高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置研究?

2021-07-16 14:05:34李曉峰顧朝敏賈伯巖李天輝龐先海

電子器件 2021年3期

董馳，李曉峰，顧朝敏，賈伯巖，李天輝，龐先海

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北石家莊 050021)

高壓開關柜是電力系統中的重要設備，起著接受、分配電能，控制、保護電網的作用。近年來，隨著社會經濟的發展，高壓開關柜的裝用規模越來越來大，也對其運行維護提出了更高的要求。斷路器是高壓開關柜中的核心部件，其機械特性關系到開關能否正常動作，十分重要。傳統的停電試驗、帶電檢測效率低下，耗時費力，不足以滿足實時監測設備運行狀態的需求；現有的在線監測手段多集中于局部放電、溫度的監測[1－3]，對機械特性的監測相對缺乏。因此，有必要對高壓開關柜斷路器機械特性在線監測技術及裝置展開研究。

文獻[4－5]采用霍爾電流傳感器監測分合閘線圈電流或儲能電機的電流，提取電流曲線中的關鍵參量，從而能夠反映斷路器操動機構、儲能裝置的運行狀態；文獻[6]研究對比了斷路器機械特性測試的幾種位移傳感器，通過實驗證明了旋轉編碼器和激光位移傳感器是中壓斷路器機械特性監測的理想傳感器；文獻[7－8]采用角位移傳感器獲取了斷路器觸頭行程－時間曲線，并用中值濾波算法對曲線進行了去噪、平滑處理；文獻[9－13]應用振動傳感器監測斷路器的振動信號，根據振動信號的特征確定了斷路器的剛分、剛合點，但是信號處理算法復雜，且振動傳感器的位置對實驗結果有很大影響。文獻[14]設計了基于高頻信號耦合解耦原理的高壓開關柜斷路器分合閘周期在線檢測裝置，能夠實現高壓斷路器分合閘周期的在線監測，但是該方法需要在高壓回路中接入測量電路，對裝置的可靠性要求較高。

本文在前述研究的基礎上，設計了一種高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置。該裝置能夠實現分合閘線圈電流、儲能電機電流、行程－時間特性的在線監測。核心部件狀態監測智能終端，可以提供各參量監測裝置或傳感器電源、數據通訊接口、評估算法容器、顯示告警和上層通訊等服務。本文還建立了高壓開關柜斷路器機械特性狀態評價體系，能夠直觀反映出各特征量的健康狀態，為運維檢修人員提供決策支持。

1 監測裝置的硬件設計

1.1 監測裝置的組成和工作原理

高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置主要由分合閘線圈電流傳感器、儲能電機電流傳感器、觸頭行程傳感器、狀態監測智能終端等部分組成，如圖1所示。

圖1 高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置

監測裝置的基本工作原理是:分合閘線圈電流、儲能電機電流、觸頭行程等前端傳感器負責采集原始數據，數據經模擬或數字輸入接口匯集到狀態監測智能終端，狀態監測智能終端根據事先內置的軟件算法，計算得出關鍵的機械特性特征參量并進行狀態評價，最后將分析結果在客戶端應用程序顯示出來，輸出告警。

1.2 電流傳感器

本文采用開口式閉環霍爾電流傳感器，該類電流傳感器適合開關柜內安裝環境，能夠測量小電流、非穩態直流，并且具有可靠性高、免維護的特點。所選霍爾電流傳感器測量范圍為0～25 A，分辨率不大于10 mA，精度為0.5%滿量程(full scale，FS)，能夠滿足測量要求。本文采用的霍爾電流傳感器的輸出信號通過4 mA～20 mA 電流輸入接口進入核心處理器。

傳感器安裝在分合閘線圈線纜和儲能電機電源線上。電流傳感器原邊導線，盡可能放置于傳感器的孔徑中心。由于傳感器不介入斷路器自身的電氣回路，因此避免了對斷路器電氣性能的影響。

1.3 觸頭行程傳感器

本文采用增量式旋轉光電編碼器，該類傳感器通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換為脈沖信號，對脈沖信號解碼后再利用角位移和觸頭直線位移的關系間接得到觸頭行程。所選增量式旋轉光電編碼器行程測量范圍為0～50 mm，精度為0.1 mm。本文采用的增量式旋轉光電編碼器的輸出信號可通過HCTL－20XX 系列芯片解碼后進入核心處理器[6]。

傳感器安裝在斷路器的拐臂上，安裝時應盡量使傳感器與拐臂的旋轉軸同心布置。

1.4 狀態監測智能終端

智能終端由電源輸出模塊、模擬通道輸入模塊、狀態輸入/輸出模塊、數字輸入接口模塊、數字輸出接口模塊、核心處理器模塊、GPS 受時模塊、保護電源模塊和視頻輸出模塊構成，如圖2 所示。

圖2 狀態監測智能終端結構圖

電源輸出模塊提供1 個6Pin PCIe 輸出接口，6Pin PCIe 電源輸出接口包含＋5 V、Com、Pe、＋12 V、Com、Pe 端子各1 個，且可以通過6Pin PCIe 分路接口線進行多級擴展，擴展數量不受限制，但總容量不能超過電源模塊提供的容量。

模擬通道輸入模塊由6 個通道構成，每個通道均包括電流輸入接口和電壓輸入接口，電流輸入接口的電流輸入范圍為4 mA～20 mA，電壓輸入接口的電壓輸入范圍為0～5 V；電流輸入接口和電壓輸入接口均采用插拔式，以拔插更換來適應不同的通道接口組合。

數字輸入接口模塊設置有RS485 模塊接口、RJ45 模塊接口和輸入擴展接口。輸入擴展接口包括四個插拔接口，可用來插裝Zigbee 模塊、433 模塊、Wifi 模塊、藍牙模塊或其他專用數字接口電路。

數字輸出接口模塊設置有RS485 模塊接口和輸出擴展接口。輸出擴展接口包括三個插拔接口，用來插裝RJ45 模塊、Zigbee 模塊、Wifi 模塊或4G 通訊模塊。通過數字輸出接口可將監測分析結果上傳給桌面端或移動端的應用。

核心處理器模塊運行Linux 內核2.4 以上版本，并提供基于IEC61970 協議定制的高壓開關柜數據訪問接口。核心處理器模塊采集模擬通道輸入模塊、狀態輸入/輸出模塊和數字輸入接口模塊輸入的模擬量、狀態量和數字量，并分別對其進行AD 轉換及協議解析，并更新到高壓開關柜數據存儲區。核心處理器模塊同時根據設定高壓開關柜數據處理算法，最終輸出斷路器狀態評價結果。

2 監測裝置的軟件設計

2.1 軟件整體設計

軟件由觸發判斷程序、A/D 采樣程序、濾波算法程序、機械特性特征量計算程序、狀態評價程序、數據通訊程序等部分組成。軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

核心處理器實時采集霍爾電流傳感器的數據，進行觸發判斷。當有電流出現時，啟動主程序，開始采集斷路器動作過程中的分合閘線圈電流、儲能電機電流及行程數據。當行程曲線達到穩態時，采樣結束，備份波形數據。然后一方面重新進入到觸發判斷程序，另一方面開始波形數據的處理與計算。通過小波閾值去噪算法、中值濾波算法[7]對波形數據進行處理后，得到精確波形。然后根據精確波形計算機械特性的特征量，進而完成斷路器的狀態評價，并將結果在智能終端上顯示。數據通信程序可將計算、評價結果傳輸至其他終端顯示。

2.2 機械特性特征量的計算

特征量應能反應斷路器機械機構的運動狀態，本文選取以下九個參量作為斷路器機械特性的關鍵特征量:

(1)鐵芯啟動時間T1

(2)脫扣完成時間T2

(3)輔助開關切換時間T3

(4)線圈帶電時長T4

(5)線圈穩態電流值Iw

(6)儲能時長Ts

(7)儲能電機平均電流Iav

(8)分合閘時間T

(9)行程S

上述第1 至第6 個特征量可以利用在分合閘線圈電流波形、儲能電機電流波形中提取極值點的方法確定出來；儲能時長為儲能電機自上電時刻開始到電流結束時刻的整個時間區間；儲能電機平均電流為每一個采樣點的電流值在儲能時長上的算術平均值；行程為動觸頭起始位移量之差。

本文將線圈帶電時刻作為分合閘時間的起始時刻。分合閘時間終止時刻的確定是利用離線機械特性測試，找到剛分、剛合時刻與輔助開關切換時刻的時間配合關系，然后將在線測量的輔助開關切換時刻進行修正，作為分合閘時間的終止時刻。分合閘時間的計算公式為:

式中:T為分/合閘時間，T3為輔助開關切換時刻，T0為線圈帶電時刻，Δt為時間修正量。

2.3 狀態評價方法

本文建立的狀態評價體系分成四個區間，對于特征量T1、T2、T3、T4、Iw、Ts、Iav，當初值差在±5%以內時，特征量評價為正常狀態；當初值差在±5%～±10%范圍時，特征量評價為注意狀態，判定開關需要加強對應特征量部分的關注；當初值差在±10%～±15%范圍時，特征量評價為異常狀態，判斷開關需要盡快進行對應特征量部分的檢修；當初值差超過±15%時，特征量評價為嚴重狀態，判定開關存在嚴重缺陷，應立即停電安排檢修。初值差[15]計算公式為: