10kV真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺設(shè)計相關(guān)問題

國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司 李禎維 吳建軍 李家俊 湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院 楊 澤 鐘建偉

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最核心最關(guān)鍵的開關(guān)設(shè)備，其運(yùn)檢維修工作量在變電站設(shè)備維護(hù)工作中占很大一部分[1]。但高壓斷路器在其服役期間的動作次數(shù)隨著電壓等級的升高而降低，其允許短路開斷的次數(shù)也隨著電壓等級的升高以及開斷電流的升高而減少。但部分?jǐn)嗦菲饕驗槠涞奶厥獾膽?yīng)用位置，其動作次數(shù)要遠(yuǎn)高于其他斷路器，如變電站中10kV 補(bǔ)償柜中的電容器投切斷路器。相對頻繁的動作對其機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性提出了更高的要求。為了提升斷路器的可靠性、提前發(fā)現(xiàn)其機(jī)械性能缺陷、有針對性地進(jìn)行檢修、減少不必要的檢修對性能的影響，可以通過設(shè)計在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺對其進(jìn)行長期監(jiān)測和實時診斷[2-3]。

智能斷路器具備一定的自我監(jiān)測能力，但目前智能斷路器的故障診斷技術(shù)還未完全成熟。斷路器結(jié)構(gòu)種類多，各廠商有所出入，其監(jiān)測項目也不統(tǒng)一，因此智能斷路器并未得到大規(guī)模的推廣使用。目前電網(wǎng)在使用的絕大多數(shù)斷路器還是傳統(tǒng)斷路器，不具備性能的監(jiān)測能力，因此設(shè)計一款在線監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行智能化改造，在不影響性能的前提下對其狀態(tài)進(jìn)行掌握十分重要。但平臺設(shè)計中還存在以下諸多問題值得注意。

1 監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體設(shè)計

斷路器的監(jiān)測場景主要可分為以下三類：（1）在實驗室環(huán)境下進(jìn)行動作試驗，探究不同機(jī)械結(jié)構(gòu)斷路器的動作信號特性，進(jìn)行故障模擬實驗以選用最為合適的故障診斷算法。（2）斷路器的常規(guī)檢修測試，將斷路器從開關(guān)柜中抽出，退出運(yùn)行狀態(tài)后進(jìn)行定期檢測。（3）將在線監(jiān)測裝置安裝于斷路器內(nèi)部，在其正常工作時進(jìn)行長期監(jiān)測。根據(jù)應(yīng)用場景需求不同，因此監(jiān)測系統(tǒng)平臺的整體設(shè)計也有所差異，應(yīng)按需選擇。

在線監(jiān)測系統(tǒng)的平臺結(jié)構(gòu)大概可以歸納為如圖1所示兩種方案。其中方案a 對監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求較低，僅需設(shè)計制造相應(yīng)的信號調(diào)理裝置，將傳感器采集到的信號調(diào)理至數(shù)據(jù)采集裝置可以接受的水平。數(shù)據(jù)采集設(shè)備可采用數(shù)據(jù)采集卡這樣的現(xiàn)有產(chǎn)品，以PC 作為上位機(jī)，驅(qū)動控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可。對比方案b，這種架構(gòu)實際上由上位機(jī)分擔(dān)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等功能。然后上位機(jī)根據(jù)分析到的數(shù)據(jù)特征，采用合適的故障診斷算法，即可實現(xiàn)斷路器的在線監(jiān)測與故障診斷功能。這種方案硬件平臺搭建容易，硬件環(huán)境要求低，可以將更多的精力用于信號分析、信號處理、診斷算法等方面，適用于上述前兩種應(yīng)用場景。但這種方案不適用于對斷路器正常工作的長期監(jiān)測。

圖1 平臺總體設(shè)計方案

方案b 與方案a 功能相同，三種應(yīng)用場景都可以適應(yīng)，設(shè)計在線監(jiān)測裝置下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的集成化程度，使下位機(jī)裝置同時具備傳感器驅(qū)動、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)的采集處理等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單，但其對于軟硬件的設(shè)計要求較高。由于要對斷路器正常工作的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，下位機(jī)裝置需安裝至開關(guān)柜內(nèi)，斷路器導(dǎo)通高壓強(qiáng)電，電磁環(huán)境復(fù)雜，因此在硬件抗干擾能力方面提出了更高的要求，增加了設(shè)計難度。且裝置應(yīng)具有從開關(guān)柜內(nèi)取電的能力。在裝置投入實用前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的測試與認(rèn)證，以滿足法律法規(guī)以及行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，但研發(fā)成本較高，因此需根據(jù)實際需求選擇不同的平臺總體設(shè)計方案。

2 監(jiān)測項目設(shè)計

為了有效判斷斷路器機(jī)械性能狀態(tài)，能夠通過監(jiān)測的物理量變化準(zhǔn)確做出故障診斷，需要確定好平臺的監(jiān)測項目。通常主要通過監(jiān)測操控回路的電流或電壓信號、斷路器動作時產(chǎn)生的振動信號、以及動觸頭行程—時間信號曲線來判斷是否存在機(jī)械故障。同時還可對斷路器溫濕度、機(jī)械位置開關(guān)狀態(tài)等項目進(jìn)行輔助監(jiān)測。通常監(jiān)測某一特定信號就可以判斷出數(shù)種故障類型，深入研究某特定信號特征的科研成果較多。但為了能夠?qū)嗦菲骺赡苡龅降墓收项愋妥龅奖M可能的全面覆蓋，應(yīng)當(dāng)靈活組合選用各檢測項目進(jìn)行綜合診斷。在線監(jiān)測平臺在進(jìn)行下面各項監(jiān)測的過程中，還存在各種問題需要注意。

2.1 操控回路的電流電壓監(jiān)測

不同的斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，可能存在不同的操控回路。但以最為常見的彈簧儲能機(jī)構(gòu)斷路器為例，其操控回路通常有分閘線圈回路、合閘線圈回路、合閘閉鎖線圈回路、儲能電機(jī)回路。通過對各操控回路動作的電流電壓進(jìn)行監(jiān)測，繪制出其信號的變化曲線，可分析出多種故障，如線圈短路或斷路、過壓或低壓操作、線圈鐵心卡澀、脫扣器卡死等故障[4-7]。在設(shè)計監(jiān)測項目，選用合適傳感器時，應(yīng)注意斷路器的操作回路用電類型、電流電壓等級及傳感器的安裝位置。斷路器操作回路從開關(guān)柜內(nèi)取電，可能直接取用站內(nèi)110V 或220V 直流電，也可能取用交流電，然后在斷路器內(nèi)部通過整流轉(zhuǎn)換為直流電。在監(jiān)測時應(yīng)明確傳感器的安裝位置對應(yīng)的用電類型。

同時在平臺設(shè)計時，該監(jiān)測項目還有一個問題容易忽略。通常為了不影響斷路器操控回路原有的線路結(jié)構(gòu)，許多方案采用穿孔式霍爾傳感器進(jìn)行監(jiān)測。然而該類型傳感器存在一個問題不易被發(fā)現(xiàn)，即其響應(yīng)時間較長。其常見的響應(yīng)時間在幾十至二三百微秒。斷路器在動作時有著極高的操作時間要求。如分閘時要求快速動作，分閘線圈的通電時間僅僅幾十微秒，在此期間準(zhǔn)確測量回路電流電壓并記錄其變化曲線對傳感器技術(shù)要求很高。在設(shè)計時應(yīng)給予充分考慮，選用符合要求的傳感器。

2.2 振動信號監(jiān)測

在斷路器分閘時，儲能機(jī)構(gòu)儲存的大量能量瞬間釋放，使動觸頭快速分閘，這一過程會帶來較大的振動。通過對振動信號的分析亦可診斷出多種故障[8-10]。但該項目監(jiān)測時，對振動信號的采集技術(shù)要求較高。有的振動傳感器適用于采集持續(xù)的振動信號，有的傳感器適用于采集沖擊振動信號，在傳感器選型時應(yīng)注意選用后者，否則無法在極短時間內(nèi)完整有效的采集振動信號。同時，振動信號隨時可能產(chǎn)生，且在極短時間內(nèi)出現(xiàn)并消失，需把握好下位機(jī)系統(tǒng)的采集策略。振動信號的采集時間在斷路器長期的工作時間中幾乎可以忽略不計，為了不進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測加重下位機(jī)裝置的負(fù)擔(dān)，該項目的監(jiān)測最好配合其他項目進(jìn)行。如與分閘線圈信號配合，當(dāng)分閘線圈通電時才啟動振動信號的采集。極短時間采集記錄大量的振動數(shù)據(jù)，對下位機(jī)的裝置的數(shù)據(jù)處理能力也提出了很高的要求。

振動傳感器分為：壓電式、壓阻式、電容式、電感式、光電式等，目前最常用的是IEPE 壓電式振動傳感器。這種傳感器需采用恒流供電驅(qū)動，驅(qū)動電流在4～20mA。并且輸出信號疊加在供電線上，這為下位機(jī)裝置的設(shè)計帶來了困難。因此在該監(jiān)測項目設(shè)計時就需考慮到，系統(tǒng)應(yīng)具有驅(qū)動IEPE 振動傳感器，并有效調(diào)理出其振動輸出信號的能力。

2.3 動觸頭行程監(jiān)測

分閘時機(jī)械機(jī)構(gòu)整體動作情況的最終結(jié)果就是斷路器動觸頭的運(yùn)動。通過監(jiān)測斷路器動觸頭的運(yùn)動情況，繪制出動觸頭的行程—時間曲線，對曲線進(jìn)行分析，可以反映出其機(jī)械性能狀態(tài)。利用智能算法對故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效識別出斷路器的機(jī)械故障。動觸頭運(yùn)動軌跡為直線，采集其信號最直接的方式就是在其同軸線的直線傳動機(jī)構(gòu)上安裝直線傳感器進(jìn)行測量。但斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，且有極高的絕緣防護(hù)要求，通常直線傳感器無法安裝。因此可以安裝傳感器測量其他位置的傳動機(jī)構(gòu)動作變化，間接反應(yīng)出動觸頭的運(yùn)動情況。不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷路器可選取的測量位置不同，依然以彈簧儲能機(jī)構(gòu)斷路器為例，可以監(jiān)測其傳動主軸的轉(zhuǎn)動情況[11]。

在主軸末端安裝角度傳感器以實現(xiàn)該項監(jiān)測項目。角度傳感器需要使用過渡接頭與主軸連接。在前文提到的前兩種監(jiān)測場景下，對傳感器的安裝要求較低，因為斷路器抽出開關(guān)柜進(jìn)行測試，角速度傳感器加過渡接頭可以伸出斷路器外部殼體，完成測量即可。但在第三種場景下，角度傳感器的安裝不可影響斷路器在開關(guān)柜內(nèi)的正常工作，因此必須置于斷路器內(nèi)部，在設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)項目時應(yīng)加以考慮。

3 在線監(jiān)測裝置的可靠性

在搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺進(jìn)行對正常工作時的斷路器進(jìn)行監(jiān)測，還需要考慮下位機(jī)裝置的實際使用情況和工作環(huán)境。其需要長期對裝置進(jìn)行監(jiān)測，因此在進(jìn)行下位機(jī)硬件設(shè)計時需考慮到其長期工作的穩(wěn)定性，排除影響穩(wěn)定性的不良因素。例如，在斷路器未動作時，下位機(jī)需要保持監(jiān)測的項目很少，功耗較低。若供電模塊的能量轉(zhuǎn)化效率較低，此時會產(chǎn)生持續(xù)發(fā)熱，降低裝置穩(wěn)定性。需選用空載功耗低、效率高的電源。

下位機(jī)裝置在開關(guān)柜內(nèi)工作，其所處位置電磁環(huán)境復(fù)雜，因此設(shè)計時需考慮足夠的隔離防護(hù)措施。其對外接口，如電源接口、通訊接口、傳感器接口，均需進(jìn)行額外的加強(qiáng)設(shè)計以提升裝置的抗干擾能力與自我防護(hù)能力，保障裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 總結(jié)

在搭建在線監(jiān)測平臺對高壓真空斷路器的機(jī)械性能進(jìn)行監(jiān)測及故障診斷時，平臺搭建本身面臨著以上提到的許多問題。因此相關(guān)領(lǐng)域的研究不僅局限于監(jiān)測信號的特征和故障診斷的算法，還需不斷改進(jìn)設(shè)計方案，使得方案更適用于投入生產(chǎn)實踐。提升平臺的實用性有利于推動相關(guān)領(lǐng)域理論研究的落地與推廣。