孫偉業(yè)，林 勇，詹浩東，魯 飛，牛 晨

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

真空斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，其穩(wěn)定運(yùn)作對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)具有重大影響[1]。隨著真空斷路器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，部分器件不斷磨損，最終導(dǎo)致故障發(fā)生。其中，真空斷路器機(jī)械故障占全部故障的80%以上[2]，所以維修人員要對(duì)斷路器機(jī)械部位進(jìn)行檢修。傳統(tǒng)檢修方法采取人工定期檢修的方式，在規(guī)定時(shí)間對(duì)高壓斷路器進(jìn)行逐一排查，無論斷路器是否發(fā)生故障，都對(duì)斷路器進(jìn)行解體檢修，極大地浪費(fèi)人力物力財(cái)力并存在重裝后發(fā)生新故障的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

為了解決人工定期檢修存在的問題，結(jié)合真空斷路器常見故障成因[4]，系統(tǒng)采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)對(duì)斷路器關(guān)鍵機(jī)械部位進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。 利用多個(gè)傳感器分別檢測(cè)真空斷路器的位移、振動(dòng)、分合閘線圈電流和觸頭接觸壓力等信息，經(jīng)過相關(guān)算法處理后，采用4G通信技術(shù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，診斷系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷故障原因，給維修人員作為檢修依據(jù)。通過以上步驟，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓斷路器的實(shí)時(shí)狀態(tài)檢修。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

真空斷路器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為信號(hào)變送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，配合成熟的4G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。信號(hào)變送功能由多種傳感器實(shí)現(xiàn)，將傳感器固定在斷路器待監(jiān)測(cè)機(jī)械位置，測(cè)量斷路器原始物理信號(hào)，這些物理信號(hào)最終由傳感器轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào)。由于這些信號(hào)混疊噪聲干擾，系統(tǒng)采用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和隔離等處理，微處理器再對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)，并通過UART將處理后的被測(cè)量數(shù)據(jù)由4G通信傳輸發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端。 遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)收到傳送過來的數(shù)據(jù)，診斷系統(tǒng)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、計(jì)算和分析，最終判斷出真空斷路器故障部位[5]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括4個(gè)模塊電路：負(fù)責(zé)采集真空斷路器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳感器模塊及調(diào)理電路、接收與處理數(shù)據(jù)的微控制器模塊、負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G通信模塊和實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的上位機(jī)模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 信號(hào)采集電路

2.1.1 位移量采集

真空斷路器觸頭行程反映了斷路器觸頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)分合閘行程和分合閘時(shí)間，確定剛合、剛分點(diǎn)位置，再根據(jù)行程-時(shí)間特性波形，可以計(jì)算分合閘速度等機(jī)械特性參數(shù)。系統(tǒng)采用電阻式直線位移傳感器獲取位移量[6]，將傳感器直接安裝固定在動(dòng)靜觸頭運(yùn)動(dòng)方向上，由于拉桿伸出量改變了滑動(dòng)變阻器的阻值，輸出電壓也相應(yīng)變化。信號(hào)調(diào)理電路由LM324運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)電路隔離、提高帶負(fù)載能力和信號(hào)緩沖的作用。使用2個(gè)肖特基二極管于電壓輸出端，確保輸出電壓在0～3.3 V。位移量采集電路如圖3所示。

圖3 位移量采集電路

2.1.2 振動(dòng)信號(hào)采集

振動(dòng)信號(hào)由真空斷路器機(jī)械零部件相互作用產(chǎn)生的撞擊波混疊而成。當(dāng)某塊機(jī)械零部件發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)波形也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，真空斷路器機(jī)械部件的各沖擊與振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖的各沖擊相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)采用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，將加速度傳感器安裝于斷路器的底座，采用金屬固持膠粘合固定[7]，不會(huì)影響斷路器正常工作且不易受到電磁干擾影響。振動(dòng)信號(hào)采集電路與位移量采集電路基本相同。

2.1.3 分合閘線圈電流信號(hào)采集

分合閘線圈電流具有重復(fù)性，通過監(jiān)測(cè)分合閘線圈電流，可以計(jì)算得出操動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間、鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)間。經(jīng)診斷系統(tǒng)診斷，判斷操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、鐵心行程、線圈狀態(tài)等。系統(tǒng)采用補(bǔ)償式霍爾電流傳感器測(cè)量真空斷路器的分合閘線圈電流，分析分合閘線圈電流-時(shí)間波形。補(bǔ)償式霍爾電流傳感器測(cè)得分合閘線圈的電流后，選定合適的采樣電阻R0，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3.3 V的電壓信號(hào)U0，再經(jīng)過低通濾波電路去除噪聲，接入A/D轉(zhuǎn)換模塊引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。補(bǔ)償式霍爾電流傳感器連接圖如圖4所示，二階有源低通濾波組成的分合閘線圈電流采集電路如圖5所示。

圖4 補(bǔ)償式霍爾電流傳感器連接圖

圖5 分合閘線圈電流采集電路

2.1.4 合閘觸頭接觸壓力信號(hào)采集

合閘觸頭接觸壓力是指真空斷路器在合閘過程中觸頭在發(fā)生碰撞后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到壓緊這個(gè)過程中產(chǎn)生的壓力，通過分析合閘觸頭接觸壓力-時(shí)間曲線可以判斷斷路器在合閘過程中操動(dòng)機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。利用壓力傳感器測(cè)量合閘觸頭接觸壓力值，采用的壓力傳感器是全橋工作，為差分模擬量輸出，由于采集的壓力值信號(hào)微弱，采用2個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的方式對(duì)獲取信號(hào)進(jìn)行放大，配合電路中電阻和電容構(gòu)成有源低通濾波器，在對(duì)信號(hào)放大的同時(shí)兼顧濾波。合閘觸頭接觸壓力采集電路如圖6所示。

圖6 合閘觸頭接觸壓力采集電路

2.2 4G通信模塊

選用QUECTEL EC20 LTE作為4G通信模塊，其采用標(biāo)準(zhǔn)的Mini PCIe封裝，方便模塊更新?lián)Q代。同時(shí)支持LTE、UMTS和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，最大上行速率為50 Mbit/ s，最大下行速率為1 Gbit/ s，內(nèi)置TCP/ IP通信協(xié)議，通過AT指令集實(shí)現(xiàn)4 G全網(wǎng)通的各種功能[8]。4G模塊與STM32處理器通過UART相連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，4G模塊自帶的USB接口可實(shí)現(xiàn)模塊自身調(diào)試功能。此外，需要外接SIM卡才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)4G遠(yuǎn)程傳輸。4G傳輸電路如圖7所示。

圖7 4G傳輸電路

2.3 微處理器模塊

系統(tǒng)采用具有高精度、高集成度的 STM32F103VET6處理器，其核心是ARM Cortex- M3內(nèi)核，主頻可達(dá)72 MHz，具備低功耗、低成本、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。此外，STM32F103VET6還集成了512 KB的 Flash存儲(chǔ)器以及64 KB的高速靜態(tài) RAM，同時(shí)含有豐富的外設(shè)接口，如 SPI接口、同步通信數(shù)據(jù)接口UART、I2C接口等[9]。STM32微處理器通過I2C接口與鐵電存儲(chǔ)器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過 UART實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，但 EC20模塊的串口電平為1.8 V，而微處理器串口電平為3.3 V，則需在STM32F103VET6微處理器和EC20 4G通信模塊的串口之間增加電平轉(zhuǎn)換芯片TXS0108 EPWR。電平轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 電平轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，在 Keil uVision5軟件中用C語言進(jìn)行程序編寫，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序、4 G通信數(shù)據(jù)傳輸程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。系統(tǒng)上電后，相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，設(shè)置主機(jī) IP地址和端口號(hào)，進(jìn)入主程序后，根據(jù)設(shè)定的定時(shí)器初值，確定掃描周期，各傳感器開始上電自檢，待檢測(cè)到采樣數(shù)據(jù)之后，通過 A/ D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣處理。 STM32微處理器采用相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)設(shè)定內(nèi)部存儲(chǔ)器地址初值，調(diào)用讀寫子函數(shù)將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器。 數(shù)據(jù)全部傳送到存儲(chǔ)器后，通信模塊請(qǐng)求與上位機(jī)連接，連接成功后，通過4G網(wǎng)絡(luò)形式把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及故障診斷

在實(shí)驗(yàn)室搭建斷路器故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)，采用VS1型斷路器。VS1型斷路器的主要技術(shù)參數(shù)如下：分閘時(shí)間為≤60 ms，合閘時(shí)間≤100 ms，觸頭開合位移距離為(12±2) mm，合閘速度為0.4～0.8 m/s，分閘速度為0.7～1.2 m/s,觸頭接觸壓為(3 100±300)N。模擬斷路器常見故障缺陷進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，根據(jù)上位機(jī)所獲取數(shù)據(jù)，繪制系統(tǒng)測(cè)試曲線圖，如圖10～圖13所示。診斷系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)繪制的測(cè)試曲線圖，提取狀態(tài)點(diǎn)特征數(shù)據(jù)，并按照狀態(tài)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行排序，建立故障特征向量，與事先建立好的故障特征集做比對(duì)，最終得出故障原因[10]。

圖10(a)為真空斷路器分閘時(shí)位移-時(shí)間曲線，圖10(b)為合閘時(shí)位移-時(shí)間曲線。通過對(duì)合閘位移-時(shí)間曲線圖進(jìn)行分析，斷路器位移量約為11 mm，合閘時(shí)間約為35 ms，在行程-時(shí)間曲線上取觸頭最后運(yùn)動(dòng)6 mm的2個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，2點(diǎn)時(shí)間間隔為7.6 ms，合閘平均速度=路程/時(shí)間，計(jì)算合閘平均速度約為0.79 m/s。同理，計(jì)算出分閘平均速度約為1.16 m/s,2個(gè)速度都在斷路器正常運(yùn)行時(shí)分合閘運(yùn)行速度范圍之內(nèi)。診斷系統(tǒng)計(jì)算對(duì)比分析，斷路器位移特性正常。

(a)分閘

(b)合閘圖10 分合閘位移-時(shí)間曲線

圖11(a)為真空斷路器正常運(yùn)行時(shí)合閘加速度波形，一系列的撞擊波疊加形成整個(gè)完整波形，并且伴隨噪聲衰減，波形峰值對(duì)應(yīng)真空斷路器相應(yīng)動(dòng)作時(shí)的沖擊振動(dòng)。觀察圖11(b)合閘加速度波形，通過與正常運(yùn)行時(shí)波形相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在10 ms時(shí)刻波動(dòng)較弱。經(jīng)過診斷分析，由于斷路器鎖栓狀態(tài)不正常，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)內(nèi)嵌性能降低，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)力量不足，高壓斷路器產(chǎn)生誤動(dòng)。圖11(c)整體加速度偏小，診斷分析得知，由于斷路器軟連接夾片松動(dòng),導(dǎo)致觸頭接觸有很大磨損，最終使振動(dòng)幅度減小。圖11(d)整體加速度偏大，經(jīng)過診斷分析，由于斷路器螺絲松動(dòng)，導(dǎo)致斷路器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅度增大。

(a)

(b)

(c)

(d)圖11 合閘加速度曲線

圖12(a)為分閘電流-時(shí)間波形，實(shí)線為斷路器正常工作時(shí)波形，觀察故障1波形發(fā)現(xiàn)，斷路器分閘時(shí)間縮短，根據(jù)診斷分析，故障原因?yàn)榉珠l時(shí)鐵心空行程太大。 故障2曲線與正常運(yùn)行時(shí)曲線區(qū)別主要在于分閘時(shí)間延遲。經(jīng)診斷，由于鐵心卡澀最終導(dǎo)致分閘時(shí)間延長(zhǎng)。圖12(b)為合閘電流-時(shí)間曲線，線圈電流波形基本一致，合閘電流有高有低，故障1合閘電流較高，經(jīng)診斷，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)卡澀導(dǎo)致電流高于正常水平。故障2合閘電流較低，由于操作電壓過低最終導(dǎo)致線圈電流偏低[11]。

(a)分閘

(b)合閘圖12 分合閘電流-時(shí)間曲線

圖13(a)為真空斷路器正常運(yùn)行時(shí)合閘觸頭接觸壓力曲線，根據(jù)斷路器技術(shù)參數(shù)得知，正常運(yùn)行時(shí)觸頭接觸壓力為(3 100±300)N。而圖13(b)曲線顯示觸頭接觸最大壓力峰值不足2 700 N。診斷系統(tǒng)分析峰值特征點(diǎn)，判斷故障原因?yàn)樘嵘龣C(jī)構(gòu)卡澀導(dǎo)致觸頭壓力不足，上位機(jī)收到壓力不足報(bào)警信號(hào)。

(a)

(b)圖13 合閘觸頭接觸壓力-時(shí)間曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種真空斷路器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用多傳感器和4G通信技術(shù)對(duì)真空斷路器進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并利用診斷系統(tǒng)分析故障原因，判斷故障機(jī)械部位，工作人員根據(jù)故障部位進(jìn)行相應(yīng)維修，實(shí)現(xiàn)人工定期檢修到實(shí)時(shí)狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。真空斷路器發(fā)生故障的原因很多，本文采用4種傳感器對(duì)真空斷路器的觸頭位移、機(jī)械振動(dòng)、線圈電流及觸頭接觸壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來分析故障原因，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)可以拓展監(jiān)測(cè)對(duì)象，比如斷路器的真空度、開斷電流、觸頭溫度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器的全方位監(jiān)測(cè)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、故障分析準(zhǔn)確率高，對(duì)真空斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有應(yīng)用前景和參考價(jià)值。