高压开关柜断路器机械特性在线监测装置研究探讨

产品简介

引言：在变电站中，高压开关柜断路器是非常重要的一个存在，是用来保护和控制电力系统，会直接关系到整个电网的安全运行。变电站综合自动化水平的不断提高，也要求应该提高高压断路器的可靠性。高压断路器会发生许多的停电事故，损失远大于设备本身的费用，因此，应该加强对断路器的状态监测。能够了解其运行状况，掌握其运行特性及变化趋势，防止出现潜在故障，为了保证系统可靠运行，应该立即运用预防措施或进行维修。高压断路器在线监测技术为设备的状态检修机制提供了依据，创造了有利的条件给从计划检修到状态检修的转变，具有重大意义。
1 监测装置的硬件设计 
1.1 监测装置的组成及其工作原理 
目前高压开关柜内所用断路器，大部分都是运用模块化结构组成，它对提升断路器的使用质量和抗干扰能力非常有利，能够通过运用模块集成技术，将内容元件交叉短路的概率降低。总体来说，断路器分为霍尔传感器、辅助接点、角度传感器、信号处理器、数据通讯系统五个模块。当断路器通电工作后，霍尔传感器调用单片机控制程序中的设定时间，此时起始时刻被确定。之后，辅助接点（非接触式位移传感器）接收霍尔传感器的动作指令，将时间调用程序启动，根据事先设定好的时间间隔，自动计算出断路器的停止时刻。确定起始时间和中止时间之后，角度传感器开始采集和处理相关数据，并在时间结束后，将所采集到的数据进行初步整理和汇总，上传到信号处理器。这些初始数据在信号处理器内实现转化、筛选和加工，最终汇总到数据通信系统中，以备工作人员调用。 
1.2 断路器的机械特性 
本文所研究的在线检测装置，在断路器分、合闸的过程中，断路器主轴旋转角度与触头行程之间有某种数学上的联系，从而能够通过测量断路器的分合闸旋转角度，来间接的测量出触头行程。是其主要理论依据。角度传感器的主要功能是负责检测断路器主轴的旋转角度，主动把主轴动作信号转换为数字模拟信号。同时，该信号通过A/D转换器进行转化之后，将输出的信号录入专门的绘图软件中，能够得出断路器触头的行程曲线。 
运用霍尔电流传感器和断路器自带的辅助触电检测机械特性时间参数，在开始进行时间参数检测时，断路器内部单片机控制中心首先要依照断路器分合闸的动作周期，制定相应的控制指令，来将断路器操作线圈和触头分、合的频率获取。 
2 高压开关柜断路器机械特性内部监测装置的设计 
2.1 角度传感器的选择与安装 
在测得主轴角位移曲线和动作行程之后，可以利用相应的计算软件得出断路器触头的直线位移曲线，这种间接测量法也是现阶段大多数型号断路器的普遍应用方法。需要注意的是，真空断路器由于自身结构的影响，内部主轴旋转的供电方式为低压供电，因此也就不存在高低压电位分离的问题。为了保护内部主轴，通常要在断路器内部预留一定的空间，方便安装角位移传感器，防治在主轴旋转过程中位移传感器采集不到相应的动作信号。
本文研究所用的角位移传感器生产与美国Sburnnik公司，其信号采集传感器为电磁感应式动作捕捉器，具有使用寿命长、信号准确率高等优点，理论上最小分辨率可达0.015°，分辨率为12位。角度传感器安装时，要注意其内部磁位器应当架空安置，除了必要的导线连接外，不应与其他金属固件直接接触。一般情况下，磁位器应当采用环氧树脂或可塑性胶泥与固件连接。 
2.2 分、合闸线圈电流监测 
在每次分合闸过程中，断路器线圈电流是随时间变化的，变化波形中蕴藏着极为重要的信息。电磁铁线圈的电流波形中含有很多信息，反映电磁铁本身以及所控制的锁门或阀门以及联锁触头在操作过程中的工作情况，如铁心运动机构有无卡滞，脱扣、释能机械负载变动的情况，线圈的状态（如电阻是否正常），与铁心顶杆连接的锁门或阀门的状态。通过对分合闸操动线圈动作电流的监测，可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等，为检修提供一个辅助判据。高压、超高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操作机构，这类机构的分合闸脱扣电磁铁，在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致断路器拒动，此类故障约占每年全国开关拒动、误动总事故率的26.1%。而电磁铁铁芯的动作情况，可以通过铁心运动与电流特性的关系反映出来，如果能记录分合闸脱扣电磁铁的电流波形，便可掌握铁心的动作状况，预先发现问题，对这类故障起到预防作用。分合闸操动线圈是控制断路器动作的关键元件，应用霍尔电流传感器可方便地监测多种信息的分合闸电流波形。分析每次操作监测到的波形变化，可以诊断出断路器机械故障的趋势，对发生概率最大、危害性也最大的拒动、误动故障的诊断尤为有效。
2.3 辅助触点信号回路切换控制电路设计 
断路器刚分、刚合时刻确定通过辅助接点构成的信号回路连接至DSP的XINT2实现，在断路器常开、常闭辅助触点构成的回路中附加3.3V直流电压可构成两路信号回路，信号回路的输出信号经消抖等处理后可以为DSP的XINT2提供另一个可靠的中断沿触发信号，但随着断路器分闸或合闸动作的进行，两路信号必须满足不断与DSP的XINT2管脚进行切换连接的功能。电路设计中通过控制继电器常开、常闭触头实现，两路信号的切换电路如图1所示。 
3 实验结果及其分析 
本装置采用非接触式角度传感器监测断路器分、合闸时主轴旋转角度，很好地解决了断路器机械特性在线监测传感器不易安装的问题，利用霍尔电流传感器和断路器辅助触点较准确地提取了断路器分、合闸周期起止时刻。装置结构简单小巧、安装方便、成本较低，具有较广泛的应用价值。
结语：高压断路器机械状态在线监测装置能在线监测断路器的各机械参数，能够将断路器运行过程中的机械状态随时掌握，及时分析诊断和处理机械故障。装置有测量精度高、实时在线和数据通信等优点，而且有着良好的抗干扰特性，可用于智能开关柜等配有高压断路器的电气设备中进行机械特性在线监测，且运行状态良好，计算机存储了所有的实验数据，负责统计、处理工作。下一步应该开发和定普上位机软件,建立数据库,与专家系统相结合,开展状态检修工作。

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