電動隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的研究

黃春富 張躍峰 李超 金嶺華 沈吉

摘要：對于電力系統(tǒng)而言，電氣設(shè)備的運(yùn)行工況直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與安全性，因此有必要就各個(gè)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行全面監(jiān)測。本文以常見的隔離開關(guān)為例，闡述其出現(xiàn)機(jī)械式故障的主要原理，并分析了電動隔離開關(guān)工作狀態(tài)的檢測與診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集與通信處理，從而為后期設(shè)備檢修計(jì)劃的進(jìn)行等提供重要參考，有利于提升設(shè)備的使用效率與壽命，同時(shí)對于整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也有一定的積極意義。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān);狀態(tài)監(jiān)測;診斷系統(tǒng)

引言

電氣設(shè)備，特別是經(jīng)常需要其可靠動作的一些電氣設(shè)備，在整個(gè)的運(yùn)行過程中可能會由于氣候、溫濕度環(huán)境以及搭載的負(fù)荷等多方面因素從而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)工作老化、機(jī)械故障以及性能下降等多方面問題。而在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間，隔離開關(guān)的機(jī)械傳統(tǒng)部分則會因?yàn)殚L期的頻繁動作或者高負(fù)荷運(yùn)行從而出現(xiàn)機(jī)構(gòu)故障、磨損以及銹蝕等問題，設(shè)備動作失靈以及結(jié)構(gòu)性破壞等情況時(shí)有發(fā)生。如若不對其進(jìn)行有效的監(jiān)控與管理，勢必會進(jìn)一步增加設(shè)備的使用安全隱患，同時(shí)也無法很好的起到對設(shè)備的保護(hù)作用，故有必要就電動隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)展開研究。

1.隔離開關(guān)機(jī)械故障監(jiān)控的主要工作原理

在電力系統(tǒng)中，高壓隔離開關(guān)主要用于以下三個(gè)方面，第一，隔離電源，從而確保相關(guān)高壓設(shè)備和裝置等可以徹底的與電源脫離，避免檢修過程可能存在的風(fēng)險(xiǎn);第二，倒閘處理，將電氣設(shè)備從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)或使系統(tǒng)改變運(yùn)行方式;第三，對小電流電路進(jìn)行分合處理。目前，國內(nèi)的隔離開關(guān)主要配置的電動機(jī)組件為CJ5、CJ6、CJA7G等幾種，選用0.5-0.6千瓦的三相異步電動機(jī)作為整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)的驅(qū)動模塊。基于降速組件，包括渦輪、絲桿以及齒輪等等傳動從而有效的與隔離開關(guān)主軸保持可靠隔絕。執(zhí)行分合閘操作時(shí)，每次轉(zhuǎn)角為一百八十度。而在分合閘完成時(shí)，基于行程開關(guān)將整個(gè)電動機(jī)組件的電源進(jìn)行徹底切除。

2.電動機(jī)電流變化波形

三相異步電動機(jī)是整個(gè)隔離開關(guān)電動部分的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，電機(jī)的定子電流可以全面的反饋機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行信息?；陔娏鱾鞲衅髟O(shè)備可以檢測當(dāng)前電動機(jī)的工作電流，從而可以了解其是否存在卡澀等情況。將隔離開關(guān)安裝調(diào)試完畢的特性曲線進(jìn)行有效記錄，并找出其中存在的最大偏差，基于此判斷是否存在卡澀情況。針對GW6型號的開關(guān)設(shè)備，也可以通過對其中平衡彈簧當(dāng)前工作狀態(tài)處于失效還是脫落的監(jiān)察，從而進(jìn)行判斷。將得到的無線存儲至數(shù)據(jù)庫中，和后續(xù)所檢測到的曲線進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。如下圖所示

如上圖所示，在t0-t1時(shí)間段中電機(jī)開始得電，且在該時(shí)間段內(nèi)會瞬間得到一個(gè)比較高的脈沖大電流，即啟動電流。而在t1-t2時(shí)間段內(nèi)，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，電機(jī)伴隨著出現(xiàn)反電勢，電流逐漸降低，t2-t3時(shí)間段內(nèi)，電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入相對平緩的運(yùn)行轉(zhuǎn)臺，電機(jī)各方面工作相對穩(wěn)定;在t3時(shí)間點(diǎn)是開關(guān)動靜觸點(diǎn)剛剛接觸時(shí)間，高負(fù)荷瞬間加載至電機(jī)中，此時(shí)電流也會隨之而增加，最后電流在t4時(shí)間點(diǎn)達(dá)到一個(gè)最高值狀態(tài)，與此同時(shí)在t4時(shí)間點(diǎn)限位開關(guān)也會跟著動作，并將線路中的電流徹底切斷?；趯?shí)際某個(gè)變電站中的隔離開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)卡澀、合閘不充分的CJ7A隔離開關(guān)進(jìn)行測試，就系統(tǒng)顯示結(jié)果而言，隔離開關(guān)電機(jī)動作電流是A、B、C三相的電流值大小分別為2.7A、2.5A以及2.6A，要明顯高于隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的額定動作電流值1.9A。因此就該結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，電機(jī)和隔離開關(guān)之間的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)卡滯以及隔離開關(guān)分合不到位等情況的出現(xiàn)，主要是由于電機(jī)內(nèi)部的繞組出現(xiàn)問題所致。

3.數(shù)據(jù)的收集與信息交互

3.1電量消耗的收集與信息交互

為了盡可能的降低對電動機(jī)運(yùn)行可能產(chǎn)生的影響，目前主要基于一種性能相對優(yōu)越的傳感器設(shè)備，霍爾電流傳感器設(shè)備從而進(jìn)行參數(shù)信息的收集。該傳感器設(shè)備的輸出的電壓信號與電動機(jī)電流的變化呈正相關(guān)關(guān)系。第一，利用中央處理器的高速輸入模塊HSH分析計(jì)算得到周波頻次，并得到采樣/保持器的控制頻次，中央處理器基于對一個(gè)周期進(jìn)行32點(diǎn)的頻次采集，并集合傅式算法將時(shí)間內(nèi)收集到的電流消耗轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍畔?。有現(xiàn)場監(jiān)控模塊收集到現(xiàn)場的信息，并利用現(xiàn)場所搭建的網(wǎng)絡(luò)通信總線將其傳達(dá)至上位機(jī)模塊?，F(xiàn)場監(jiān)測模塊與上位機(jī)之間主要利用RS485通信（主從通信方式）的方式進(jìn)行可靠連接，接口芯片主要選用MAX485（Maxim公司的一種RS-485芯片）.

3.2主軸轉(zhuǎn)速的檢測

增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼設(shè)備安置在電動機(jī)的轉(zhuǎn)動主軸上從而用于檢測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸角位置。其主要基于圓光柵（載體為圓形的光柵），利用光電轉(zhuǎn)換機(jī)制，將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為電脈沖信息。該傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)在于重量特別小、所需要的力矩不高且工作可靠性更強(qiáng)。當(dāng)主軸開始轉(zhuǎn)動時(shí)，編碼器則會跟著輸出A和B兩路相位角度差在90度的正交脈沖信號。通過對該信號的分析與處理，即對A和B的信號的相對相位的確定，從而得到碼盤（測量角位移的數(shù)字編碼器）的整個(gè)轉(zhuǎn)動方向。如若某情況下，A明顯超前于B則可以判定當(dāng)前為正的轉(zhuǎn)動方向，否則繼而反向轉(zhuǎn)動。這就是正交信號具備的可識別性的優(yōu)勢?；谟?jì)數(shù)器設(shè)備可以對采集到的A/B兩路進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此得到角位移的變化情況。

利用旋轉(zhuǎn)光電編碼器設(shè)備所輸出的兩路正交脈沖信號，基于光電隔離處理，再利用施密特觸發(fā)器進(jìn)行進(jìn)一步的整形處理，從而可以得到A與反相A 以及B與反相B的矩形波信號。再將施密特觸發(fā)器處理得到的四路波形通過單穩(wěn)器件，由此得到各自上升沿以及下降沿信號，將各個(gè)脈沖信號通過“與或非”電路，即可實(shí)現(xiàn)對各個(gè)信號的處理，輸出反應(yīng)角位移的信號P、P1?；谌?029（cd4029芯片）構(gòu)成的十二位加減計(jì)數(shù)器，兩路加減脈沖信號經(jīng)過計(jì)數(shù)器的計(jì)算，得到10位二進(jìn)制的編碼信息，其結(jié)果和角位移逐一對應(yīng)。收集系統(tǒng)按照固定的采樣頻次從而讀得該10位結(jié)果信息，得到隔離開關(guān)操作期間的主軸角位移的時(shí)間變化曲線。

4.結(jié)束語

隨著現(xiàn)代社會發(fā)展越來越快，無論是工業(yè)領(lǐng)域還是人們?nèi)粘Ｉ罘矫婢霈F(xiàn)了大量的新型的且更為先進(jìn)的用電設(shè)備，而與此同時(shí)對于供電質(zhì)量的可靠性以及用電量方面提出了更高的要求。電力系統(tǒng)主要由各個(gè)電力設(shè)備以及用戶等多方面組成，電氣設(shè)備的運(yùn)行工況則直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，因此對于相關(guān)部門務(wù)必加強(qiáng)對電氣設(shè)備的監(jiān)控與管理，從而確保其運(yùn)行狀態(tài)。隔離開關(guān)是變電站系統(tǒng)最為常見的設(shè)備之一，日常使用中需要經(jīng)常性的對其進(jìn)行分合閘作業(yè)，而長時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行加上工作環(huán)境復(fù)雜性經(jīng)常會導(dǎo)致隔離開關(guān)工作異常等情況發(fā)生。為了確保整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及現(xiàn)場檢修維護(hù)等作業(yè)的安全性，需要對隔離開關(guān)進(jìn)行全面監(jiān)控與管理。基于電動隔離開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)可以利用上位機(jī)設(shè)備從而瀏覽近一段時(shí)間內(nèi)隔離開關(guān)的操作情況、數(shù)據(jù)信息等并以此判斷設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行健康與否。此次探究主要針對電動隔離開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)控、診斷進(jìn)行。隔離開關(guān)工作狀態(tài)的監(jiān)控，不但可以為設(shè)備是否需要進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)提供必要的參照依據(jù)，同時(shí)也可以用于判斷相關(guān)檢修工作的落實(shí)是否到位，檢修質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。該技術(shù)的應(yīng)用無疑可以大大提升整個(gè)設(shè)備的利用質(zhì)量，降低設(shè)備被迫停止運(yùn)行的概率，有利于電力系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

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