高压断路器机械特性在线监测系统设计

耿飞 杨沛生

摘 要：本文分析了对高压断路器机械特性进行在线监测的必要性，给出了高压断路器机械特性在线监测系统的系统构成，并分析了机械特性在线监测系统各参量监测原理，以期为高压断路器机械特性在线监测系统的设计提供借鉴。

关键词：高压断路器;机械特性;在线监测系统

中图分类号：TM561文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0071-02

Abstract： This paper analyzed the necessity of on-line monitoring of the mechanical characteristics of high-voltage circuit breakers， and gave the system composition of the online monitoring system for the mechanical characteristics of high-voltage circuit breakers， and analyzed the principle of on-line monitoring system parameters， in order to provide reference for the design of on-line monitoring system for high-voltage circuit breakers.

Keywords： high voltage circuit breaker;mechanical characteristics;on-line monitoring system

断路器是电力系统中最主要的高压电器设备，其重要性不言而喻。为提高断路器运行的可靠性，需要对断路器进行必要的检查和维修。当前，采取的检修措施主要是“定期检修”，即按固定的时间周期对断路器进行停电检修。定期检修存在两方面不足：一是设备存在潜在的不安全因素时，因未到检修时间而导致不能及时排除隐患;二是设备状态良好，但到检修时间时必须对其进行检修，检修存在较大的盲目性。高压断路器机械特性在线监测系统能对断路器当前的机械状态进行实时监测，并对历史状态数据进行记录，可以对断路器的运行可靠性及控制可靠性进行评估，为“定期检修”向“状态检修”过渡提供支持。

1 高压断路器机械特性参量

高压断路器合闸过程中的机械特性参量包括合闸行程、合闸时间、合闸速度和合闸线圈电流峰值等。高压断路器分闸过程中的机械特性参量包括分闸行程、分闸时间、分闸速度和分闸线圈电流峰值等。对于采用弹簧操作机构的高压断路器，合闸完成后，储能电机开始运行，需要对储能电机的单次运行时间进行监测。

2 高压断路器机械特性在线监测系统构成

2.1 系统整体结构

高压断路器机械特性在线监测系统主要由位移传感器、合闸线圈电流传感器、分闸线圈电流传感器、储能电机电流传感器、断路器辅助触点、机械特性监测IED和人机界面等构成。各组成部分的关系如图1所示。

2.2 位移传感器

位移传感器主要用于对断路器合闸行程和分闸行程进行测量，可分为直线位移传感器和角度位移传感器。直线位移传感器一般安装在断路器触头拉杆上;角度位移传感器安装在与断路器触头运动相关的操作机构旋转轴上。按照输出信号的类型，位移传感器可分为模拟量输出型位移传感器和数字量输出型位移传感器。模拟量输出型位移传感器一般应用于离线式的机械特性仪。为了实现数据处理的便利性，机械特性在线监测系统一般采用数字量输出型的位移传感器，如增量式光电编码器[1]。

2.3 电流传感器

电流传感器包括合闸线圈电流传感器、分闸线圈电流传感器和储能电机电流传感器，分别用于对合闸线圈、分闸线圈、儲能电机的电流波形进行监测。目前，常用的电流传感器为采用霍尔原理的穿心式电流传感器，串联安装在断路器合闸回路、分闸回路和储能电机回路上。穿心式电流传感器可以在不破坏原来电气回路和增加原来电气回路复杂性的基础上实现电流采样，可将被测电流转换为0～5V信号供机械特性监测IED使用。

2.4 机械特性监测IED

机械特性监测IED是机械特性在线监测系统的运算核心，主要功能如下：①提供与位移传感器、电流传感器进行通信的接口并接收各传感器的监测数据;②通过内置于IED中的程序对各传感器的数据进行综合计算，并将计算结果保存在IED存储设备中;③将高压断路器最新一次的机械特性数据传输至人机界面中进行显示和告警。

2.5 人机界面

人机界面为显示机械特性在线监测系统数据的软件界面，用于显示高压断路器最新一次动作后的机械特性数据。变电站运行人员通过人机界面查看断路器机械特性数据是否正常，判断断路器是否存在机械故障。

3 机械特性在线监测系统各参量监测原理

3.1 合闸行程、分闸行程监测原理

对于采用直线位移传感器的机械特性在线监测系统，传感器测得的位移量即为断路器触头合闸行程、分闸行程。对于采用角度位移传感器的机械特性在线监测系统，需要在机械特性监测IED中编制计算程序，将角度位移传感器测量的旋转角度数据换算为断路器触头的直线行程数据。

3.2 合闸时间、分闸时间监测原理

合闸时间的计算起点为合闸线圈开始通电的时间，合闸时间的计算终点为断路器刚合点。分闸时间的计算起点为分闸线圈开始通电的时间，分闸时间的计算终点为断路器刚分点。合闸线圈或分闸线圈开始通电的时间可以通过相应的电流传感器进行监测。断路器刚合点、刚分点不能通过传感器直接进行监测，但可以通过位移传感器进行间接测量。以角度位移传感器为例，使用离线式机械特性仪同时采集角度位移传感器输出信号和断路器主回路接通（断开）信号，可确定断路器主回路接通（断开）时角度位移传感器对应的旋转角度，可在机械特性监测IED中将该角度定义为断路器的刚合点（刚分点）。

3.3 合闸速度、分闸速度测量原理

合闸（分闸）速度为高压断路器合闸（分闸）过程中触头在某一段行程中的平均速度。国家标准对该段行程的选择上没有明确的规定，由高压断路器生产厂家进行考虑。机械特性在线监测系统要实现合闸（分闸）速度的测量，就必须根据高压断路器生产厂家的建议，在机械特性监测IED中设定需要进行速度运算的行程区间。在断路器进行合闸（分闸）操作时，对这段行程区间进行计算，并运算出这段行程区间内的平均速度，即为合闸速度、分闸速度。

3.4 电流及储能时间测量原理

电流传感器可以对合闸线圈、分闸线圈、储能电机的完整电流波形进行监测，并由在线监测IED对电流波形进行计算后得出合闸线圈电流峰值、分闸线圈电流峰值、储能电机单次运行时间。

4 结语

为了提高智能断路器运行的安全可靠性，本文设计了一款高压断路器机械特性在线监测系统，以期为相关学者的研究提供借鉴。

参考文献：

[1]姜义.光电编码器的原理与应用[J].传感器世界，2010（2）：16-19.