基于光柵傳感器和無線傳輸?shù)母邏焊綦x開關(guān)觸指壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

張志超 郭亞成 周開峰 代震

【摘 要】隔離開關(guān)觸指壓力不足導(dǎo)致接觸部位接觸不良會(huì)引起觸頭發(fā)熱，容易引發(fā)事故。一種基于光柵傳感器和無線傳輸?shù)母邏焊綦x開關(guān)觸指壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)可以及時(shí)監(jiān)測隔離開關(guān)觸指壓力現(xiàn)狀，減少由于觸指壓力不足導(dǎo)致的接觸不良進(jìn)而造成觸頭發(fā)熱的現(xiàn)象，可以減少停電次數(shù)，提高國家電網(wǎng)運(yùn)行效率。此系統(tǒng)由光纖光柵應(yīng)變傳感器，觸指壓力光纖解調(diào)和無線傳輸模塊部分，觸指壓力監(jiān)控裝置組成。通過此種方式可以用實(shí)際直觀的數(shù)據(jù)分析出高壓隔離開關(guān)是否合格。實(shí)施高壓隔離開關(guān)觸指壓力的在線監(jiān)測是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要條件。

【關(guān)鍵詞】光纖光柵傳感器 無線傳輸 觸指壓力 ZigBee 在線監(jiān)測

目前，高壓隔離開關(guān)觸頭發(fā)熱問題會(huì)導(dǎo)致觸頭發(fā)熱部位熔化，增加停電次數(shù)，影響電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對現(xiàn)有的高壓隔離開關(guān)發(fā)熱問題的分析、統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)觸指發(fā)熱占到全部發(fā)熱問題的80%以上，而隔離開關(guān)觸指壓力不足而導(dǎo)致接觸部位接觸不良引起的觸頭發(fā)熱占到隔離開關(guān)觸指發(fā)熱缺陷的60%以上，因此，減少高壓隔離開關(guān)發(fā)熱的關(guān)鍵是保證隔離開關(guān)觸指的壓力。目前有幾種離線方式檢測：通過測試刀閘回路的接觸電阻來判斷接觸部位的接觸情況，粗略地判斷隔離開關(guān)觸指的壓力是否合格；通過模擬觸指，設(shè)計(jì)模具，通過壓力傳感器的數(shù)據(jù)采樣判斷隔離開關(guān)觸指的壓力是否合格；以上方法都缺少預(yù)防性的監(jiān)控手段，無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求；為了滿足《河北省電力公司輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修導(dǎo)則》9.3.1款“檢查動(dòng)靜觸頭接觸壓力”以及《河北省電力公司輸變電設(shè)備狀態(tài)診斷導(dǎo)則》11.2.2款“隔離開關(guān)觸指壓力不符合技術(shù)條件”的檢測要求，增加隔離開關(guān)狀態(tài)檢測手段，填補(bǔ)工作中無法測量觸指壓力的盲點(diǎn)，迫切需要隔離開關(guān)觸指壓力的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 高壓隔離開關(guān)

高壓隔離開關(guān)有多種分類方式。根據(jù)極數(shù)分為單極和三極；按操作機(jī)構(gòu)可分為手動(dòng)式，電動(dòng)式和液壓式。按絕緣支柱數(shù)目可分為單柱式隔離開關(guān)、雙柱式隔離開關(guān)和三柱式隔離開關(guān)，其中單柱式隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)最為簡單，有體積小、接引導(dǎo)線少的優(yōu)點(diǎn)，在需要節(jié)約空間的工況中使用有較大優(yōu)勢。隔離開關(guān)在電力系統(tǒng)中主要起安全隔離作用，它的任務(wù)是在無負(fù)荷下分、合電路，以達(dá)到停電檢修和轉(zhuǎn)換電路的目的。

1.1 單柱式隔離開關(guān)

單柱式隔離開關(guān)是只有一個(gè)絕緣支柱的隔離開關(guān)。它由絕緣支柱、折疊活動(dòng)臂（動(dòng)觸頭）和靜觸頭三部分組成。如圖1所示：按折疊活動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的不同可分為剪刀式和半剪刀式兩種型式的活動(dòng)。其中絕緣支柱用來支持和操作上部導(dǎo)電桿和折疊活動(dòng)臂。通常由兩個(gè)支柱絕緣子組成，一個(gè)是固定的大直徑、高強(qiáng)度支柱絕緣子，起支持導(dǎo)電、絕緣支柱單柱式隔離開關(guān)部分的作用；另一個(gè)是活動(dòng)的小直徑、普通強(qiáng)度的支柱絕緣子，能水平旋轉(zhuǎn)，用以操作活動(dòng)，完成斷開和閉合的動(dòng)作。折疊活動(dòng)臂隔離開關(guān)的導(dǎo)電部分，又稱動(dòng)觸頭。它安裝在絕緣支柱的上部，沿垂直方向起落，以完成斷開和閉合的動(dòng)作。

活動(dòng)臂有兩種結(jié)構(gòu)：（1）單側(cè)折疊活動(dòng)臂，非對稱結(jié)構(gòu)，簡稱半剪刀式。（2）雙側(cè)折疊活動(dòng)臂，對稱結(jié)構(gòu)，簡稱剪刀式。折疊活動(dòng)臂是隔離開關(guān)的核心部件，應(yīng)滿足載流量的要求，并具有規(guī)定的動(dòng)、熱穩(wěn)定性，一般用鋁合金管或銅管制成。由于單柱式隔離開關(guān)的靜觸頭安裝在母線上，具有一定的風(fēng)偏搖擺，故要求折疊活動(dòng)臂具有足夠的長度，使隔離開關(guān)在風(fēng)偏時(shí)能可靠的夾住靜觸頭。由于結(jié)構(gòu)不同，半剪式隔離開關(guān)的靜觸頭垂直母線安裝，剪刀式隔離開關(guān)的靜觸頭平行母線安裝。

單柱式隔離開關(guān)的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：（1）它是垂直開啟的方式，通常用作母線隔離開關(guān)，可以直接分布在母線下方，減少高壓比電裝置的縱向尺寸，節(jié)省占地。（2）它的折疊活動(dòng)臂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，隔離開關(guān)的價(jià)格交規(guī)，通常只在電壓等級較高的配電裝置中采用，在我國已形成220～500kV單柱式隔離開關(guān)的系列產(chǎn)品。（3）剪刀式隔離開關(guān)鉗夾范圍大，與有一定風(fēng)偏搖擺的軟母線配合有利，而半剪刀式隔離開關(guān)鉗夾范圍小，與固定不動(dòng)的硬母線（支持式）配合有利。

圖1 單柱式隔離開關(guān)圖

1.2 雙柱式隔離開關(guān)

雙柱式隔離開關(guān)圖2所示，由兩個(gè)垂直布列的絕緣支柱組成的隔離開關(guān)。每極有兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的觸頭，分別安裝在單獨(dú)的瓷柱上，且在兩個(gè)支柱之間接觸，其斷口方向與底座平面平行的隔離開關(guān)。按不同的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)可分成水平旋轉(zhuǎn)式和水平伸縮式兩種類型。雙柱水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)是由兩根絕緣支柱同時(shí)起支撐和傳動(dòng)作用，為確保隔離開關(guān)和接地開關(guān)兩者之間操作順序正確，在產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)上裝有機(jī)械聯(lián)鎖裝置，以保證“主分-地合”、“地分—主合”的順序動(dòng)作。此種結(jié)構(gòu)的支柱既起支撐作用又起傳動(dòng)作用，所以雖然結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但不易向超高壓發(fā)展。雙柱水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)具有活動(dòng)關(guān)節(jié)少，結(jié)構(gòu)簡單，操作力較小的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)斷開時(shí)，帶電的導(dǎo)電活動(dòng)也跟著旋轉(zhuǎn)90°，增加了隔離開關(guān)的相間距離，從而加大了配電裝置的間隔寬度。例如采用252kV雙柱水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)的配電裝置的間隔寬度為14m，而其它型式只需要13m。但是由于它操作時(shí)只有旋轉(zhuǎn)絕緣支柱的簡單動(dòng)作，且僅有一個(gè)斷開點(diǎn)，運(yùn)行安全可靠，具有其它型式隔離開關(guān)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 雙柱式隔離開關(guān)圖

1.3 三柱式隔離開關(guān)

三柱式隔離開關(guān)由三個(gè)垂直布置的絕緣支柱及其它部件組成的隔離開關(guān)。中間支柱的頂部安裝水平導(dǎo)電臂，隨著中間支柱的旋轉(zhuǎn)而改變位置。兩個(gè)邊側(cè)支柱固定不動(dòng)，其頂部均安裝靜觸頭。合閘時(shí)，水平導(dǎo)電臂部分兩端的靜觸頭；分閘時(shí)中間支柱帶動(dòng)水平導(dǎo)電臂旋轉(zhuǎn)60°。在兩側(cè)靜觸頭之間分別形成空氣間隙，其隔離作用是由兩個(gè)串聯(lián)空氣間隙形成的。其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。三柱式隔離開關(guān)由于其支柱較多，加大了擦洗支柱絕緣子的工作量；中間支柱需要同時(shí)操作兩個(gè)水平活動(dòng)導(dǎo)電臂，其操作力較大。但它所要求的相間距離較小，故在220～330kV配電裝置中應(yīng)用較多。由于它的縱向尺寸較大，用作母線隔離開關(guān)時(shí)，需要增加母線相間距離，從而增加配電裝置的占地，因此一般都將三柱式隔離開關(guān)用作出線或進(jìn)線隔離開關(guān)。在500kV配電裝置中，由于它的縱向尺寸太大，水平活動(dòng)臂太長，操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，故一般都不采用。

圖3 三柱式隔離開關(guān)圖

1.4 高壓隔離開關(guān)觸指壓力的傳統(tǒng)檢測方法

（1）彈簧秤拉伸法。由于高壓隔離開關(guān)的觸指壓力是由隔離開關(guān)的動(dòng)、靜觸頭之間接觸而產(chǎn)生的。采用彈簧秤法是將彈簧秤的一端固定在隔離開關(guān)靜觸頭端，其位置在隔離開關(guān)的動(dòng)、靜觸頭之間的接觸點(diǎn)上，再用力拉伸彈簧秤直至隔離開關(guān)的動(dòng)、靜觸頭之間剛剛開始出現(xiàn)縫隙時(shí)，讀取彈簧秤的讀數(shù)即為隔離開關(guān)的觸指壓力。（2）人工經(jīng)驗(yàn)法。人工經(jīng)驗(yàn)法是一種最簡單、最直接的用于檢測高壓隔離開關(guān)的觸指壓力的方法，依靠檢修人員的經(jīng)驗(yàn)，比如數(shù)加力手柄搖動(dòng)的圈數(shù)或用雙手拉動(dòng)剪力式開關(guān)的兩臂來估計(jì)接觸壓力的大小。（3）模擬隔離開關(guān)動(dòng)觸頭法。模擬隔離開關(guān)動(dòng)觸頭器件，將傳感元件安裝在模擬的隔離開關(guān)動(dòng)觸頭上，在不通電的情況下將模擬動(dòng)觸頭插入隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭實(shí)際合閘位置，這樣對隔離開關(guān)觸指壓力進(jìn)行測量。

1.5 高壓隔離開關(guān)觸指壓力檢測的研究現(xiàn)狀

在各類檢修規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)中都有測量觸指接觸壓力的規(guī)定，將彈簧秤作為推薦的測量工具，而在實(shí)際工作中，測量觸指壓力要在高空，用彈簧秤檢測觸指壓力不但不方便、不準(zhǔn)確也不安全，且有不少觸頭由于有外罩遮擋等原因而不能直接測量。模擬隔離開關(guān)動(dòng)觸頭法都是在不通電的情況下將模擬動(dòng)觸頭插入隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭實(shí)際合閘位置，這樣對隔離開關(guān)觸指壓力進(jìn)行測量。這種測量方法必須要在斷電的時(shí)候進(jìn)行測量，而且測量的并不是真正的動(dòng)觸頭合閘時(shí)所產(chǎn)生的觸指壓力，不能實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)觸指壓力的實(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測，不能及時(shí)的反映隔離開關(guān)觸指壓力的變化，不能精確的判斷動(dòng)觸頭合閘時(shí)的安全合閘位置。因此有必要對實(shí)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)觸指壓力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測進(jìn)行研究。

2 基于光柵傳感器和無線傳輸?shù)母邏焊綦x開關(guān)觸指壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于光柵傳感器和無線傳輸?shù)母邏焊綦x開關(guān)觸指壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測隔離開關(guān)的觸指壓力，可以及時(shí)分析出現(xiàn)場隔離開關(guān)的運(yùn)行情況，減少由于觸指壓力不足導(dǎo)致的接觸不良進(jìn)而引起觸頭發(fā)熱的現(xiàn)象，可以減少停電次數(shù)，提高國家電網(wǎng)運(yùn)行效率。

2.1 光纖光柵應(yīng)變傳感器介紹

光纖光柵應(yīng)變傳感器是以光纖為載體，在光纖的局部區(qū)域?qū)懭牍鈻?，利用反射或透射布拉格光柵峰值波長移動(dòng)的特性來實(shí)現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值的絕對測量。光纖光柵傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、無零漂、易于安裝、復(fù)用性好、使用壽命長等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用在橋梁、堤壩的安全監(jiān)測，油庫、倉庫、高層建筑、礦井和隧道的火災(zāi)防護(hù)、電力等多個(gè)領(lǐng)域。

2.2 光纖光柵應(yīng)變傳感器工作原理

應(yīng)用光纖光柵進(jìn)行應(yīng)變測量，主要通過獲得在盈利作用下，光柵反射的中心波長的漂移而間接的得到。大量實(shí)驗(yàn)表明，在恒溫條件下，光纖光柵均勻軸向應(yīng)變引起波長移位的縱向應(yīng)變靈敏度公式：

（1）

其中： （2）

為有效彈光常數(shù)；而：

（3）

為光纖光柵相對波長移位應(yīng)變靈敏度系數(shù)。利用純?nèi)廴谑⒌膮?shù)，p11=0.121，p12=0.270，υ=0.17，neff=1.456，可得光纖光柵相對波長移位應(yīng)變靈敏度系數(shù)sε=0.784。如果取波長λ為1541.254則光纖光柵彈光效應(yīng)單位縱向應(yīng)變引起的波長移位為1.208pm/με.由（2）式知光柵的應(yīng)變與波長的變化之間的關(guān)系式為： （4）

即通過光柵中心波長的變化，由（4）式求得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成介紹

高壓開關(guān)觸指壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有光纖光柵應(yīng)變傳感器，觸指壓力光纖解調(diào)和無線傳輸模塊，觸指壓力監(jiān)控裝置構(gòu)成。

2.3.1 光纖光柵應(yīng)變傳感器

當(dāng)隔離開關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)，光纖光柵應(yīng)變傳感器可以實(shí)時(shí)采集到應(yīng)變量值，并通過光纖將數(shù)據(jù)傳到光纖解調(diào)和無線傳輸部分。光纖光柵應(yīng)變傳感器現(xiàn)場安裝時(shí)，用膠接方式將傳感器固定在結(jié)構(gòu)物表面，安裝十分簡單。同時(shí)此傳感器精度高，穩(wěn)定性好，在惡劣環(huán)境下性能優(yōu)越，抗機(jī)械疲勞，能消除電回聲探測和電火花危險(xiǎn)，不受電磁干擾。

2.3.2 觸指壓力光纖解調(diào)和無線傳輸端

隔離開關(guān)觸指壓力是由隔離開關(guān)進(jìn)行合閘操作后隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭相擠壓所產(chǎn)生的線接觸壓力。觸指壓力光纖解調(diào)器將光纖光柵應(yīng)變傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將處理后的數(shù)據(jù)以無線ZigBee的方式傳到觸指壓力監(jiān)控裝置端顯示。光纖解調(diào)采用低功耗嵌入式處理器設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定可靠，同步采樣速率可在0～5HZ范圍內(nèi)設(shè)定。無線傳輸模塊采用ARM核心處理器，雙路ZigBee芯片，AC/DC模塊，模具外殼加工時(shí)充分探討磁鐵的安裝位置和電源出線方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。

2.3.3 觸指壓力監(jiān)控裝置

一體化工業(yè)平板電腦，USB口轉(zhuǎn)ZigBee通訊接口模塊，USB口轉(zhuǎn)GPRS通訊接口模塊，通訊收發(fā)處理程序軟件，一次主接線圖和壓力數(shù)值顯示界面，故障處理專家系統(tǒng)軟件。

2.4 主要技術(shù)指標(biāo)介紹

（1）光纖光柵應(yīng)變傳感器技術(shù)指標(biāo)表1所示。

表1 光纖光柵應(yīng)變傳感器技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目

參數(shù)值

量程（με）

300

精度（με）

0.5%F.S.

分辨率（με）

0.1%F.S.

光柵中心波長（nm）

1528～1563

反射率

≥80%

工作溫度范圍（℃）

-30～85

尺寸（mm）

25×6×1

尾纖

耐腐蝕PU披覆鎧裝，兩端各1.5m，可定制

（2）觸指壓力光纖解調(diào)和無線傳輸端主要技術(shù)指標(biāo)表2所示。

表2 觸指壓力光纖解調(diào)和無線傳輸端主要技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目

參數(shù)值

光通道數(shù)

1/4/8/16/24

每通道最大測點(diǎn)數(shù)

50，推薦測點(diǎn)數(shù)：25

同步采樣頻率

5HZ

波長測量范圍

1525nm～1565nm （1510nm～1590nm可定制）

波長分辨率

0.1pm

波長精度

±1pm

應(yīng)變測量精度

±2με

應(yīng)變分辨率

0.1με（典型值）

無線傳輸距離

≥100m（無阻擋）

（3）觸指壓力監(jiān)控裝置主要技術(shù)指標(biāo)表3所示。

表3 觸指壓力監(jiān)控裝置主要技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目

參數(shù)

外形尺寸

10.2寸

前面板尺寸

285mm*163mm

觸摸屏

4線高精度電阻式，硬度>3H，單點(diǎn)100萬次

內(nèi)存

64MB SDRAM

功耗

12V，170～400mA

通信串口

2路RS232，1路RS485

電源管理

9V—28V外接電源

對比度

400：1

擴(kuò)展選配功能

WIFI、GPS、GPRS、藍(lán)牙、Watchdog

3 結(jié)語

隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中應(yīng)用范圍最廣泛的高壓開關(guān)設(shè)備。戶外隔離開關(guān)容易受到環(huán)境氣候條件影響。尤其是接觸部分容易受雨水、灰塵及有害氣體的侵襲產(chǎn)生接觸不良而導(dǎo)致發(fā)熱，彈簧會(huì)因發(fā)熱而退化使壓力降低，這樣導(dǎo)致觸點(diǎn)發(fā)熱形成惡性循環(huán)最終燒壞而釀成事故。而人員在檢修時(shí)往往對那些壓力降低的彈簧無法判斷與更換，這樣在再次運(yùn)行中，每個(gè)觸指電流的分布會(huì)因壓力不同而不同，差別越大電流分布越不均勻，長期運(yùn)行后就會(huì)發(fā)生接觸不良而過熱。觸指的發(fā)熱會(huì)惡性循環(huán)，一個(gè)觸指接觸不好就會(huì)蔓延整個(gè)觸頭接觸不良。光纖光柵應(yīng)變傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測高壓隔離開關(guān)觸指壓力，而且采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)靈敏度高，精度高。光纖光柵應(yīng)變傳感器采用表面粘貼工藝，經(jīng)過多方的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，光纖光柵應(yīng)變傳感器的測量結(jié)果是真實(shí)有效的。因此隔離開關(guān)觸指壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)在一定程度上降低了事故跳閘率，提高了電網(wǎng)運(yùn)行效率，保障了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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