基于觸頭行程測(cè)量的斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)

張 龍,黃新波,蔣波濤,胡海燕,胡瀟文

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048;2.中國石化青島安全工程研究院,山東 青島 266072)

0 引 言

斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的高壓開關(guān)設(shè)備之一,其可靠性直接影響著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2].隨著智能電網(wǎng)的大力建設(shè),傳統(tǒng)的“定期檢修”已無法滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展.為了避免由斷路器機(jī)械故障而造成不必要的損失,則斷路器的機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)顯得由為重要[3-5].

斷路器的觸頭行程-時(shí)間特性曲線是其健康狀況的重要表征,為了獲得觸頭行程曲線,需要在斷路器本體上安裝位移傳感器[6-8],而位移傳感器安裝的最基本要求是:(1)不影響斷路器絕緣性能的前提下,盡量不要破壞斷路器原始的機(jī)械結(jié)構(gòu);(2)能夠精準(zhǔn)獲得斷路器的觸頭行程-時(shí)間特性曲線[9-11].

圖 1 斷路器分合閘示意圖Fig.1 Circuit breaker opening and closing schematic

目前,斷路器觸頭行程位移測(cè)量傳感器主要有直線位移傳感器、差動(dòng)變壓器式位移傳感器、增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器等.其中,直線位移傳感器安裝在絕緣拉桿下端,直接采集動(dòng)觸頭的位移信號(hào),但是安裝困難、精度差、抗干擾能力低,還破壞斷路器原始結(jié)構(gòu),影響絕緣性能;差動(dòng)變壓器式位移傳感器安裝在斷路器主軸上,觸頭運(yùn)動(dòng)的位移量改變了空間磁場(chǎng)的分布,使得副邊繞組感應(yīng)出不同電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量輸出電壓的大小來測(cè)量觸頭行程位移,但傳感器體積較大不合適中壓斷路器;增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器安裝在斷路器主軸上不僅占用空間小,還不會(huì)影響斷路器的絕緣性能,抗干擾能力強(qiáng),但輸出數(shù)字信號(hào),不能直觀的反映斷路器行程特性,需設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量電路配合進(jìn)行測(cè)量.而本文采用的高精度的角位移傳感器與光電編碼器安裝相同,且輸出是直流電壓信號(hào),可以直觀的反映斷路器機(jī)械行程特性,無需后端測(cè)量電路[12-14].因此,本文采用角位移傳感器進(jìn)行斷路器觸頭行程測(cè)量.

1 斷路器傳動(dòng)四連桿模型

本文研究的ZN63A-12真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)為四連桿結(jié)構(gòu),其分合閘過程示意圖如圖1所示,連桿處于ABCD狀態(tài)時(shí),斷路器為分閘狀態(tài),合閘彈簧儲(chǔ)能.當(dāng)執(zhí)行合閘操作時(shí),合閘彈簧做功,推動(dòng)絕緣拉桿FH向上運(yùn)動(dòng)使動(dòng)觸頭完成合閘操作,此時(shí)連桿處于AB′C′D狀態(tài),并可以使分閘彈簧G儲(chǔ)能.分閘操作時(shí),連桿運(yùn)動(dòng)過程與上述相反.

根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)建立xoy坐標(biāo)系,并把各桿當(dāng)作矢量,方程如下:

(1)

在x,y軸上的投影為

(2)

cos(αi)=P0·cos(φi)+P1·cos(φi-αi)+P2.

(3)

(4)

圖 2 四連桿傳動(dòng)關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of four-link transmission

(5)

2 斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)技術(shù)

斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由過程層、間隔層、站控層組成[16].過程層主要由監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成,包含信號(hào)采集單元和智能處理單元,完成信號(hào)采集單元、數(shù)據(jù)預(yù)處理及斷路器機(jī)械特性參數(shù)的計(jì)算分析;間隔層為斷路器IED,監(jiān)測(cè)終端通過CAN總線與斷路器IED之間通信,IED按照電網(wǎng)標(biāo)注的IEC 61850通信協(xié)議通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至站控層監(jiān)控中心[17];站控層實(shí)現(xiàn)站內(nèi)所有斷路器遠(yuǎn)程監(jiān)控.

2.1 監(jiān)測(cè)裝置的硬件設(shè)計(jì)

斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)硬件電路如圖3所示.通過角位移傳感器、無線測(cè)溫模塊、閉環(huán)霍爾電流互感器,分別獲取A,B,C三相觸頭行程信號(hào)、觸頭溫升、分合閘線圈及儲(chǔ)能電機(jī)電流,經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路,送入STM32F407ZET6進(jìn)行A/D采樣.采樣結(jié)束后,MCU采用濾波算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,然后經(jīng)過運(yùn)算得到反映斷路器健康狀態(tài)的特征參數(shù).并采用CAN總線將斷路器的各機(jī)械參數(shù)上傳至斷路器IED,實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)械特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

圖 3 斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)硬件電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of mechanical characteristics of the circuit breaker on-line monitoring hardware

2.2 軟件設(shè)計(jì)

圖 4 斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flowchart of online monitoring software design for circuit breaker mechanical characteristics

斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。監(jiān)測(cè)裝置上電后,首先,進(jìn)行系統(tǒng)初始化;其次,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器的開入量與分合閘線圈電流,判斷斷路器是否發(fā)生動(dòng)作.當(dāng)斷路器發(fā)生動(dòng)作,采用A/D+DMA中斷的模式對(duì)進(jìn)行信號(hào)采集與搬運(yùn),數(shù)據(jù)搬運(yùn)結(jié)束后,關(guān)閉DMA中斷,并分別調(diào)用分合閘采樣子程序、濾波算法程序、數(shù)據(jù)運(yùn)算子程序進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)備份,數(shù)字濾波、斷路器特征參數(shù)計(jì)算和打包；最后,通過CAN通訊方式將曲線數(shù)據(jù)與特征參數(shù)全部上傳至斷路器IED.

3 檢測(cè)信號(hào)處理

3.1 信號(hào)存在問題

斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行在高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下,在線監(jiān)測(cè)裝置在數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸過程中會(huì)受到各種干擾,導(dǎo)致斷路器的行程——時(shí)間曲線嚴(yán)重畸變,圖5為文中通過示波器獲得斷路器分合閘的原始波形.

若利用該數(shù)據(jù)直接進(jìn)行斷路器機(jī)械特性分析計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,且這樣的結(jié)果更不能真實(shí)的反映當(dāng)前斷路器的健康狀態(tài),從而使得斷路器的機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)的作用減弱,因此，為了獲得理想的行程——時(shí)間曲線,需要對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)采用相關(guān)算法進(jìn)行處理,有效濾除各種干擾的影響且保真地還原信號(hào).

(a) 合閘波形 (b) 分閘波形圖 5 原始分合閘曲線Fig.5 Original opening and closing curve

3.2 觸頭行程信號(hào)處理

3.2.1 小波閾值去噪 首先要選取一個(gè)最優(yōu)小波和分解層數(shù)對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行分解,因?yàn)椴煌男〔ɑ哂胁煌匦?各自降噪效果有很大區(qū)別.為了選擇最佳的小波基和分解尺度,文中建立在真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用其中1組合閘行程數(shù)據(jù)選取分解尺度N=5對(duì)3種常見的離散小波族——Coiflet小波族、Symlets小波族和Daubechies小波族(選取Coif5、Sym8、Db6)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)Coif5、Sym8、Db6 3種小波去噪的整體效果良好[18-19],如圖6所示.但是通過信號(hào)局部去噪聲的效果來看Sym8效果最好,如圖7所示.

圖 6 Coif5、Sym8、Db6小波去噪對(duì)比 圖7 Coif5、Sym8、Db6小波去噪局部對(duì)比Fig.6 Wavelet denoising differences among Coif5,Sym8 and Db6 Fig.7 Partial differences of wavelet denoi-sing among of Coif5,Sym8,Db6

小波閾值去噪的第2步就是小波分解系數(shù)的閾值選取和量化.閾值的選取直接影響降噪的效果,若閾值選取過小,去噪效果不明顯;若閾值選取過大,則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真.因此,選取一個(gè)合適的閾值尤為重要.文中選取了一種新的小波自適應(yīng)閾值函數(shù)[20].

(6)

式中:參數(shù)m,n∈R+,通過調(diào)節(jié)參數(shù)m,n可以來改變閾值函數(shù)的變化趨勢(shì).參數(shù)A(0≤A≤1)決定了小波閾值的逼近程度,因此,改變參數(shù)A不僅使得硬閾值函數(shù)在λ處連續(xù)且抑制了振蕩,還很大程度上降低了軟閾值函數(shù)在分解小波系數(shù)時(shí)產(chǎn)生的恒定偏差,并保留了傳統(tǒng)閾值函數(shù)的優(yōu)點(diǎn).

選擇合適的閾值函數(shù)對(duì)原始進(jìn)行分解,根據(jù)第N層的低頻系數(shù)和第一層到第N層經(jīng)過修改的高頻系數(shù),計(jì)算出信號(hào)的小波重建,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)得去噪.

3.2.2 曲線平滑 觸頭行程曲線經(jīng)小波閾值去噪后得到了很大的改善,但還是不能徹底將噪聲濾除,在此基礎(chǔ)上本文采用改進(jìn)的中值濾波算法對(duì)去噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步平滑處理.設(shè)原始觸頭行程信號(hào)為x(n),從x(n)構(gòu)造一個(gè)新序列x2(n),該算法對(duì)原序列開頭和結(jié)尾的幾個(gè)數(shù)進(jìn)行了濾波,所得序列x2(n)與原序列x(n)具有相同的長(zhǎng)度,有效避免了濾波前后數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不相等的問題.使用該算法對(duì)觸頭行程位移信號(hào)進(jìn)行平滑,進(jìn)一步減小噪聲測(cè)量精度的影響[21].改進(jìn)的中值濾波算法見式(7),濾波之后的行程曲線如圖8所示.

(a) 合閘曲線 (b) 分閘曲線圖 8 平滑后行程曲線Fig.8 Smoothed travel curve

(7)

4 斷路器機(jī)械特性試驗(yàn)

4.1 平臺(tái)搭建

基于上述獲得的主軸轉(zhuǎn)角與觸頭行程之間的關(guān)系,本文以一臺(tái)ZN63A-12戶內(nèi)型高壓真空斷路器作為研究對(duì)象在實(shí)驗(yàn)室搭建了試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試的項(xiàng)目主要包括分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流和觸頭行程測(cè)量等．

4.2 行程曲線

斷路器的行程曲線監(jiān)測(cè)過程中會(huì)受到許多噪聲干擾,其噪聲主要來源有:(1)角位移傳感器安裝在主軸上斷路器進(jìn)行分/合閘時(shí)機(jī)械振動(dòng);(2)斷路器分/合閘彈簧的儲(chǔ)能是通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)的,電機(jī)啟動(dòng)時(shí)較大的啟動(dòng)電流也會(huì)產(chǎn)生干擾;(3)斷路器分/合閘過程時(shí)間都特別短,一般幾十毫秒,因此,斷路器快速投切的過程相當(dāng)于一個(gè)較大負(fù)載的投切,也會(huì)產(chǎn)生很大的干擾.上述所有的干擾信號(hào)導(dǎo)致斷路器的行程曲線嚴(yán)重變形,采用這樣的波形對(duì)機(jī)械特性分析會(huì)產(chǎn)生很大的誤差.所以，本文對(duì)斷路器原始的行程數(shù)據(jù)先經(jīng)小波去噪，又采用中值濾波對(duì)波形進(jìn)一步平滑,最后獲得理想的波形.圖9是本文對(duì)原始信號(hào)處理之后通過示波器獲得分/合閘波形.

(a) 合閘波形 (b) 分閘波形圖 9 去噪平滑后行程曲線Fig.9 Smoothed travel curve of denoising

4.3 斷路器剛合/剛分點(diǎn)獲取

斷路器剛分/合點(diǎn)獲取的傳統(tǒng)方法有:(1)通過判斷分合閘線圈的電流變化來獲取剛分、剛合點(diǎn),但是閾值的選取都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取,這樣會(huì)帶來人為誤差;(2)通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)來獲取剛分、剛合點(diǎn),但是,斷路器在分合閘過程中自身的機(jī)械振動(dòng)會(huì)將干擾信號(hào)疊加到信號(hào)中,因此,上述獲取剛分、剛合點(diǎn)的方法都不可靠,本文建立真實(shí)的行程測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)相關(guān)算法處理后,通過仿真獲得斷路器分/合閘速度/加速度曲線來獲取剛分、剛合點(diǎn).

4.3.1 剛合點(diǎn)確定 當(dāng)斷路器接收到合閘命令時(shí),合閘線圈通電使得合閘彈簧釋放能量,驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭開始運(yùn)動(dòng)。由圖10可知,開始動(dòng)觸頭的合閘速度和加速度都不斷增大,但是觸頭運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受操動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿間的摩擦力和空氣阻力的影響,而且當(dāng)動(dòng)觸頭逐漸靠近斷路器靜觸頭時(shí),動(dòng)靜觸頭之間會(huì)產(chǎn)生電弧,電弧產(chǎn)生的電動(dòng)力同樣阻礙動(dòng)觸頭來運(yùn)動(dòng),由圖10的合閘加速度曲線發(fā)現(xiàn)t=0.06s時(shí),動(dòng)觸頭加速度逐漸減小但是依然與觸頭運(yùn)動(dòng)的方向一致,所以速度還在持續(xù)增大,當(dāng)t=0.08 s時(shí)加速度方向變?yōu)榕c動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)相反方向,此時(shí)速度達(dá)到最大,即為斷路器剛合時(shí)刻,動(dòng)觸頭這段時(shí)間內(nèi)的位移稱為空行程.之后動(dòng)觸頭繼續(xù)前進(jìn),但動(dòng)觸頭的摩擦力和緩沖器阻力的合力產(chǎn)生的加速與觸頭運(yùn)動(dòng)方向相反,使得觸頭速度不斷減小為零,最終動(dòng)觸頭達(dá)到合閘位置,這一段位移叫做超程.

4.3.2 剛分點(diǎn)確定 當(dāng)斷路器接收到分閘指令時(shí),分閘線圈通電后使得分閘彈簧釋放能量,驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭開始運(yùn)動(dòng),由圖11可知,此時(shí)速度、加速度不斷增大,當(dāng)動(dòng)靜觸頭分離時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉弧,電弧的電動(dòng)力及分閘儲(chǔ)能消耗使得加速度減小,但速度持續(xù)增大,當(dāng)加速度為零時(shí)速度達(dá)到最大,此時(shí)動(dòng)/靜觸頭分離,該時(shí)刻為剛分時(shí)刻,此段運(yùn)動(dòng)過程得到位移就是超行程.動(dòng)觸頭將繼續(xù)沿分閘方向運(yùn)動(dòng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng),受到緩沖裝置發(fā)生作用,動(dòng)觸頭的加速度的方向與動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)方向相反,使得動(dòng)觸頭速度降低直至為零,但由于緩沖裝置的能量釋放使得斷路器動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)反彈,直到能量衰減為零時(shí),動(dòng)觸頭達(dá)到分閘位置,這時(shí)斷路器完成分閘操作.

(a) 合閘速度曲線 (b) 合閘加速度曲線圖 10 合閘速度及加速度曲線Fig.10 Closing speed and acceleration curve

(a) 分閘速度曲線 (b) 分閘加速度曲線圖 11 分閘速度及加速度曲線Fig.11 Opening speed and acceleration curve

4.4 機(jī)械特性參數(shù)分析

本文在獲得精確的觸頭行程-時(shí)間曲線后,通過分析計(jì)算得到斷路器的行程、超程、開距等機(jī)械參數(shù),如表1,2所示.

表 1 斷路器分閘機(jī)械特性參數(shù)

表 2 斷路器合閘機(jī)械特性參數(shù)

將表1，2數(shù)據(jù)與健康狀況下運(yùn)行的斷路器分合閘機(jī)械特性參數(shù)比較,可以看出角位移傳感器獲取的機(jī)械特性參數(shù)符合斷路器出廠時(shí)的要求,能夠成功實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘時(shí)觸頭的行程信息的采集工作.

5 結(jié) 論

(1) 本文對(duì)斷路器的連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,建立了主軸轉(zhuǎn)角與觸頭直線位移的關(guān)系,并采用角位移傳感器進(jìn)行斷路器觸頭監(jiān)測(cè),最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證該方法精確、可靠,而本文研究的對(duì)象為ZN63A-12真空斷路器,該方法也可以應(yīng)運(yùn)到其他類型的斷路器中.

(2) 文中采用小波閾值和中值濾波對(duì)原始的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后獲得了精確的觸頭行程-時(shí)間位移曲線,說明數(shù)據(jù)處理對(duì)真實(shí)信號(hào)的還原的重要性.

(3) 獲得精確的行程曲線后,文中通過對(duì)分合閘過程中分合閘速度及加速度的變化進(jìn)行分析獲取剛分/剛合點(diǎn),為后續(xù)的其他機(jī)械參數(shù)的計(jì)算提供依據(jù).

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