國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司 李禎維 吳建軍 李家俊 湖北民族大學信息工程學院 楊 澤 鐘建偉

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最核心最關鍵的開關設備，其運檢維修工作量在變電站設備維護工作中占很大一部分[1]。但高壓斷路器在其服役期間的動作次數(shù)隨著電壓等級的升高而降低，其允許短路開斷的次數(shù)也隨著電壓等級的升高以及開斷電流的升高而減少。但部分斷路器因為其的特殊的應用位置，其動作次數(shù)要遠高于其他斷路器，如變電站中10kV 補償柜中的電容器投切斷路器。相對頻繁的動作對其機械結構的可靠性提出了更高的要求。為了提升斷路器的可靠性、提前發(fā)現(xiàn)其機械性能缺陷、有針對性地進行檢修、減少不必要的檢修對性能的影響，可以通過設計在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺對其進行長期監(jiān)測和實時診斷[2-3]。

智能斷路器具備一定的自我監(jiān)測能力，但目前智能斷路器的故障診斷技術還未完全成熟。斷路器結構種類多，各廠商有所出入，其監(jiān)測項目也不統(tǒng)一，因此智能斷路器并未得到大規(guī)模的推廣使用。目前電網(wǎng)在使用的絕大多數(shù)斷路器還是傳統(tǒng)斷路器，不具備性能的監(jiān)測能力，因此設計一款在線監(jiān)測系統(tǒng)對其進行智能化改造，在不影響性能的前提下對其狀態(tài)進行掌握十分重要。但平臺設計中還存在以下諸多問題值得注意。

1 監(jiān)測系統(tǒng)平臺總體設計

斷路器的監(jiān)測場景主要可分為以下三類：（1）在實驗室環(huán)境下進行動作試驗，探究不同機械結構斷路器的動作信號特性，進行故障模擬實驗以選用最為合適的故障診斷算法。（2）斷路器的常規(guī)檢修測試，將斷路器從開關柜中抽出，退出運行狀態(tài)后進行定期檢測。（3）將在線監(jiān)測裝置安裝于斷路器內(nèi)部，在其正常工作時進行長期監(jiān)測。根據(jù)應用場景需求不同，因此監(jiān)測系統(tǒng)平臺的整體設計也有所差異，應按需選擇。

在線監(jiān)測系統(tǒng)的平臺結構大概可以歸納為如圖1所示兩種方案。其中方案a 對監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計要求較低，僅需設計制造相應的信號調(diào)理裝置，將傳感器采集到的信號調(diào)理至數(shù)據(jù)采集裝置可以接受的水平。數(shù)據(jù)采集設備可采用數(shù)據(jù)采集卡這樣的現(xiàn)有產(chǎn)品，以PC 作為上位機，驅(qū)動控制數(shù)據(jù)采集設備即可。對比方案b，這種架構實際上由上位機分擔實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等功能。然后上位機根據(jù)分析到的數(shù)據(jù)特征，采用合適的故障診斷算法，即可實現(xiàn)斷路器的在線監(jiān)測與故障診斷功能。這種方案硬件平臺搭建容易，硬件環(huán)境要求低，可以將更多的精力用于信號分析、信號處理、診斷算法等方面，適用于上述前兩種應用場景。但這種方案不適用于對斷路器正常工作的長期監(jiān)測。

圖1 平臺總體設計方案

方案b 與方案a 功能相同，三種應用場景都可以適應，設計在線監(jiān)測裝置下位機單片機系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的集成化程度，使下位機裝置同時具備傳感器驅(qū)動、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)的采集處理等功能。系統(tǒng)整體結構更為簡單，但其對于軟硬件的設計要求較高。由于要對斷路器正常工作的狀態(tài)進行監(jiān)測，下位機裝置需安裝至開關柜內(nèi)，斷路器導通高壓強電，電磁環(huán)境復雜，因此在硬件抗干擾能力方面提出了更高的要求，增加了設計難度。且裝置應具有從開關柜內(nèi)取電的能力。在裝置投入實用前應進行嚴格的測試與認證，以滿足法律法規(guī)以及行規(guī)標準要求，但研發(fā)成本較高，因此需根據(jù)實際需求選擇不同的平臺總體設計方案。

2 監(jiān)測項目設計

為了有效判斷斷路器機械性能狀態(tài)，能夠通過監(jiān)測的物理量變化準確做出故障診斷，需要確定好平臺的監(jiān)測項目。通常主要通過監(jiān)測操控回路的電流或電壓信號、斷路器動作時產(chǎn)生的振動信號、以及動觸頭行程—時間信號曲線來判斷是否存在機械故障。同時還可對斷路器溫濕度、機械位置開關狀態(tài)等項目進行輔助監(jiān)測。通常監(jiān)測某一特定信號就可以判斷出數(shù)種故障類型，深入研究某特定信號特征的科研成果較多。但為了能夠?qū)嗦菲骺赡苡龅降墓收项愋妥龅奖M可能的全面覆蓋，應當靈活組合選用各檢測項目進行綜合診斷。在線監(jiān)測平臺在進行下面各項監(jiān)測的過程中，還存在各種問題需要注意。

2.1 操控回路的電流電壓監(jiān)測

不同的斷路器內(nèi)部結構不同，可能存在不同的操控回路。但以最為常見的彈簧儲能機構斷路器為例，其操控回路通常有分閘線圈回路、合閘線圈回路、合閘閉鎖線圈回路、儲能電機回路。通過對各操控回路動作的電流電壓進行監(jiān)測，繪制出其信號的變化曲線，可分析出多種故障，如線圈短路或斷路、過壓或低壓操作、線圈鐵心卡澀、脫扣器卡死等故障[4-7]。在設計監(jiān)測項目，選用合適傳感器時，應注意斷路器的操作回路用電類型、電流電壓等級及傳感器的安裝位置。斷路器操作回路從開關柜內(nèi)取電，可能直接取用站內(nèi)110V 或220V 直流電，也可能取用交流電，然后在斷路器內(nèi)部通過整流轉(zhuǎn)換為直流電。在監(jiān)測時應明確傳感器的安裝位置對應的用電類型。

同時在平臺設計時，該監(jiān)測項目還有一個問題容易忽略。通常為了不影響斷路器操控回路原有的線路結構，許多方案采用穿孔式霍爾傳感器進行監(jiān)測。然而該類型傳感器存在一個問題不易被發(fā)現(xiàn)，即其響應時間較長。其常見的響應時間在幾十至二三百微秒。斷路器在動作時有著極高的操作時間要求。如分閘時要求快速動作，分閘線圈的通電時間僅僅幾十微秒，在此期間準確測量回路電流電壓并記錄其變化曲線對傳感器技術要求很高。在設計時應給予充分考慮，選用符合要求的傳感器。

2.2 振動信號監(jiān)測

在斷路器分閘時，儲能機構儲存的大量能量瞬間釋放，使動觸頭快速分閘，這一過程會帶來較大的振動。通過對振動信號的分析亦可診斷出多種故障[8-10]。但該項目監(jiān)測時，對振動信號的采集技術要求較高。有的振動傳感器適用于采集持續(xù)的振動信號，有的傳感器適用于采集沖擊振動信號，在傳感器選型時應注意選用后者，否則無法在極短時間內(nèi)完整有效的采集振動信號。同時，振動信號隨時可能產(chǎn)生，且在極短時間內(nèi)出現(xiàn)并消失，需把握好下位機系統(tǒng)的采集策略。振動信號的采集時間在斷路器長期的工作時間中幾乎可以忽略不計，為了不進行持續(xù)監(jiān)測加重下位機裝置的負擔，該項目的監(jiān)測最好配合其他項目進行。如與分閘線圈信號配合，當分閘線圈通電時才啟動振動信號的采集。極短時間采集記錄大量的振動數(shù)據(jù)，對下位機的裝置的數(shù)據(jù)處理能力也提出了很高的要求。

振動傳感器分為：壓電式、壓阻式、電容式、電感式、光電式等，目前最常用的是IEPE 壓電式振動傳感器。這種傳感器需采用恒流供電驅(qū)動，驅(qū)動電流在4～20mA。并且輸出信號疊加在供電線上，這為下位機裝置的設計帶來了困難。因此在該監(jiān)測項目設計時就需考慮到，系統(tǒng)應具有驅(qū)動IEPE 振動傳感器，并有效調(diào)理出其振動輸出信號的能力。

2.3 動觸頭行程監(jiān)測

分閘時機械機構整體動作情況的最終結果就是斷路器動觸頭的運動。通過監(jiān)測斷路器動觸頭的運動情況，繪制出動觸頭的行程—時間曲線，對曲線進行分析，可以反映出其機械性能狀態(tài)。利用智能算法對故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)進行分析，可以有效識別出斷路器的機械故障。動觸頭運動軌跡為直線，采集其信號最直接的方式就是在其同軸線的直線傳動機構上安裝直線傳感器進行測量。但斷路器內(nèi)部結構緊湊，且有極高的絕緣防護要求，通常直線傳感器無法安裝。因此可以安裝傳感器測量其他位置的傳動機構動作變化，間接反應出動觸頭的運動情況。不同機械結構的斷路器可選取的測量位置不同，依然以彈簧儲能機構斷路器為例，可以監(jiān)測其傳動主軸的轉(zhuǎn)動情況[11]。

在主軸末端安裝角度傳感器以實現(xiàn)該項監(jiān)測項目。角度傳感器需要使用過渡接頭與主軸連接。在前文提到的前兩種監(jiān)測場景下，對傳感器的安裝要求較低，因為斷路器抽出開關柜進行測試，角速度傳感器加過渡接頭可以伸出斷路器外部殼體，完成測量即可。但在第三種場景下，角度傳感器的安裝不可影響斷路器在開關柜內(nèi)的正常工作，因此必須置于斷路器內(nèi)部，在設計監(jiān)測系統(tǒng)項目時應加以考慮。

3 在線監(jiān)測裝置的可靠性

在搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺進行對正常工作時的斷路器進行監(jiān)測，還需要考慮下位機裝置的實際使用情況和工作環(huán)境。其需要長期對裝置進行監(jiān)測，因此在進行下位機硬件設計時需考慮到其長期工作的穩(wěn)定性，排除影響穩(wěn)定性的不良因素。例如，在斷路器未動作時，下位機需要保持監(jiān)測的項目很少，功耗較低。若供電模塊的能量轉(zhuǎn)化效率較低，此時會產(chǎn)生持續(xù)發(fā)熱，降低裝置穩(wěn)定性。需選用空載功耗低、效率高的電源。

下位機裝置在開關柜內(nèi)工作，其所處位置電磁環(huán)境復雜，因此設計時需考慮足夠的隔離防護措施。其對外接口，如電源接口、通訊接口、傳感器接口，均需進行額外的加強設計以提升裝置的抗干擾能力與自我防護能力，保障裝置的安全穩(wěn)定運行。

4 總結

在搭建在線監(jiān)測平臺對高壓真空斷路器的機械性能進行監(jiān)測及故障診斷時，平臺搭建本身面臨著以上提到的許多問題。因此相關領域的研究不僅局限于監(jiān)測信號的特征和故障診斷的算法，還需不斷改進設計方案，使得方案更適用于投入生產(chǎn)實踐。提升平臺的實用性有利于推動相關領域理論研究的落地與推廣。