徐建國 陳海昆 戴云霞 李峰 林堅(jiān) 蔣珀

【關(guān)鍵詞】真空斷路器 機(jī)械特性 在線監(jiān)測 斷線監(jiān)測

真空斷路器是中壓輸配電網(wǎng)絡(luò)中最為關(guān)鍵的執(zhí)行器，斷路器的常見故障包括拒分、拒合、絕緣、開斷故障，導(dǎo)致故障的原因主要包括3個(gè)方面：

（1）控制系統(tǒng)異常，控制回路斷開或脫扣器運(yùn)動(dòng)異常，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行異常；

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)異常，機(jī)構(gòu)失靈、卡涉；

（3）一次絕緣部件異常，真空度下降，絕緣部件性能降低，導(dǎo)致?lián)舸?/p>

斷路器故障對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的影響，如果在需要斷路器動(dòng)作時(shí)，斷路器不能按照要求正常動(dòng)作，導(dǎo)致的后果一般是災(zāi)難性的，會(huì)帶來巨大的物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)損失。為此，國內(nèi)外的電力主管部門對(duì)斷路器系統(tǒng)的在線監(jiān)測一直比較重視；近年來，由于電子、軟件和傳感器技術(shù)的發(fā)展，斷路器的在線監(jiān)測系統(tǒng)也日趨成熟，功能、精度和性能也得到了較大的提升。斷路器系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電耦合的系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行全面監(jiān)測和診斷涉及的技術(shù)非常廣泛；在低壓側(cè)，斷路器有儲(chǔ)能回路、分合閘脫扣回路，在高壓側(cè)有活動(dòng)連接、真空絕緣結(jié)構(gòu)、環(huán)氧絕緣結(jié)構(gòu)；此外，還具有復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，不但瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度高，力和力矩大，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求高。為了全面監(jiān)測斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，需要通過對(duì)多種物理參數(shù)的實(shí)時(shí)測量和在線分析計(jì)算，才能準(zhǔn)確反映和預(yù)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，才可為斷路器的操作、檢修提供可靠的、全面的技術(shù)依據(jù)。

綜合國內(nèi)外對(duì)斷路器系統(tǒng)的研究成果，目前對(duì)斷路器系統(tǒng)地監(jiān)測和診斷主要包括如下方面：

（1）控制回路的連續(xù)性監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)視控制回路的連接線和控制電源是否正常，在控制回路斷開時(shí)，可以提前發(fā)出報(bào)警提示。目前的技術(shù)方案主要是在控制回路的適當(dāng)位置并聯(lián)一個(gè)高阻抗的支路，使一個(gè)較小的電流穿過整個(gè)控制回路（分閘、合閘和儲(chǔ)能），如果控制回路斷開，電流不能形成回路，即可發(fā)出報(bào)警信息；上述監(jiān)測電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇合適的電流和并聯(lián)接入點(diǎn)。監(jiān)測電流的幅值應(yīng)足夠小，不能導(dǎo)致電執(zhí)行器產(chǎn)生動(dòng)作。

（2）控制回路的波形監(jiān)測，即在斷路器每次動(dòng)作時(shí)（分閘、合閘、儲(chǔ)能），記錄和分析控制回路的電流和電壓信號(hào)，分析電信號(hào)的波形以判斷控制電路及所控制的驅(qū)動(dòng)裝置（脫扣線圈或儲(chǔ)能電機(jī)）是否工作正常；目前發(fā)展成熟的技術(shù)主要針對(duì)直流的控制回路具有顯著效果，可以識(shí)別出脫扣機(jī)構(gòu)的摩擦力、驅(qū)動(dòng)力，線圈的阻抗、感抗等參數(shù)，也可以對(duì)比歷次動(dòng)作波形之間的差異并預(yù)測以后的動(dòng)作趨勢(shì)。針對(duì)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，可以識(shí)別驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能彈簧的異常狀態(tài)。

（3）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性監(jiān)測，通過配置適當(dāng)?shù)奈灰?、力和振?dòng)傳感器等，可以測量出斷路器動(dòng)作過程中的分/合閘速度、開距離、動(dòng)作時(shí)間、行程、振動(dòng)頻譜等參數(shù)。如果配置力傳感器，還可以測量斷路器機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵位置的作用力（如合閘狀態(tài)下的閉合力等）。

（4）真空度監(jiān)測，主要通過放電現(xiàn)象、電場梯度變化、離子電流、氣壓等方式直接或間接地判斷真空滅弧室內(nèi)的真空狀態(tài)，目前還沒有真正成熟、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測量方案。相關(guān)技術(shù)都在發(fā)展過程中。

（5）絕緣監(jiān)測，主要監(jiān)視斷路器一次回路絕緣部件的絕緣性能，目前提出的方案包括泄漏電流法、局部放電法，由于斷路器絕緣部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)的監(jiān)測系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性和實(shí)用性的良好結(jié)合。

（6）活動(dòng)連接部位的可靠性監(jiān)測，目前較為成熟的方案是通過監(jiān)測斷路器上下觸頭的接觸未知的溫度，從而間接地反映上述未知的接觸電阻。所采用的技術(shù)多種多樣，其中包括光纖測溫法、聲表面波測溫法、紅外測溫法、一次回路取電和無線通信的接觸式測溫法等。上述方案各有優(yōu)劣，適用性與斷路器的實(shí)際結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

針對(duì)國內(nèi)外與斷路器在線監(jiān)測有關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)，從技術(shù)成熟度、技術(shù)復(fù)雜性和準(zhǔn)確性三方面可總結(jié)如表1所示。

1 真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在綜合分析國內(nèi)外斷路器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和實(shí)現(xiàn)方案基礎(chǔ)上，本文提出如圖1所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)直接集成了目前成熟穩(wěn)定的監(jiān)測技術(shù)方案，并具有較好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)用戶需求集成、擴(kuò)展新監(jiān)測功能。

在上述結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)核心由兩個(gè)STM32系統(tǒng)組成，控制回路波形采集和分析單元主要實(shí)現(xiàn)位移、力、控制線圈電流波形的采集和實(shí)時(shí)分析。斷路器監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)電流波形和曲線的采樣頻率要求較高（一般10KHZ以上），同時(shí)還需要實(shí)時(shí)分析和計(jì)算波形參數(shù)，從采集的波形數(shù)據(jù)中得到分、合閘時(shí)間、分合閘速度、開距、超行程等參數(shù)，需要通過電壓和電流波形分析控制回路的當(dāng)前狀態(tài)；為了完成上述的計(jì)算和分析任務(wù)，數(shù)據(jù)處理單元需要配置較大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，完成一系列較為復(fù)雜的分析算法。為了使波形監(jiān)測和分析過程不影響外部的通信、人機(jī)接口操作的實(shí)時(shí)性，所以系統(tǒng)中配置了專用的控制回路波形采集和分析單元。在分析和計(jì)算完成后，控制回路波形采集和分析單元通過并行接口將曲線和分析計(jì)算結(jié)果發(fā)送到主監(jiān)測單元，并由主監(jiān)測單元存儲(chǔ)或顯示。

主監(jiān)測單元完成人機(jī)接口管理，監(jiān)視和響應(yīng)用戶操作；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀?。煌瑫r(shí)完成與其他IED裝置或上級(jí)系統(tǒng)的通信，通過網(wǎng)路將狀態(tài)參數(shù)和曲線傳輸?shù)缴霞?jí)系統(tǒng)。

為了保證系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)用戶的特殊需求接入真空監(jiān)測單元、振動(dòng)分析單元等功能模塊，在主監(jiān)測單元上配置了一路RS422/RS485通信接口，支持符合上述接口和標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議的監(jiān)測單元的接入。

2 數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)可靠的狀態(tài)監(jiān)測，斷路器動(dòng)作過程中，數(shù)據(jù)處理單元需要同時(shí)采集到3組位移數(shù)據(jù)、3組觸頭的接觸力數(shù)據(jù)、1組分閘和合閘數(shù)據(jù)。

為了快速準(zhǔn)確地識(shí)別出斷路器系統(tǒng)是否有動(dòng)作以及動(dòng)作的方式（分閘或合閘）；數(shù)據(jù)處理單元需要一直采集和監(jiān)視上述通道的數(shù)據(jù)，并根據(jù)一定的判據(jù)識(shí)別出動(dòng)作開始的信號(hào)，并從動(dòng)作開始時(shí)刻起，持續(xù)地截取一段時(shí)間內(nèi)的波形數(shù)據(jù)。時(shí)間內(nèi)的長度應(yīng)當(dāng)完整覆蓋斷路器的一次動(dòng)作過程，即應(yīng)大于從斷路器控制回路得電到完成控制動(dòng)作的時(shí)間。

在動(dòng)作判據(jù)的選擇方面，控制回路的波形數(shù)據(jù)在電動(dòng)操作方式下可以作為有效的依據(jù)，當(dāng)控制回路出現(xiàn)了一定幅值的電流波形時(shí)可以確認(rèn)斷路器正在執(zhí)行某種動(dòng)作。但是上述判據(jù)在手動(dòng)分合閘時(shí)是無效的，此時(shí)應(yīng)采用觸頭位移或位移變化作為判據(jù)較為可靠。

此外，在斷路器動(dòng)作曲線的捕獲過程，不論采用何種判據(jù)，在判據(jù)有效時(shí)，斷路器的動(dòng)作已經(jīng)開始了一段的時(shí)間，為了獲取完整的動(dòng)作曲線，應(yīng)當(dāng)在監(jiān)測到有效判據(jù)時(shí)將此前一段時(shí)間的動(dòng)作波形補(bǔ)回。

斷路器數(shù)據(jù)采集采用STM32的DMA中斷方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)置采樣頻率為10KHZ，多通道同步數(shù)據(jù)采集，截取波形數(shù)據(jù)的時(shí)間長度為120毫秒（其中前20毫秒為監(jiān)測到動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)后補(bǔ)回的數(shù)據(jù)）。斷路器數(shù)據(jù)采集相關(guān)的處理流程如圖2所示。

上述流程中，DMA初始化過程的程序如下：

3 信號(hào)分析和處理流程設(shè)計(jì)

在完成數(shù)據(jù)采集后，監(jiān)測系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)計(jì)算和分析采集的波形數(shù)據(jù)。斷路器動(dòng)作過程中位移和控制電流曲線的基本關(guān)系如圖3所示。但是在圖3中，剛分剛合點(diǎn)的位置是無法直接測量的，需要以力傳感器為基礎(chǔ)，通過信號(hào)處理的方法才能確定其位置，這也是斷路器機(jī)械特性監(jiān)測的難點(diǎn)之一。

分析處理模塊的流程如圖4所示。系統(tǒng)首先分析控制線圈電流波形，獲取控制回路波形的初始上電時(shí)刻，以該時(shí)刻作為斷路器控制動(dòng)作的初始時(shí)刻。然后依次分析斷路器三相的力傳感器波形信號(hào)，從波形數(shù)據(jù)中提取出斷路器剛分、剛合時(shí)刻（該信號(hào)分析方法有頻域法、時(shí)域分析法、微分分析算法等多種方式）。在確定了斷路器各相剛分、剛合時(shí)刻后，監(jiān)測系統(tǒng)可以從位移曲線以剛分、剛合時(shí)刻為基礎(chǔ)，計(jì)算分/合閘時(shí)間，觸頭的超行程和總行程。由于本系統(tǒng)中集成了高精度的力、位移和電流傳感器，所以可以通過軟件算法完成控制回路的狀態(tài)分析（以分合閘線圈電流為基礎(chǔ)），可以直接測量出斷路器合閘時(shí)的接觸壓力。

4 CPU單元間數(shù)據(jù)的并行傳輸

在如圖1所示的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，控制回路波形采集和分析單元采集的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果應(yīng)傳輸?shù)街鞅O(jiān)測單元顯示、存儲(chǔ)或?qū)ν鈧鬏?。為了保證斷路器發(fā)生動(dòng)作后數(shù)據(jù)能以較少的延遲傳輸?shù)街鞅O(jiān)測單元，在兩個(gè)CPU單元間設(shè)置了由4根數(shù)據(jù)線和2根控制線（一根數(shù)據(jù)有效線，一根數(shù)據(jù)反饋線）組成的并行傳輸接口。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，每次傳送4位有效地?cái)?shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，波形采集和分析單元讀取反饋控制線的狀態(tài)，如果反饋控制線未翻轉(zhuǎn)，表示前一次發(fā)送的數(shù)據(jù)還沒有被取走，不能傳輸數(shù)據(jù)；否則，波形采集和分析單元將4位數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上，并使數(shù)據(jù)有效控制線為高電平，同時(shí)使時(shí)鐘控制線出現(xiàn)一個(gè)上升沿。主監(jiān)測單元通過時(shí)鐘上升沿觸發(fā)讀取信號(hào)中斷并讀取數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)讀出后將反饋控制線狀態(tài)翻轉(zhuǎn)表示數(shù)據(jù)已經(jīng)取走。數(shù)據(jù)發(fā)送側(cè)監(jiān)測到反饋控制線的翻轉(zhuǎn)表示發(fā)送結(jié)束并可以開始下一次傳輸過程。

5 結(jié)束語

本文主要分析和設(shè)計(jì)了中壓真空斷路器的在線監(jiān)測系統(tǒng)。為了適應(yīng)不同用戶的監(jiān)測需求，提出了一種兼顧靈活性和可擴(kuò)展性的整體架構(gòu)。

文中對(duì)實(shí)現(xiàn)上述架構(gòu)中核心的電路設(shè)計(jì)和信號(hào)分析處理算法模型進(jìn)行了分析。根據(jù)本文研制的斷路器監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示；監(jiān)測系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。上述監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)廣泛使用的多種中壓真空斷路器中得到了應(yīng)用，其中包括VS1、VD4（ABB公司）、3AE（西門子公司）等。先后有多個(gè)大型工程中有批量的應(yīng)用，實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)踐表明本文提出的方案具有良好的技術(shù)性能。

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