一種斷路器彈簧操動機構(gòu)彈簧壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 旭 孔志武 彭躍輝 王巖妹

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，隨著使用年限的增加，斷路器機構(gòu)潤滑、彈簧疲勞等機械故障會逐漸顯現(xiàn)，嚴重影響斷路器分合閘的可靠性。據(jù)統(tǒng)計，機械故障占斷路器操動機構(gòu)故障的45.7%[1-2]。加強對斷路器操動機構(gòu)的研究，對提高斷路器可靠性具有重要意義[3]。

本文基于CT□-2.6Ⅰ型斷路器彈簧操動機構(gòu)，進行該型斷路器彈簧操動機構(gòu)與彈簧壓力傳感器的一體化設(shè)計，對傳感器輸出信號進行精密放大，完成對彈簧壓力的實時準確采集，通過軟件設(shè)計，實現(xiàn)對斷路器機構(gòu)彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監(jiān)測和故障預警。

1 斷路器彈簧操動機構(gòu)與彈簧壓力傳感器一體化設(shè)計

斷路器彈簧操動機構(gòu)機械零部件較多，傳動過程相對復雜，且操作功較大，工作時具有較大的振動噪聲，植入壓力傳感器不僅要保證測量數(shù)據(jù)的準確性、耐用性和校準的便捷性，還要考慮壓力傳感器與彈簧機構(gòu)特性匹配，即機構(gòu)植入壓力傳感器后不應影響其分合閘操作[4-5]。本文設(shè)計的斷路器彈簧操動機構(gòu)與彈簧壓力傳感器一體化機構(gòu)通過調(diào)整彈簧形變量，將彈簧壓力值與原設(shè)計彈簧壓力值保持一致。通過專業(yè)設(shè)備測試，一體化機構(gòu)機械特性主要技術(shù)參數(shù)見表1，滿足該型號機構(gòu)所配斷路器的機械特性要求。

表1 一體化機構(gòu)機械特性主要技術(shù)參數(shù)

圖1 所示為斷路器彈簧操動機構(gòu)分、合閘彈簧壓力傳感器安裝位置示意圖，合閘彈簧壓力傳感器、分閘彈簧壓力傳感器均固定在其靜端。合閘彈簧一端由合閘彈簧筒支撐，另一端在合閘彈簧拉桿和合閘彈簧壓板的作用下處于壓縮狀態(tài)，合閘彈簧壓力傳感器位于合閘彈簧和合閘彈簧筒之間；分閘彈簧一端由分閘彈簧筒支撐，另一端在分閘彈簧壓桿和分閘彈簧壓板的作用下處于壓縮狀態(tài)，分閘彈簧壓力傳感器位于分閘彈簧和分閘彈簧筒之間。

圖1 斷路器彈簧機構(gòu)傳感器安裝位置示意圖

2 斷路器機構(gòu)彈簧壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測斷路器彈簧操動機構(gòu)的彈簧壓力。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集單元將壓力傳感器信號轉(zhuǎn)換成4～20mA 信號后上傳給智能監(jiān)測裝置，在裝置內(nèi)進行數(shù)據(jù)解析、狀態(tài)診斷，并將診斷結(jié)果上傳到監(jiān)控后臺[6]，通信結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

1）壓力傳感器設(shè)計

壓力傳感器采用高度低、截面小的設(shè)計方式，使得機構(gòu)壓桿可以穿過傳感器，且傳感器的安裝和介入不改變彈簧機構(gòu)的調(diào)試、檢修和機械特性。傳感器具有足夠的抗壓、抗振、抗沖擊能力，確保在彈簧最大力值條件下長期、可靠穩(wěn)定工作[7-8]。

壓力傳感器的線性測量誤差、重復性測量誤差、滯后誤差等參數(shù)依據(jù)JJG 391—2009《力傳感器》檢定規(guī)程設(shè)計，工作條件依據(jù)Q/GDW 1535—2015《變電設(shè)備在線監(jiān)測通用技術(shù)規(guī)范》設(shè)計[9]。具體參數(shù)見表2。

表2 壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

2）數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元用于實現(xiàn)對斷路器彈簧操動機構(gòu)分、合閘彈簧壓力傳感器感知信號的采集、處理、傳輸?shù)裙δ埽湓O(shè)計性能滿足表3 要求。

表3 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計技術(shù)指標

測量誤差為

式中：E為絕對測量誤差；M1為數(shù)據(jù)采集單元測量數(shù)據(jù)；M2為標準測量儀器測量數(shù)據(jù)。

3）智能監(jiān)測裝置選型設(shè)計

智能監(jiān)測IED 硬件平臺采用研華科技MIC—1816 工控機，MIC—1816 具有集成的數(shù)據(jù)采集模塊和信號調(diào)理功能，可提供數(shù)字I/O，模擬I/O 和計數(shù)器功能。同時還支持串行通信端口和其他幾個網(wǎng)絡接口，以實現(xiàn)無縫集成和快速的系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)采用ubuntu12.04，Linux 3.13 內(nèi)核，具有較好的人機交互能力。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)分合閘彈簧壓力傳感器數(shù)據(jù)接入，實時采集、解析分合閘彈簧壓力值，根據(jù)算法模型診斷彈簧疲勞狀態(tài)，實現(xiàn)對斷路器機構(gòu)彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監(jiān)測和故障預警。

系統(tǒng)軟件基于Qt 開發(fā)框架。主程序讀取配置文件，根據(jù)所配置模式開啟通信線程，成功讀取到通道數(shù)據(jù)后發(fā)送讀結(jié)束信號，數(shù)據(jù)存儲線程響應并啟動，進行數(shù)據(jù)存儲，成功存儲后發(fā)送接線信號，數(shù)據(jù)處理線程響應并啟動，進行數(shù)據(jù)解析。IedServer對象在程序運行時創(chuàng)建，啟動協(xié)議棧，采用QList進行數(shù)據(jù)交互，循環(huán)組織報文實現(xiàn)制造報文規(guī)范（MMS）服務端功能[10-11]。軟件設(shè)計如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)測試及應用

目前該系統(tǒng)已通過出廠測試，測試初始狀態(tài)為合閘已儲能狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)監(jiān)測到的壓力值與校驗工裝檢定的壓力值誤差在誤差區(qū)間內(nèi)（±500N），分合閘彈簧壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 分合閘彈簧壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)

目前系統(tǒng)正在浙江某智能化試點站設(shè)計試用，數(shù)據(jù)監(jiān)測界面分別如圖5～圖7 所示。

圖5 分閘儲能狀態(tài)動作曲線

圖6 合閘自儲能狀態(tài)動作曲線

圖7 分閘未儲能狀態(tài)動作曲線圖

4 結(jié)論

本文從電力系統(tǒng)GIS 設(shè)備質(zhì)量提升角度出發(fā)，設(shè)計了斷路器彈簧操動機構(gòu)彈簧壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對斷路器機構(gòu)彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監(jiān)測和故障預警，該系統(tǒng)可通過分析監(jiān)測壓力值與出廠壓力值變化情況，提前預警斷路器彈簧操動機構(gòu)彈簧疲勞狀態(tài)，彌補目前斷路器機械特性在線監(jiān)測無法提前預警的不足，對于提升斷路器可靠性具有重要意義，符合智能變電站的發(fā)展要求。