(chǔ)能方式.在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電容的充放電控制回路，當(dāng)控制器上電后，首先對(duì)電容器組進(jìn)行充電，由DSP采集電容電壓的信號(hào)并進(jìn)行處理，當(dāng)電壓值達(dá)到系統(tǒng)操作要求時(shí)，DSP發(fā)出停止充電指令，切斷外界電源。

3、試驗(yàn)方式與分析

3.1電機(jī)電流波形

在隔離開(kāi)關(guān)正常工作情況下，隔離開(kāi)關(guān)的分合閘時(shí)間為7s，電機(jī)瞬時(shí)電流為5.268A，從電機(jī)啟動(dòng)、到電流平穩(wěn)的時(shí)間為0.2s。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)、電流回路之后，電機(jī)則可以按照穩(wěn)定方式工作，在分合閘到位之后，限位開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作，并同時(shí)切斷電機(jī)電流。在該過(guò)程中，電機(jī)電流信號(hào)持續(xù)時(shí)間可以作為隔離開(kāi)關(guān)分閘、合閘動(dòng)作持續(xù)時(shí)間應(yīng)用，隔離開(kāi)關(guān)每一次發(fā)生動(dòng)作，需要保證其持續(xù)時(shí)間具有穩(wěn)定的特征，如果在操作當(dāng)中發(fā)生時(shí)間特性異常情況，則表明隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作存在異常問(wèn)題。同時(shí)，在合閘過(guò)程當(dāng)中，在負(fù)載增加情況下，其操作力也將隨之增大，同時(shí)獲得上升電流。在受到多次操作沖擊的情況下，電流波形也因此出現(xiàn)較多峰值。在分閘當(dāng)中，電機(jī)電流具有較為平穩(wěn)的波形，僅僅在后期表現(xiàn)出一個(gè)較小的波峰，即表明隔離開(kāi)關(guān)在動(dòng)作方面具有較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，操作沖擊情況沒(méi)有發(fā)生。由此可見(jiàn)，在其合閘過(guò)程當(dāng)中，負(fù)載一直具有較為復(fù)雜的變化特征，電機(jī)電流如果大于分閘過(guò)程，則非常容易導(dǎo)致機(jī)械故障情況的發(fā)生，并對(duì)操作絕緣子產(chǎn)生更大的沖擊。

3.2電流信號(hào)特征提取

在電流信號(hào)產(chǎn)生變化、且該變化超出一定闕值時(shí)，即表明該電機(jī)具有更大的輸出力矩，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡澀故障。對(duì)此，在該研究中，則通過(guò)信號(hào)波形包絡(luò)線方式提取電機(jī)電流信號(hào)。為了能夠較好的建立操作力矩同電機(jī)電流間關(guān)系，在電流信號(hào)采集工作當(dāng)中，則通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)軸表面應(yīng)變情況的測(cè)量，并做好開(kāi)關(guān)動(dòng)作中輸出轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變信號(hào)以及電流信號(hào)間的對(duì)比。

3.3故障情況電流信號(hào)分析

在隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)行當(dāng)中，其最為常見(jiàn)的故障類型包括有平衡彈簧失效、合閘不到位以及存在銹蝕卡澀現(xiàn)象等。為了能夠做好故障情況下隔離開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)分析，則分別在故障情況下進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，保證電流波形具有較好的重復(fù)性。經(jīng)過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)傳動(dòng)不暢現(xiàn)象、或者發(fā)生機(jī)械故障以及缺陷時(shí)，電機(jī)電流信號(hào)則將發(fā)生異常。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)拉桿、連接桿以及軸承座發(fā)生卡澀情況時(shí)，操作力矩以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流將隨之增大，可以聯(lián)系電流峰值的高低實(shí)現(xiàn)其卡澀程度的判斷，并聯(lián)系峰值出現(xiàn)時(shí)間在同開(kāi)關(guān)動(dòng)作形成結(jié)合的基礎(chǔ)上做好卡澀缺陷位置的判斷。在本次測(cè)試的GW6H隔離開(kāi)關(guān)當(dāng)中，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為密封結(jié)構(gòu)類型，在防水方面具有較好的表現(xiàn)。但是，其在運(yùn)行當(dāng)中觸頭以及上下導(dǎo)電管處于大氣環(huán)境之下，在活動(dòng)當(dāng)中，其肘節(jié)部位經(jīng)常出現(xiàn)銹蝕卡澀情況，進(jìn)而增加操作阻力。同正常運(yùn)行狀態(tài)相比，在卡澀情況下，電流波形主峰值在出現(xiàn)時(shí)刻方面存在較多的不同，由此可以判斷，在隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作初期就存在卡澀缺陷情況。而在卡澀程度較為輕微的情況下，電流波形在峰值情況下同正常運(yùn)行相比沒(méi)有存在較大的差別，而當(dāng)其卡澀較為嚴(yán)重時(shí)，波形峰值則會(huì)出現(xiàn)滯后情況，即表明卡澀缺陷問(wèn)題的存在，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作形成產(chǎn)生了較大的影響。如果隔離開(kāi)關(guān)具有手動(dòng)操動(dòng)結(jié)構(gòu)，則可以聯(lián)系操作過(guò)程中手感情況對(duì)卡澀缺陷是否存在進(jìn)行判斷，但對(duì)于該種手動(dòng)判斷方式來(lái)說(shuō)，其對(duì)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)具有較大的需求，且在準(zhǔn)確性方面不能夠保證，非常容易導(dǎo)致誤判情況發(fā)生。而根據(jù)電機(jī)電流卡澀故障診斷，則能夠?qū)Ω綦x開(kāi)關(guān)的機(jī)械傳動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)更為直觀的呈現(xiàn)。

4、結(jié)束語(yǔ)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，隔離開(kāi)關(guān)可以說(shuō)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果隔離開(kāi)關(guān)存在故障問(wèn)題，將直接影響到電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定。在上文中，我們對(duì)電機(jī)電流檢測(cè)的高壓隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械故障診斷進(jìn)行了一定的研究，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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