10kV真空断路器在线监测系统平台设计相关问题

国网湖北省电力有限公司恩施供电公司 李祯维 吴建军 李家俊 湖北民族大学信息工程学院 杨 泽 钟建伟

高压断路器是电力系统中最核心最关键的开关设备，其运检维修工作量在变电站设备维护工作中占很大一部分[1]。但高压断路器在其服役期间的动作次数随着电压等级的升高而降低，其允许短路开断的次数也随着电压等级的升高以及开断电流的升高而减少。但部分断路器因为其的特殊的应用位置，其动作次数要远高于其他断路器，如变电站中10kV 补偿柜中的电容器投切断路器。相对频繁的动作对其机械结构的可靠性提出了更高的要求。为了提升断路器的可靠性、提前发现其机械性能缺陷、有针对性地进行检修、减少不必要的检修对性能的影响，可以通过设计在线监测系统平台对其进行长期监测和实时诊断[2-3]。

智能断路器具备一定的自我监测能力，但目前智能断路器的故障诊断技术还未完全成熟。断路器结构种类多，各厂商有所出入，其监测项目也不统一，因此智能断路器并未得到大规模的推广使用。目前电网在使用的绝大多数断路器还是传统断路器，不具备性能的监测能力，因此设计一款在线监测系统对其进行智能化改造，在不影响性能的前提下对其状态进行掌握十分重要。但平台设计中还存在以下诸多问题值得注意。

1 监测系统平台总体设计

断路器的监测场景主要可分为以下三类：（1）在实验室环境下进行动作试验，探究不同机械结构断路器的动作信号特性，进行故障模拟实验以选用最为合适的故障诊断算法。（2）断路器的常规检修测试，将断路器从开关柜中抽出，退出运行状态后进行定期检测。（3）将在线监测装置安装于断路器内部，在其正常工作时进行长期监测。根据应用场景需求不同，因此监测系统平台的整体设计也有所差异，应按需选择。

在线监测系统的平台结构大概可以归纳为如图1所示两种方案。其中方案a 对监测系统的硬件设计要求较低，仅需设计制造相应的信号调理装置，将传感器采集到的信号调理至数据采集装置可以接受的水平。数据采集设备可采用数据采集卡这样的现有产品，以PC 作为上位机，驱动控制数据采集设备即可。对比方案b，这种架构实际上由上位机分担实现了数据存储、数据处理等功能。然后上位机根据分析到的数据特征，采用合适的故障诊断算法，即可实现断路器的在线监测与故障诊断功能。这种方案硬件平台搭建容易，硬件环境要求低，可以将更多的精力用于信号分析、信号处理、诊断算法等方面，适用于上述前两种应用场景。但这种方案不适用于对断路器正常工作的长期监测。

图1 平台总体设计方案

方案b 与方案a 功能相同，三种应用场景都可以适应，设计在线监测装置下位机单片机系统，提高系统的集成化程度，使下位机装置同时具备传感器驱动、信号调理、数据的采集处理等功能。系统整体结构更为简单，但其对于软硬件的设计要求较高。由于要对断路器正常工作的状态进行监测，下位机装置需安装至开关柜内，断路器导通高压强电，电磁环境复杂，因此在硬件抗干扰能力方面提出了更高的要求，增加了设计难度。且装置应具有从开关柜内取电的能力。在装置投入实用前应进行严格的测试与认证，以满足法律法规以及行规标准要求，但研发成本较高，因此需根据实际需求选择不同的平台总体设计方案。

2 监测项目设计

为了有效判断断路器机械性能状态，能够通过监测的物理量变化准确做出故障诊断，需要确定好平台的监测项目。通常主要通过监测操控回路的电流或电压信号、断路器动作时产生的振动信号、以及动触头行程—时间信号曲线来判断是否存在机械故障。同时还可对断路器温湿度、机械位置开关状态等项目进行辅助监测。通常监测某一特定信号就可以判断出数种故障类型，深入研究某特定信号特征的科研成果较多。但为了能够对断路器可能遇到的故障类型做到尽可能的全面覆盖，应当灵活组合选用各检测项目进行综合诊断。在线监测平台在进行下面各项监测的过程中，还存在各种问题需要注意。

2.1 操控回路的电流电压监测

不同的断路器内部结构不同，可能存在不同的操控回路。但以最为常见的弹簧储能机构断路器为例，其操控回路通常有分闸线圈回路、合闸线圈回路、合闸闭锁线圈回路、储能电机回路。通过对各操控回路动作的电流电压进行监测，绘制出其信号的变化曲线，可分析出多种故障，如线圈短路或断路、过压或低压操作、线圈铁心卡涩、脱扣器卡死等故障[4-7]。在设计监测项目，选用合适传感器时，应注意断路器的操作回路用电类型、电流电压等级及传感器的安装位置。断路器操作回路从开关柜内取电，可能直接取用站内110V 或220V 直流电，也可能取用交流电，然后在断路器内部通过整流转换为直流电。在监测时应明确传感器的安装位置对应的用电类型。

同时在平台设计时，该监测项目还有一个问题容易忽略。通常为了不影响断路器操控回路原有的线路结构，许多方案采用穿孔式霍尔传感器进行监测。然而该类型传感器存在一个问题不易被发现，即其响应时间较长。其常见的响应时间在几十至二三百微秒。断路器在动作时有着极高的操作时间要求。如分闸时要求快速动作，分闸线圈的通电时间仅仅几十微秒，在此期间准确测量回路电流电压并记录其变化曲线对传感器技术要求很高。在设计时应给予充分考虑，选用符合要求的传感器。

2.2 振动信号监测

在断路器分闸时，储能机构储存的大量能量瞬间释放，使动触头快速分闸，这一过程会带来较大的振动。通过对振动信号的分析亦可诊断出多种故障[8-10]。但该项目监测时，对振动信号的采集技术要求较高。有的振动传感器适用于采集持续的振动信号，有的传感器适用于采集冲击振动信号，在传感器选型时应注意选用后者，否则无法在极短时间内完整有效的采集振动信号。同时，振动信号随时可能产生，且在极短时间内出现并消失，需把握好下位机系统的采集策略。振动信号的采集时间在断路器长期的工作时间中几乎可以忽略不计，为了不进行持续监测加重下位机装置的负担，该项目的监测最好配合其他项目进行。如与分闸线圈信号配合，当分闸线圈通电时才启动振动信号的采集。极短时间采集记录大量的振动数据，对下位机的装置的数据处理能力也提出了很高的要求。

振动传感器分为：压电式、压阻式、电容式、电感式、光电式等，目前最常用的是IEPE 压电式振动传感器。这种传感器需采用恒流供电驱动，驱动电流在4～20mA。并且输出信号叠加在供电线上，这为下位机装置的设计带来了困难。因此在该监测项目设计时就需考虑到，系统应具有驱动IEPE 振动传感器，并有效调理出其振动输出信号的能力。

2.3 动触头行程监测

分闸时机械机构整体动作情况的最终结果就是断路器动触头的运动。通过监测断路器动触头的运动情况，绘制出动触头的行程—时间曲线，对曲线进行分析，可以反映出其机械性能状态。利用智能算法对故障数据和正常数据进行分析，可以有效识别出断路器的机械故障。动触头运动轨迹为直线，采集其信号最直接的方式就是在其同轴线的直线传动机构上安装直线传感器进行测量。但断路器内部结构紧凑，且有极高的绝缘防护要求，通常直线传感器无法安装。因此可以安装传感器测量其他位置的传动机构动作变化，间接反应出动触头的运动情况。不同机械结构的断路器可选取的测量位置不同，依然以弹簧储能机构断路器为例，可以监测其传动主轴的转动情况[11]。

在主轴末端安装角度传感器以实现该项监测项目。角度传感器需要使用过渡接头与主轴连接。在前文提到的前两种监测场景下，对传感器的安装要求较低，因为断路器抽出开关柜进行测试，角速度传感器加过渡接头可以伸出断路器外部壳体，完成测量即可。但在第三种场景下，角度传感器的安装不可影响断路器在开关柜内的正常工作，因此必须置于断路器内部，在设计监测系统项目时应加以考虑。

3 在线监测装置的可靠性

在搭建在线监测系统平台进行对正常工作时的断路器进行监测，还需要考虑下位机装置的实际使用情况和工作环境。其需要长期对装置进行监测，因此在进行下位机硬件设计时需考虑到其长期工作的稳定性，排除影响稳定性的不良因素。例如，在断路器未动作时，下位机需要保持监测的项目很少，功耗较低。若供电模块的能量转化效率较低，此时会产生持续发热，降低装置稳定性。需选用空载功耗低、效率高的电源。

下位机装置在开关柜内工作，其所处位置电磁环境复杂，因此设计时需考虑足够的隔离防护措施。其对外接口，如电源接口、通讯接口、传感器接口，均需进行额外的加强设计以提升装置的抗干扰能力与自我防护能力，保障装置的安全稳定运行。

4 总结

在搭建在线监测平台对高压真空断路器的机械性能进行监测及故障诊断时，平台搭建本身面临着以上提到的许多问题。因此相关领域的研究不仅局限于监测信号的特征和故障诊断的算法，还需不断改进设计方案，使得方案更适用于投入生产实践。提升平台的实用性有利于推动相关领域理论研究的落地与推广。