高压开关设备运行状态在线监测装置的设计与实现

苏 涛，梁 凯，李 强，张金波

（1.国网河南省电力公司商丘供电公司，河南 商丘476000；2.河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022）

1 引言

GIS高压隔离开关在电力系统运行中起到切换线路及保护作用，要求必须有足够的开断距离，其操作性能对电网运行稳定性和供电可靠性有很大影响[1-2]。为了减小体积，目前使用SF6气体进行电气绝缘，然而由于GIS隔离开关在生产、加工和安装等方面可能存在疏漏，慢慢会使SF6气体发生泄漏[3-8]，将会导致GIS内部绝缘故障。为此，提出了一种GIS高压隔离开关运行状态在线监测装置。该装置通过监测隔离开关操作机构驱动电机电流情况，间接获得电机输出的扭矩，通过角位移传感器获得机构所处位置，从而判断隔离开关操作机构运行状况。通过SF6气体泄漏检测传感器，实时监测GIS设备SF6气体泄漏情况，保障隔离开关安全运行。

2 技术现状

现阶段各GIS厂家对隔离开关的动作状态判定依靠的是一种间接判断，即通过操作机构指示针或指示灯判断刀闸是否运动到位，而不能直接观察到操作机构动作的具体情况。在判定过程中，隔离开关操作机构转动和传动部件材质的不良将直接导致误判，甚至可能导致严重的电力安全事故。大多数指示牌装设在机构箱内部，安装难度大；而对于安装位置较高的情况，更增加了位置观察难度，当合闸指示牌发生倾斜便难以区分操作机构是否到位[9-11]。如图1所示为隔离开关采用指示针标定动作状态的实例。

图1 采用指示针标定动作状态

3 工作原理

针对传统式设计的不足，在新设计中采用电流分析法对GIS隔离开关操动机构状态信息进行监测，利用角位移传感器对隔离开关操作机构位置进行判断，最终利用激光原理和双光束技术对SF6气体泄漏进行监测。

1)电流分析法

采用电流分析法对GIS隔离开关操动机构状态信息进行监测，需要用到如下公式：

其中，T为电机转矩；KT为比例系数；φm为气隙磁通；I为电机电流。

设计采用20A:1A电流互感器对电机线圈电流进行监测，获得电流-时间曲线，并绘制+5%包络线，如图2所示。根据电流-时间曲线及其包络线可判断隔离开关操作机构是否存在卡涩、断杆、刀口不到位等故障。

图2 电机线圈电流-时间曲线及包络图

2)角位移传感器

隔离开关操作机构通常是旋转运动，通过电机的旋转角度可以获得操作机构的旋转角度。通过角位移传感器采集的数据可准确地判断出隔离开关所处位置是隔离位、接地位还是中间位

3)激光双光束技术

GIS隔离开关为了减小体积，采用SF6气体进行绝缘。对于SF6气体缓慢泄漏现象，如果不能及时发现，泄漏达到一定的浓度值时，会减少隔离开关绝缘特性，对进入该环境的检修人员的人身安全与健康构成风险。目前SF6气体泄漏检测有紫外线电离、高频振荡无极电离、电子捕获和铂丝热电子发射及负电晕放电等方法，但上述方法需要定期进行校准，耗费人力物力较多。新设计中提出一种基于激光原理和双光束技术的方法，利用红外光谱吸收原理，对SF6气体泄漏进行精确测量。SF6气体泄漏检测原理如图3所示。

图3 激光双光束技术检测示意图

输入光强度IIN、输出光强度IOUT和气体浓度之间的关系为:

式中：αm为摩尔分子吸收系数；C为待测气体浓度；L为光源到探测器的距离。又有：

将上述两式取对数运算得:

式中ln(Imin/Irin)是定值,因此通过测量Imout和Irout，即可得到待测气体浓度。

4 硬件设计

GIS高压隔离开关运行状态在线监测装置通过12位高速数模转换芯片AD7490采集电流信号，其原理框图如图4所示。

图4 整体原理框图

电流采集电路采用12位AD芯片AD7490，其采用频率为1M。为保证芯片采样与实际隔离开关动作的同步性，使用微处理器控制AD7490片选信号CS，在机构动作时，可以瞬间打开AD7490进行数据采集。为保证数据采集的稳定性，采用AD780芯片为AD7490芯片提供一个稳定的5 V基准电压，保证采样基准电压不会波动。由于电流互感器二次侧输出为交流电流信号，为此需要通过整流滤波及采样电阻将交流电流信号转换为直流电压信号，且二者之间存在一一对应关系，满足AD芯片采集的要求。SF6气体传感器系统硬件结构图如图5所示。经过微处理器的处理运算，可最终换算出气体浓度值。

图5 SF6气体传感器硬件结构框图

为保证在线监测装置接收隔离开关动作信号与数据采集的同步性，隔离开关分合闸控制命令由中间继电器输出端直接与光耦电路输入端连接。当隔离开关进行分合闸操作时，光电隔离电路会同步给微处理器发送同步低电平信号，此时微处理器开始采集电流及角位移信息。由于隔离开关不同厂商分合闸输出接点不同，为了使在线监测装置能适应不同厂家不同接点方式，在设计中采用短路帽进行选择接点是常闭触点还是常开触点。光耦隔离电路如图6所示。通过短路帽短接电阻R1或者R2，从而现实一个装置适应多种隔离开关信号输入。

图6 光耦隔离电路

5 软件设计

在线监测装置软件设计流程图如图7所示，通过对光耦信号实时检测分合闸命令，检测到分合闸命令，即接地位→隔离位信号或者隔离位→接地位信号输入时，同步进行AD采集，通过对电流信号及角位移信号进行数据采集，将电流-时间曲线和角位移-时间曲线均绘制在显示屏上，同时将数据存储在本机SD卡中，方便历史查询。在线监测装置还可实时监测SF6气体浓度，所有数据可通过有线或无线方式发送到后台监控中心。

图7 程序设计流程图

6 实验结果分析

首先对SF6气体泄漏测量精度进行标定试验。采用测量标准浓度气体的方法，温度变化对传感器影响很小。六氟化硫测量范围为0～1500ppm，精度为±50ppm。将GIS高压隔离开关运行状态在线监测装置安装在某供电公司220 kV高压隔离开关上进行了实际测试，测试结果如图8所示。

图8 电流-时间及角位移-时间关系实测曲线

图中深色曲线为电机电流的包络线，为高压隔离开关在第一次投运时，使用本装置采集电流信号的+5%绘制的电流-时间曲线。若电流-时间曲线偏离且高于初始电流-时间曲线,则表明隔离开关机构存在卡涩现象，通过行程-时间曲线可判断大致机构卡涩的位置；若曲线消失，说明存在线圈断线现象；若曲线右移，表明运动时间加长会导致速度降低。当出现故障时，装置将进行故障报警。

7 结束语

按照本设计制造的GIS高压隔离开关运行状态在线监测装置，已经在某供电公司220kV隔离开关上投入使用使用，当GIS高压隔离开关出现机械故障及SF6气体泄漏时，能够通过通信模块发送到后台监控中心进行故障报警。本装置可实现高压隔离开关故障提前预警，对保障供电安全具有重要的意义，节省大量人力物力。