斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測

曾 國，李鵬飛，李 俊，嚴國志，賀 攀，周文俊，何小新，趙思洋

(1.國網黃石供電公司，湖北黃石 435000；2.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072；3.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢 430072)

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斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測

曾 國1，李鵬飛2，李 俊1，嚴國志2，賀 攀1，周文俊2，何小新3，趙思洋2

(1.國網黃石供電公司，湖北黃石 435000；2.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072；3.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢 430072)

為保證彈簧操動機構斷路器安全可靠運行，設計了一種斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。使用壓力傳感器、加速度傳感器、光電編碼器、電流互感器對合閘儲能彈簧的壓力、合閘儲能彈簧動作行程、斷路器合閘行程和儲能電機電流進行監(jiān)測，利用MPS-140801采集卡對各個傳感器的輸出信號進行采集，使用LabVIEW對采集到的數(shù)據(jù)進行讀取、處理、顯示和存儲。在LW25-126瓷柱式六氟化硫斷路器上進行了試驗驗證，結果表明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確測量反應斷路器合閘儲能彈簧性能的狀態(tài)參數(shù)。

斷路器；彈簧操動機構；合閘儲能彈簧；狀態(tài)監(jiān)測；LabVIEW

0 引言

目前，國內外學者對彈簧操動機構的監(jiān)測主要集中在操動機構整體機械性能的監(jiān)測[1-2]，包括對動觸頭的分合閘行程曲線[3]、分合閘線圈電流、儲能電機電流以及斷路器在動作過程中的振動信號進行監(jiān)測[4]，并對操動機構進行整體的性能評價。但是這些研究并沒有專門針對合閘儲能彈簧的狀態(tài)進行監(jiān)測，不能對造成操動機構整體機械性能下降的原因進行定位。Jeong-Hyun Sohn等對斷路器合閘儲能彈簧進行靜態(tài)和動態(tài)的受力狀態(tài)進行試驗，并與仿真模型進行了對比[5]，但其試驗過程需要將儲能彈簧拆卸進行離線檢測，無法在斷路器的運行和動作過程中對合閘儲能彈簧的狀態(tài)進行監(jiān)測。

本文設計制作了斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對斷路器在運行和動作過程中的有關合閘儲能彈簧性能的特征參數(shù)進行監(jiān)測，并在LW25-126瓷柱式SF6斷路器上進行了試驗驗證，結果表明所設計制作的斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確測量反應斷路器合閘儲能彈簧性能的狀態(tài)參數(shù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

1.1 彈簧操動機構動作過程及特征參數(shù)分析

彈簧通過傳動機構為斷路器的分合閘動作提供動力，能量存儲通過合閘儲能彈簧和分閘儲能彈簧2個螺旋壓縮彈簧實現(xiàn)，其動作過程包括3個部分：分閘動作、合閘動作、儲能動作。斷路器分閘線圈通電后，分閘儲能彈簧由壓縮儲能狀態(tài)釋放能量，帶動斷路器動靜觸頭分開，完成分閘動作，此時分閘儲能彈簧恢復至預儲能狀態(tài)；與分閘動作過程相似，當合閘線圈通電后，合閘儲能彈簧釋放能量，斷路器完成合閘動作，同時合閘儲能彈簧的一部分能量存儲在分閘儲能彈簧中，完成分閘儲能彈簧的儲能，為下一次斷路器的分閘提供能量；斷路器在完成合閘動作后，儲能電機通電，通過儲能傳動機構給合閘儲能彈簧儲能。

本系統(tǒng)主要是針對斷路器的合閘儲能彈簧進行監(jiān)測，即對斷路器的合閘動作和儲能動作進行監(jiān)測。為得到合閘儲能彈簧的狀態(tài)，對合閘儲能彈簧的壓力、合閘儲能彈簧的動作行程、合閘行程曲線、儲能電機電流4個參數(shù)進行監(jiān)測。其中合閘儲能彈簧的壓力值既可以評估斷路器在運行過程中合閘儲能彈簧的儲能狀態(tài)，又可以在斷路器動作過程中評估合閘儲能彈簧的出力狀態(tài)；合閘儲能彈簧動作行程結合合閘儲能彈簧壓力的變化可以得到合閘儲能彈簧的實時出力；合閘行程曲線可以間接地反應合閘儲能彈簧的出力狀態(tài)；儲能電機電流可以間接地反應合閘儲能彈簧在儲能過程中的受力狀態(tài)。

本系統(tǒng)以合閘儲能彈簧壓力值和合閘儲能彈簧動作行程為主要監(jiān)測參數(shù)，以合閘行程曲線和電機電流為輔助監(jiān)測參數(shù)，通過這些參數(shù)的測量，可以分析和評估斷路器合閘儲能彈簧的性能狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)結構設計

斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)使用壓力傳感器實時獲取合閘儲能彈簧的壓力值，使用加速度傳感器獲取斷路器在動作過程中合閘儲能彈簧的加速度-時間曲線，通過數(shù)據(jù)處理得到合閘儲能彈簧動作的行程-時間曲線。使用光電編碼器獲取主傳動軸的轉速，并通過數(shù)據(jù)處理轉換為合閘行程曲線。使用電流互感器獲取電機在合閘儲能彈簧儲能過程中的電流-時間曲線。

圖1中上位機為工控計算機，通過USB總線直接控制多路同步A/D采集卡(以下簡稱A/D采集卡)的工作。A/D采集卡實時采集各個傳感器的輸出值，將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行處理，實時顯示各傳感器的輸出曲線，用于分析和評估斷路器合閘儲能彈簧的性能狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器的選擇與安裝位置的設計

LW25-126瓷柱式六氟化硫斷路器采用CT20系列彈簧操動機構，其合閘儲能彈簧為螺旋圓柱彈簧，儲能形式為壓縮儲能。彈簧參數(shù)和操動機構的機械性能參數(shù)見表1和表2。

表1 CT20系列彈簧操動機構合閘儲能彈簧參數(shù)

表2 CT20系列彈簧操動機構的機械性能參數(shù)

2.1.1 壓力傳感器的選擇與安裝位置的設計

由表1可知，斷路器運行過程中合閘儲能彈簧的儲能壓力大小為18 522～29 400 N，系統(tǒng)采用CCY-01螺旋型彈簧壓力傳感器來對彈簧壓力值監(jiān)測，其量程為0～40 000 N，測試精度≤1%F．S．，能準確測量出合閘儲能彈簧的儲能壓力大小。合閘儲能彈簧一端頂在操動機構的鑄鋁機架上面，另一端通過底板和行程導桿固定，如圖2所示。將壓力傳感器安裝在儲能彈簧和鑄鋁機架之間。CCY-01壓力傳感器工作電壓為3～15 V，輸出信號為1～2 mV，系統(tǒng)采用CHFQ-01信號放大器將壓力信號放大至0～5 V后傳輸至A/D采集卡進行數(shù)據(jù)采集。

圖2 壓力傳感器及加速度傳感器安裝位置示意圖

2.1.2 加速度傳感器的選擇及安裝位置的設計

為了監(jiān)測合閘儲能彈簧在動作過程中的動作行程，本系統(tǒng)使用GKC-6A加速度傳感器監(jiān)測動作過程中的加速度，后經積分處理得到合閘儲能彈簧動作行程。該傳感器采用ADXL193為核心，其測量加速度量程為0～250g。通過強磁鐵固定在彈簧的行程導桿底端，安裝位置如圖2所示。該傳感器體積小、質量輕，測量過程中對儲能彈簧加速度的影響可忽略不計。在合閘過程中，加速度傳感器會隨著合閘儲能彈簧以相同的速度運動，其輸出信號直接反應了合閘儲能彈簧運動的加速度大小。通過對加速度信號進行積分，即可得到合閘儲能彈簧在動作過程中的釋能速度-時間曲線和釋能位移-時間曲線。

2.1.3 光電編碼器的選擇及安裝位置的設計

鑒于斷路器結構的特殊性，直接使用位移傳感器測量斷路器動觸頭的分合閘行程難以實現(xiàn)。為便捷地獲取合閘行程曲線，系統(tǒng)使用E6B2-CWZ6C光電編碼器監(jiān)測主傳動軸的轉速。利用強磁鐵將光電編碼器吸附在主傳動軸的端部，其安裝位置如圖3所示。光電編碼器輸出A、B兩相方波信號，兩者相位相差90°，通過A、B兩路信號的相位差可以得到主傳動軸的旋轉方向。系統(tǒng)使用A/D采集卡直接將A、B兩路信號量化采集，后在上位機中進行信號處理，得到分合閘行程曲線。

圖3 光電編碼器安裝位置示意圖

2.1.4 電流互感器的選擇

LW25-126瓷柱式六氟化硫斷路器采用的單相交流電機，其額定電流為4 A。電機啟動瞬時電流為額定電流的5～8倍，其最大峰值電流為32 A，為此，系統(tǒng)采用TR0108-2B型穿心式電流互感器，其量程為100 A，將電機電源線在電流互感器中的穿心孔中環(huán)繞3匝進行測量。

2.2 基于多傳感器的同步采集設計

系統(tǒng)采用MPS-140801采集卡，該采集卡具有8路24位同步采集通道，最高采樣率128 ksps，模擬通道輸入范圍為±10 V。實現(xiàn)對合閘儲能彈簧壓力、合閘動作過程中彈簧能量的釋放加速度、合閘行程曲線、儲能電機電流4個參數(shù)的同步采集。采集卡通過USB2.0接口與上位機連接，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時高速上傳。

3 上位機控制系統(tǒng)

上位機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)A/D采集卡控制、傳感器監(jiān)測、讀取監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)、存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)以及分析監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能[10]。上位機控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 上位機控制系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)啟動后進行參數(shù)設置，再進行傳感器監(jiān)測，如有未監(jiān)測到的傳感器，系統(tǒng)進行報錯提示。如未按退出按鍵，上位機控制A/D采集卡開始采集并讀取采集數(shù)據(jù)，通過各傳感器的數(shù)據(jù)判斷斷路器是否動作。若未動作，則只提取合閘儲能彈簧的壓力值，將其顯示在控制軟件前面板。若斷路器動作，則根據(jù)各傳感器的輸出判斷斷路器進行的動作為合閘動作還是儲能動作。并依據(jù)判斷結果對所對應的數(shù)據(jù)進行相應的處理并顯示。

上位機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)采用LabVIEW作為開發(fā)平臺[6]，其控制界面如圖5所示。

圖5 上位機控制系統(tǒng)界面

4 系統(tǒng)測試及結果分析

以LW25-126瓷柱式六氟化硫斷路器空載時為試驗平臺進行測試。測試結果如圖6和圖7所示。

圖6 斷路器合閘動作測試結果

圖7 斷路器儲能動作測試結果

圖6為合閘動作過程中光電編碼器、加速度傳感器、壓力傳感器數(shù)據(jù)經處理后得到的合閘行程曲線、彈簧行程曲線和彈簧壓力變化曲線。從圖6中可以得出在合閘動作過程中，合閘儲能彈簧形變量在84 ms內變化了98.67 mm，壓力值在1.454 s內從29.68 kN經震蕩穩(wěn)定在18.47 kN。

圖7為儲能動作過程中電流互感器、加速度傳感器、壓力傳感器數(shù)據(jù)經處理后得到的電機電流曲線、彈簧行程曲線和彈簧壓力變化曲線。從圖7中可以得出在儲能動作過程中，合閘儲能彈簧形變量在6.694 s內變化了98.65 mm，壓力值在7.069 s內從18.53 kN穩(wěn)定在29.71 kN。

上述測試結果與CT20彈簧操動機構的合閘儲能彈簧參數(shù)和機械性能參數(shù)一致，表明本文所設計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確的對斷路器在運行和動作過程的合閘儲能彈簧的力學參數(shù)和動作參數(shù)準確地測量。

5 結束語

根據(jù)斷路器合閘儲能彈簧的動作特點，使用光電編碼器、加速度傳感器、壓力傳感器和電流互感器等傳感器設計制作了彈簧操動機構中合閘儲能彈簧動作狀態(tài)和儲能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。采用MPS-0801采集卡對上述傳感器信號進行采集，使用LabVIEW進行數(shù)據(jù)讀取和據(jù)處理。并在LW25-6瓷柱式六氟化硫斷路器上進行實測，驗證了系統(tǒng)的準確性。為斷路器的狀態(tài)在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析、特征參數(shù)的提取提供了準確的原始數(shù)據(jù)。

[1] 呂一航，李靜，戴懷志，等.高壓斷路器綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制.中國電力,2004,3(3):68-71．

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State-monitoring of Circuit Breaker’s Energy-storing Closing Spring

ZENG Guo1,LI Peng-fei2,LI Jun1，YAN Guo-zhi2，HE Pan1，ZHOU Wen-jun2，HE Xiao-xin3,ZHAO Si-yang2

(1.Huangshi Power Supply Company of State Grid Corporation of China,Huangshi 435000,China; 2.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 3.School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In order to ensure the safety and reliability of the spring circuit breaker’s operation,a state-monitoring system for circuit breaker’s energy-storing closing spring was proposed.The system used pressure sensor,acceleration sensor,photoelectric encoder and current transformer to monitor pressure of energy-storing closing spring,stroke of energy-storing closing spring,closing stroke of circuit breaker and current of energy-storing machine.The signals of those sensors were acquired by MPS-140801 data collection card.LabVIEW was used to read,process,display and store the data.The experiment on LW25-126 porcelain column SF6circuit breaker shows that the system has the ability of monitoring state-parameters correctly,which reflects the state of circuit breaker’s energy-storing closing spring.

circuit breaker; spring-operating mechanism; energy-storing closing spring；state-monitoring; LabVIEW

2014-06-03 收修改稿日期：2014-11-09

TM932

A

1002-1841(2015)04-0065-04

曾國(1969—)，高級工程師，主要研究方向為高電壓技術。 E-mail：13907236991@139.com