高壓真空斷路器在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李禎維，吳建軍，李家俊，楊 澤，鐘建偉

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北恩施 445000；2.湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北恩施 445000）

引言

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展和智能變電站的快速建設(shè)，高壓電器設(shè)備的智能化程度也越來越高。斷路器作為電力系統(tǒng)中最主要的開關(guān)設(shè)備，對其運(yùn)行可靠性自然具備更高要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高壓斷路器是檢修維護(hù)工作量最大的一次設(shè)備。同時(shí)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致的故障占其總故障的40%[1]。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對斷路器機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行掌控，盡早發(fā)現(xiàn)其潛在故障，可以提升斷路器的可靠性。并且根據(jù)其狀態(tài)信息優(yōu)化檢修人員檢修方式，可避免斷路器的過度維修或維修不足[2,3]。

20 世紀(jì)90 年代，美國、日本開始研究斷路器的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。國內(nèi)的斷路器在線監(jiān)測技術(shù)起步于20 世紀(jì)90 年代末期，清華大學(xué)首先對高壓斷路動作過程中產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理方面的探索，首次研發(fā)出了在線監(jiān)測的硬件平臺[4-6]。此后諸多機(jī)構(gòu)和學(xué)者在此領(lǐng)域展開研究[7-12]。然而多數(shù)學(xué)者研究方向主要聚焦于對斷路器的各種特征信息進(jìn)行采集和分析，如斷路器的振動信號、分合閘線圈電信號、斷路器動觸頭行程-速度信號等，并提出了多種故障診斷算法。大多學(xué)者未對在線監(jiān)測系統(tǒng)的搭建進(jìn)行詳細(xì)的介紹，未具體闡述下位機(jī)裝置的設(shè)計(jì)方法。許多學(xué)位論文中詳細(xì)介紹了使用的在線監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)。但其設(shè)計(jì)的裝置僅在實(shí)驗(yàn)室條件下對未在運(yùn)行的斷路器進(jìn)行監(jiān)測，未形成具有實(shí)用性的裝置對掛網(wǎng)運(yùn)行的斷路器進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測?；趯?shí)驗(yàn)室條件設(shè)計(jì)的監(jiān)測裝置，硬件設(shè)計(jì)方面存在諸多問題。本研究根據(jù)斷路器在線監(jiān)測下位機(jī)裝置研發(fā)和在線監(jiān)測平臺搭建的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從硬件層面提高斷路器在線監(jiān)測裝置實(shí)用性的角度，提供相應(yīng)問題的解決方法。

1 裝置電源設(shè)計(jì)

對高壓開關(guān)柜中的真空斷路器而言，常用的操作電源為220 V/50 Hz 交流電或220 V 直流電。斷路器實(shí)際運(yùn)行中，在線監(jiān)測裝置需從開關(guān)柜內(nèi)部取電才能保證監(jiān)測的進(jìn)行。因此裝置應(yīng)具有從柜內(nèi)端子排取用上述規(guī)格電力的能力。同時(shí)斷路器作為強(qiáng)電設(shè)備，在線監(jiān)測下位機(jī)作為弱電裝置對其進(jìn)行監(jiān)測，其工作的電磁環(huán)境復(fù)雜。因此，裝置的電源部分應(yīng)具有一定的隔離防護(hù)性能及一定的自我保護(hù)功能，才可保證裝置的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。裝置的電源設(shè)計(jì)是一個(gè)容易忽略但又十分重要的方面。

常見的監(jiān)測平臺在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建，未考慮裝置的實(shí)際用電情況。通常采用如圖1 所示方案。裝置需要外置電源適配器，提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且在開關(guān)柜內(nèi)占用空間大。同時(shí)，裝置內(nèi)部的芯片、運(yùn)算放大器、傳感器等元件需采用多種等級的直流弱電，這種設(shè)計(jì)方案大量采用線性穩(wěn)壓源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。一方面，線性穩(wěn)壓源對外接口未考慮隔離防護(hù)措施；另一方面，在線監(jiān)測裝置并非長時(shí)間工作在高性能高負(fù)載狀態(tài)下，通常僅需在斷路器動作時(shí)才發(fā)揮其性能。在大多數(shù)時(shí)間中，低負(fù)載情況下，線性穩(wěn)壓源的效率低，發(fā)熱較大，不利于設(shè)備長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖1 常見電源方案

為了解決上述問題，可以采取如圖2 所示的電源方案。在裝置中集成電源模塊，這樣可以減少電源適配器這一配件，簡化整體系統(tǒng)。電源模塊帶隔離防護(hù)功能，提高了裝置電源對外接口的安全防護(hù)性能。利用強(qiáng)電轉(zhuǎn)弱電的隔離開關(guān)電源直接從開關(guān)柜內(nèi)部端子排接線取電，轉(zhuǎn)換為24 V 直流弱電。再利用開關(guān)電源將相對較高的24 V 弱電轉(zhuǎn)化為多種電壓等級，為不同的元器件供電。開關(guān)電源效率高，輕載功耗較低，通過開關(guān)電源和低壓差線性穩(wěn)壓源的組合使用，降低裝置的電源發(fā)熱，提升裝置長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了芯片運(yùn)行的穩(wěn)定性，可以在電壓相差較小的變換，如5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 時(shí)，利用低壓差線性穩(wěn)壓源降低電源紋波。避免直接用線性穩(wěn)壓源進(jìn)行相差較大的電壓變換，如24 V轉(zhuǎn)5 V時(shí)，帶來的較大發(fā)熱問題。

圖2 隔離電源集成方案

2 角度傳感器的安裝

通常可通過監(jiān)測動觸頭的運(yùn)動狀態(tài)來分析斷路器動作的機(jī)械特性，但在戶內(nèi)高壓開關(guān)柜中的真空斷路器，由于結(jié)構(gòu)緊湊且具有較高的絕緣防護(hù)要求，不便于后期加裝直線位移傳感器來進(jìn)行直接監(jiān)測。因此，利用角度傳感器監(jiān)測斷路器主軸的轉(zhuǎn)動行程，間接反映動觸頭的運(yùn)動狀態(tài)[13,14]。角速度傳感器需通過過渡接頭與主軸完成安裝連接[15]。如圖3 所示，斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，預(yù)留角度傳感器安裝位置較為局促。廠商通常在斷路器側(cè)板上開有圓口，當(dāng)斷路器移出開關(guān)柜，在非運(yùn)行狀態(tài)下測試時(shí)，可以將傳感器與過渡接頭伸出圓口進(jìn)行測試。這種安裝方式在實(shí)驗(yàn)室條件下容易實(shí)現(xiàn)。但須注意的是，若斷路器正常工作時(shí)需移回開關(guān)柜內(nèi)部，這種方法將無法安裝，因而無法持續(xù)監(jiān)測斷路器主軸動作狀態(tài)。

圖3 斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

針對上述問題，在斷路器在線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)選用角度傳感器時(shí)，應(yīng)盡量選用體積較小的角度傳感器，并選用盡量小的過渡接頭，使其能夠安裝在斷路器內(nèi)部，保證不影響斷路器在開關(guān)柜內(nèi)的正常工作。實(shí)際運(yùn)用中，若角度傳感器加過渡接頭的體積依然過大，無法直接安裝至斷路器內(nèi)部，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提供一種備用方案[16]，通過180°齒輪換向機(jī)構(gòu)，將主軸轉(zhuǎn)速等比換向。過渡接頭加換向機(jī)構(gòu)可以置于斷路器主軸與側(cè)板之間，變換角度傳感器的安裝位置。這種方案提升了角速度傳感器的選用靈活性，提升了斷路器對體積更大的傳感器的兼容性及在線監(jiān)測裝置的實(shí)用性。

3 振動傳感器的驅(qū)動

通過對斷路器動作時(shí)產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行采集和分析，可以判斷斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，識別出對應(yīng)故障。目前廣泛使用的振動傳感器為兩線制的ΙEPE 振動傳感器。這種傳感器對外輸出線分為一根供電線與一根接地線，供電線為其提供4 mA～20 mA 恒流供電，同時(shí)輸出的振動信號也疊加在這根供電線上。因此監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有對振動傳感器供電激勵(lì)的能力，還能夠有效調(diào)理出其輸出信號，這些條件對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較高。通常ΙEPE傳感器的生產(chǎn)廠家會為其專門配備恒流適配器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電及信號調(diào)理功能，如圖4 所示。但是這種方案需要多連接恒流適配器這一輔助設(shè)備，增加了系統(tǒng)整體的復(fù)雜度，不利于斷路器在線監(jiān)測裝置在現(xiàn)場的實(shí)用。

圖4 常見振動信號采集系統(tǒng)方案

因此，應(yīng)提升在線監(jiān)測裝置的集成化程度，在其內(nèi)部集成專用ΙEPE數(shù)據(jù)采集卡，使裝置直接具備驅(qū)動ΙEPE振動傳感器的能力，并能有效分離出輸出信號。ΙEPE 數(shù)據(jù)采集卡將輸出信號調(diào)理為適用于芯片采集的模擬信號，再通過ADC芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最終傳遞給上位機(jī)。通過提高監(jiān)測裝置的集成度，簡化整體系統(tǒng)，增強(qiáng)其實(shí)用性。方案如圖5所示。

圖5 振動信號采集集成方案

4 電流電壓采集方案設(shè)計(jì)

通過采集斷路器分（合）閘線圈電信號、儲能電信號等操控回路的電信號并進(jìn)行分析診斷，既可以診斷出回路中故障：如線圈短路、接觸不良、電源過壓和欠壓等，也可以診斷出斷路器部分機(jī)械結(jié)構(gòu)故障：如鐵心卡澀、脫扣器卡死等。通常為了采集電信號，需要采用如圖6所示方案，在斷路器內(nèi)部加裝穿孔式霍爾傳感器，將采集到的信號傳遞回在線監(jiān)測裝置。但這樣的方案主要存在以下三方面的缺點(diǎn)。

圖6 常用電流電壓采集方案

首先，斷路器分閘動作時(shí)，分閘線圈通電時(shí)間僅為幾十毫秒，而常見的穿孔式霍爾傳感器響應(yīng)時(shí)間較長，可達(dá)幾十至數(shù)百毫秒，其響應(yīng)時(shí)間難以滿足快速采集電信號，繪制出電流或電壓曲線的要求。其次，在線監(jiān)測裝置為傳感器提供的供電端口以及信號接收端口常常未考慮隔離防護(hù)措施，信號直接引入以運(yùn)算放大器為核心組成的信號調(diào)理電路。雖然霍爾電流或電壓傳感器天然具備隔離效果，可以保護(hù)弱電系統(tǒng)免受強(qiáng)電影響，但其供電線和信號線又成為防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，使得裝置在此處可能受到強(qiáng)電、靜電影響以及電磁干擾。其三，這種采集方案需要在斷路器內(nèi)部加裝多個(gè)傳感器，有的傳感器甚至需要在斷路器內(nèi)部打孔安裝，這種方案提升了系統(tǒng)安裝實(shí)用的復(fù)雜度。

若采用接觸式霍爾傳感器，可以提升系統(tǒng)采集信號時(shí)的響應(yīng)速度，傳感器響應(yīng)時(shí)間通常較短，僅為數(shù)微秒。同時(shí)將傳感器集成到在線監(jiān)測裝置內(nèi)部，裝置對外接口即為傳感器一次回路接口，傳感器自身隔離防護(hù)能力對裝置整體也可構(gòu)成保護(hù)，不存在防護(hù)的缺口與薄弱環(huán)節(jié)。這樣的方案同時(shí)也簡化了裝置的安裝復(fù)雜度，只需將裝置與斷路器對應(yīng)回路接線即可完成監(jiān)測，無需在斷路器內(nèi)加裝傳感器。

圖7 集成化電流電壓采集方案

5 裝置對外端口隔離防護(hù)

在線監(jiān)測裝置需要長期工作在高壓強(qiáng)電設(shè)備周圍，其工作場景的電磁環(huán)境復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，斷路器不在導(dǎo)通高壓電的工作狀態(tài)，無需考慮隔離防護(hù)措施。在不考慮裝置的電磁兼容性能的情況下也可正常完成試驗(yàn)。但為了增強(qiáng)裝置實(shí)用性，需提高裝置的電磁兼容性能和抗干擾能力，以保證設(shè)備在高壓強(qiáng)電設(shè)備附近長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。除了在電路板設(shè)計(jì)方面采用一些手段來提高裝置的EMC性能，很重要的一方面就是加強(qiáng)裝置對外接口的隔離防護(hù)措施。除了上文提到的電源設(shè)計(jì)方案與電信號采集方案中對對應(yīng)接口的防護(hù)，還需考慮其他接口的防護(hù)性能。

在線監(jiān)測裝置需與上位機(jī)通訊，通?？刹捎肦S232、RS48、CAN 等通訊方式與上位機(jī)連接，或與智能ΙED 設(shè)備連接再傳遞信息給上位機(jī)[17]。通常在裝置硬件設(shè)計(jì)時(shí)，許多設(shè)計(jì)方案直接采用對應(yīng)芯片搭建的電路以實(shí)現(xiàn)通訊功能。然而常用的芯片及其電路并不具備隔離防護(hù)能力，因此對應(yīng)的通訊接口處于無保護(hù)狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用帶隔離防護(hù)功能的通訊模塊來實(shí)現(xiàn)通訊功能，提升接口的安全性。

此外為了判斷機(jī)械開關(guān)的位置狀態(tài)，部分在線監(jiān)測系統(tǒng)還會添加如圖8 所示原理的光耦電路，將機(jī)械開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號[18,19]。光耦元件具有隔離防護(hù)能力，信號通路無需考慮防護(hù)問題。輔助觸點(diǎn)通路即S1通路，應(yīng)采取與在線監(jiān)測裝置沒有聯(lián)系的其他電源供電。然而通常在設(shè)計(jì)中，許多方案直接由在線監(jiān)測裝置提供圖中V1 電源，此時(shí)該供電接口就失去了防護(hù)能力。雖然采用了光耦元件，若輔助觸點(diǎn)S1處有高壓，高壓電將通過供電接口直接損壞裝置。因此，采用該原理的電路，需要裝置直接為輔助觸點(diǎn)通路供電時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)對外輸出的隔離電源，保證各對外端口的全面防護(hù)。

圖8 常用輔助觸點(diǎn)光耦電路

6 結(jié)語

通過改進(jìn)斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案，可以提高裝置的集成化程度，降低系統(tǒng)整體的復(fù)雜度和安裝難度；提高裝置的隔離防護(hù)能力，保障裝置在復(fù)雜的電磁環(huán)境條件下可以長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。以上一系列措施都可以提高裝置的實(shí)用性，使斷路器在線監(jiān)測裝置不僅僅適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的試驗(yàn)和斷路器非工作狀態(tài)下的測試，也可對正常通電運(yùn)行的斷路器進(jìn)行長期的監(jiān)測。