高壓開關設備運行狀態在線監測裝置的設計與實現

蘇 濤，梁 凱，李 強，張金波

（1.國網河南省電力公司商丘供電公司，河南 商丘476000；2.河海大學物聯網工程學院，江蘇 常州 213022）

1 引言

GIS高壓隔離開關在電力系統運行中起到切換線路及保護作用，要求必須有足夠的開斷距離，其操作性能對電網運行穩定性和供電可靠性有很大影響[1-2]。為了減小體積，目前使用SF6氣體進行電氣絕緣，然而由于GIS隔離開關在生產、加工和安裝等方面可能存在疏漏，慢慢會使SF6氣體發生泄漏[3-8]，將會導致GIS內部絕緣故障。為此，提出了一種GIS高壓隔離開關運行狀態在線監測裝置。該裝置通過監測隔離開關操作機構驅動電機電流情況，間接獲得電機輸出的扭矩，通過角位移傳感器獲得機構所處位置，從而判斷隔離開關操作機構運行狀況。通過SF6氣體泄漏檢測傳感器，實時監測GIS設備SF6氣體泄漏情況，保障隔離開關安全運行。

2 技術現狀

現階段各GIS廠家對隔離開關的動作狀態判定依靠的是一種間接判斷，即通過操作機構指示針或指示燈判斷刀閘是否運動到位，而不能直接觀察到操作機構動作的具體情況。在判定過程中，隔離開關操作機構轉動和傳動部件材質的不良將直接導致誤判，甚至可能導致嚴重的電力安全事故。大多數指示牌裝設在機構箱內部，安裝難度大；而對于安裝位置較高的情況，更增加了位置觀察難度，當合閘指示牌發生傾斜便難以區分操作機構是否到位[9-11]。如圖1所示為隔離開關采用指示針標定動作狀態的實例。

圖1 采用指示針標定動作狀態

3 工作原理

針對傳統式設計的不足，在新設計中采用電流分析法對GIS隔離開關操動機構狀態信息進行監測，利用角位移傳感器對隔離開關操作機構位置進行判斷，最終利用激光原理和雙光束技術對SF6氣體泄漏進行監測。

1)電流分析法

采用電流分析法對GIS隔離開關操動機構狀態信息進行監測，需要用到如下公式：

其中，T為電機轉矩；KT為比例系數；φm為氣隙磁通；I為電機電流。

設計采用20A:1A電流互感器對電機線圈電流進行監測，獲得電流-時間曲線，并繪制+5%包絡線，如圖2所示。根據電流-時間曲線及其包絡線可判斷隔離開關操作機構是否存在卡澀、斷桿、刀口不到位等故障。

圖2 電機線圈電流-時間曲線及包絡圖

2)角位移傳感器

隔離開關操作機構通常是旋轉運動，通過電機的旋轉角度可以獲得操作機構的旋轉角度。通過角位移傳感器采集的數據可準確地判斷出隔離開關所處位置是隔離位、接地位還是中間位

3)激光雙光束技術

GIS隔離開關為了減小體積，采用SF6氣體進行絕緣。對于SF6氣體緩慢泄漏現象，如果不能及時發現，泄漏達到一定的濃度值時，會減少隔離開關絕緣特性，對進入該環境的檢修人員的人身安全與健康構成風險。目前SF6氣體泄漏檢測有紫外線電離、高頻振蕩無極電離、電子捕獲和鉑絲熱電子發射及負電暈放電等方法，但上述方法需要定期進行校準，耗費人力物力較多。新設計中提出一種基于激光原理和雙光束技術的方法，利用紅外光譜吸收原理，對SF6氣體泄漏進行精確測量。SF6氣體泄漏檢測原理如圖3所示。

圖3 激光雙光束技術檢測示意圖

輸入光強度IIN、輸出光強度IOUT和氣體濃度之間的關系為:

式中：αm為摩爾分子吸收系數；C為待測氣體濃度；L為光源到探測器的距離。又有：

將上述兩式取對數運算得:

式中ln(Imin/Irin)是定值,因此通過測量Imout和Irout，即可得到待測氣體濃度。

4 硬件設計

GIS高壓隔離開關運行狀態在線監測裝置通過12位高速數模轉換芯片AD7490采集電流信號，其原理框圖如圖4所示。

圖4 整體原理框圖

電流采集電路采用12位AD芯片AD7490，其采用頻率為1M。為保證芯片采樣與實際隔離開關動作的同步性，使用微處理器控制AD7490片選信號CS，在機構動作時，可以瞬間打開AD7490進行數據采集。為保證數據采集的穩定性，采用AD780芯片為AD7490芯片提供一個穩定的5 V基準電壓，保證采樣基準電壓不會波動。由于電流互感器二次側輸出為交流電流信號，為此需要通過整流濾波及采樣電阻將交流電流信號轉換為直流電壓信號，且二者之間存在一一對應關系，滿足AD芯片采集的要求。SF6氣體傳感器系統硬件結構圖如圖5所示。經過微處理器的處理運算，可最終換算出氣體濃度值。

圖5 SF6氣體傳感器硬件結構框圖

為保證在線監測裝置接收隔離開關動作信號與數據采集的同步性，隔離開關分合閘控制命令由中間繼電器輸出端直接與光耦電路輸入端連接。當隔離開關進行分合閘操作時，光電隔離電路會同步給微處理器發送同步低電平信號，此時微處理器開始采集電流及角位移信息。由于隔離開關不同廠商分合閘輸出接點不同，為了使在線監測裝置能適應不同廠家不同接點方式，在設計中采用短路帽進行選擇接點是常閉觸點還是常開觸點。光耦隔離電路如圖6所示。通過短路帽短接電阻R1或者R2，從而現實一個裝置適應多種隔離開關信號輸入。

圖6 光耦隔離電路

5 軟件設計

在線監測裝置軟件設計流程圖如圖7所示，通過對光耦信號實時檢測分合閘命令，檢測到分合閘命令，即接地位→隔離位信號或者隔離位→接地位信號輸入時，同步進行AD采集，通過對電流信號及角位移信號進行數據采集，將電流-時間曲線和角位移-時間曲線均繪制在顯示屏上，同時將數據存儲在本機SD卡中，方便歷史查詢。在線監測裝置還可實時監測SF6氣體濃度，所有數據可通過有線或無線方式發送到后臺監控中心。

圖7 程序設計流程圖

6 實驗結果分析

首先對SF6氣體泄漏測量精度進行標定試驗。采用測量標準濃度氣體的方法，溫度變化對傳感器影響很小。六氟化硫測量范圍為0～1500ppm，精度為±50ppm。將GIS高壓隔離開關運行狀態在線監測裝置安裝在某供電公司220 kV高壓隔離開關上進行了實際測試，測試結果如圖8所示。

圖8 電流-時間及角位移-時間關系實測曲線

圖中深色曲線為電機電流的包絡線，為高壓隔離開關在第一次投運時，使用本裝置采集電流信號的+5%繪制的電流-時間曲線。若電流-時間曲線偏離且高于初始電流-時間曲線,則表明隔離開關機構存在卡澀現象，通過行程-時間曲線可判斷大致機構卡澀的位置；若曲線消失，說明存在線圈斷線現象；若曲線右移，表明運動時間加長會導致速度降低。當出現故障時，裝置將進行故障報警。

7 結束語

按照本設計制造的GIS高壓隔離開關運行狀態在線監測裝置，已經在某供電公司220kV隔離開關上投入使用使用，當GIS高壓隔離開關出現機械故障及SF6氣體泄漏時，能夠通過通信模塊發送到后臺監控中心進行故障報警。本裝置可實現高壓隔離開關故障提前預警，對保障供電安全具有重要的意義，節省大量人力物力。