隔离开关触头位置的实时在线检测装置

方旭光，刘乃杰，陈文通，王翊之，沈建平，张 健

(1.浙江省金华电业局，浙江 金华 321001;2.四川华雁信息产业股份有限公司，成都 610061)

电力系统中电气设备分为运行、冷备用、热备用和检修4种状态，将设备由一种状态转变为另一种状态的过程叫倒闸，所进行的操作叫倒闸操作。通过操作隔离开关、断路器以及挂、拆接地线可将电气设备从一种状态转换为另一种状态或使系统改变运行方式［1－2］。在调度操作中，尤其是倒闸操作对隔离开关动作即触头位置的精确掌握是十分重要的。以往在变电站值班人工进行操作时，操作人员就站在隔离开关附近，可以直接观察隔离开关开拉后主触头的实际动作情况，以确定是否“分”、“合”到位。但是现在在调度台遥控电动操作后，由于操作人员是远在百里之外操作遥控，无法观测现场动作后的闸刀刀片实际的“分”、“合”状况，这给系统运行和安全生产带来很大隐患。因此，设计隔离开关，实现电气安全隔离，在线测定电动遥控闸刀操作后的高压动触头的位置尤为重要。本文采用激光感应技术设计了隔离开关触头位置的检测装置，以实现实时在线监测隔离开关位置状态。

1 设计依据

项目设计的依据:根据国家电网公司企业标准Q/GDW 393－2009，110～220～500 kV(智能变电站设计规范)第5.1.2智能终端配置原则，对于母线间隔，智能终端负责该段母线上所有刀闸信息采集和智能控制［3］。

智能变电站单元的智能终端设备由智能组件等构成，由智能组件实现对隔离开关等一次设备的位置信息采集。本装置中，采用由激光感测元件组成的智能组件实现对隔离开关状态的信息采集。

智能组件设计中，一个智能组件隶属于一个断路器间隔，包括断路器及其相关的隔离开关、接地开关、快速接地开关等。本项目重点是解决敞开式AIS隔离开关设备智能化组件改造中的技术问题。

2 激光感应器件的物理原理

激光型光电开关利用被检测物体对红外激光束的遮档或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，被检物体不限于金属，能反射光线的物体均可检测，如图1所示。根据检测方式的不同，激光型光电开关可分为漫反射式光电开关和镜反射式光电开关［4］。本项目中使用的镜反射式光电开关集发射器与接收器于一体，光电开关发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就发生了检测开关信号。光电开关具有不同的形式:npn二线，npn三线，AC二线，AC五线(自带继电器)。

图1 偏振反射式激光位置检测原理示意图Fig.1 Schematic of moving contact position monitoring with laser polarizing mirror

传统的高压隔离开关判断刀闸的开、闭状态采用的方法是:在控制刀闸“分”、“合”的操作机构转轴上安装辅助开关［5－6］，当操作机械动作时，带动隔离开关转轴进行转动，从而改变辅助开关的状态，并利用该状态对刀闸的开合状态进行间接判断。这只是通过对二次侧(低压侧)的检测，并没有反映出隔离开关一次侧(高压侧)的实际“分”、“合”状态。这种检测方法在现场运行中仍然存在着极大的安全风险。

本方案由激光传感器来实现对隔离开关一次侧的监测，是一个水平运动型高压隔离开关的激光感应检测装置，如图2所示。对隔离开关状态的监测，主要是针对隔离开关的动触头位置进行监测。针对U、V、W三相的动触头处于闭合位置和全分开位置，共需要12个激光发射感应器和12只激光反射镜(板)。激光反射镜固定安装在隔离开关的动触头上，激光发射感应器固定安装在动触头下方的地面或支架上。

1)针对隔离开关全开或闭合的监测方法是:当动触头处于闭合位置时，承担闭合检测激光发射感应器发出的光线线束刚好能经由动触头上的反射镜面反射后到达对应闭合位置的激光感应器光敏面，激光感应器接收到激光信号，便输出一个相应的特征电信号;当动触头转动离开闭合位置时，由于承担闭合位检测的激光反射镜也会随着开关臂转动而改变位置，无法再将激光发射感应器的激光线束反射回其激光感应器光敏面上，此时，激光发射感应器接收不到激光光束，便相应输出一个低电平信号。

2)对隔离开关全开的监测方法是:当动触头处于全分开位置时，承担全开检测的激光发射感应器发出的激光线束刚好能经由动触头上的反射镜反射后到达对应的全开位置激光感应器，激光感应器接收到激光信号，便输出一个高电平信号;当动触头转动离开全分开位置时，由于承担全开位置检测的激光反射镜也会随着动触头转动而改变位置，无法再将激光线束发射至激光感应器上，此时，激光感应器接收不到激光信号，便相应输出一个低电平信号。

利用上述方法，可以精准监测动触头是否处于闭合或全分开位置。

图2 水平运动型高压隔离开关状态远程监测装置示意图Fig.2 System structure of Laser sensing monitoring device for Horizental moving isolating switch

3 装置的工程设计

本方案系统框架原理如图3所示。

图3 激光感应模块系统原理图Fig.3 Laser Sensing System Diagram

激光感应器用于接收从激光反射镜发射回来的激光光束，并根据是否接受到激光线束而输出一个开关量信号给逻辑判断模块;激光发射镜安装在隔离开关的动触头上，用于将激光光束发射到激光感应器上，由感应器将信号再输出［7］。

逻辑判断模块接收所有激光感应器输出的开关量信号，同时接收隔离开关二次电路输出的状态信号，并将这些开关量信号和状态信号通过宽带网络通讯模块发送到后端服务器。逻辑判断模块还通过串口连接摄像模块，当隔离开关状态发生变化时，通过串口触发摄像模块将隔离开关的图像信号发送到后台服务器。

摄像监视模块安装在隔离开关附近，用于摄取隔离开关的实时图像，当接收到逻辑判断模块发来的触发信号时，实时摄取隔离开关的图像，并通过百兆网络设备发送到后端服务器。

宽带网络通讯模块通过百兆网线与控制中心建立起隔离开关状态逻辑判断模块、摄像模块和后端服务器的连接。

后端服务器接收所有隔离开关开合状态信息，摄像模块的前端图像，并以图形显示的方式显示在屏幕上。

4 技术指标及现场实施情况

1)激光反射传输距离≥25 m。

2)激光监测路数:U、V、W三相前后位置12路。

3)智能同步判定时间≤3 s。

4)通讯接口:符合IEC61850标准，网络标准RJ－45网口。

5)精度:±2 mm。

6)准确度:99.99%。

7)室内外终端工作温度:－10～70℃(海拔1000 m)。

在浙江省金华电力公司220 kV华金变电站110 kV的隔离开关现场激光监测台上，安装了摄像头对其实施监测，智能化视频处理后，送到逻辑系统进行综合分析，作出对隔离开关位置状态的判断，再将得到的结果传输到调度中心，如图4所示。这样就实现了调度人员对隔离开关的实时在线监测和及时处理异常情况，保障了系统运行安全。

5 结语

图4 激光反光板安装位置示意图Fig.4 Field installed Laser reflector

该检测装置运用激光感应技术通过对一次侧(高压侧)的位置检测，实现了精准监测动触头的“分”、“合”状态，等同值班人员在现场实际观测的效果，降低了运行人员劳动强度，提高了电力设备操作运行的可靠性。而且还具有安全、可靠、准确简便的特点。

［1］ 李红蕾，戚伟，陈昌伟.智能电网模式下的配网调控一体化研究［J］.管理视界，2010(5):90－93.LI Honglei，QI Wei，CHEN Changwei.Study on distribution network regulation and control integration under smart grid mode［J］.Management World，2010(5):90 －93.

［2］ 李翔.南方电网调控一体化运行管理模式［D］.北京:华北电力大学，2013.6.LI Xiang.Operational management study of integrated dispatching and control systems of Southern Power Grid［D］.Beijing:NCEPU，2013.6.

［3］ 110(66)～220 kV智能变电站设计规范［S］.国家电网公司企业标准 Q/GDW 393—2009.2010.

［4］ 鲍丙豪.传感器手册［M］.北京:化学工业出版社，2008.BAO Binghao.Manual of sensors［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2008.

［5］ 张涛.高压隔离开关安装与检修［M］.北京:中国电力出版社，2012.ZHANG Tao.Installation and maintenance of HV disconnecting switch［M］.Beijing:China Electric Power Press，2012.

［6］ 苑舜，崔文军.高压隔离开支关设计与改造［M］.北京:中国电力出版社，2004.YUAN Shun，CUI Wenjun.Design and transformation of HV disconnecting switch［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004.

［7］ 张京伦.一种动触头位置检测的动触头垂直运动型高压隔离开关:ZL201110167442.1［P］.2013.ZHANG Jinglun.A vertical moving contact HV disconnecting switch detecting the position of moving contact:ZL201110167442.1［P］.2013.