环网开关设备机械状态在线监测设计

徐铭辉 翟停停 蒋成博 郭亚楠 徐子炎

摘 要：【目的】对配电网系统中环网开关设备机械状态在线监测技术进行研究，满足电力系统设备智能化、数字化功能需求。【方法】分析环网开关设备机械状态在线监测系统设计方案及元器件构成，分析传感元件融合开关，选择非直接嵌入方式感知数据，对适合机械特性监测的传感器规格进行选型设计。【结果】完成适用于环网开关操动机构的传感器选型，实现传感器与本体融合设计。【结论】该融合方案满足环网开关设备传感器测量曲线状态数据需求，为环网开关柜工程设计人员对机械状态在线监测设计提供思路。

关键字：智能化；机械特性；在线监测；传感器

中图分类号：TM591       文献标志码：A        文章编号：1003-5168（2023）10-0006-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.001

Abstract： [Purposes] The on-line monitoring technology of mechanical state of ring network switch equipment in distribution network system is studied to meet the intelligent and digital functional requirements of power system equipment. [Methods] This paper analyzes the design scheme and component composition of on-line monitoring system for mechanical state of ring network switch equipment， studies the fusion switch of sensing element， selects the indirect embedding method  to sense data， and designs the sensor specifications suitable for mechanical characteristic monitoring. [Findings] The sensor selection suitable for the ring network switch operating mechanism is completed， and the fusion design of sensor and body is realized. [Conclusions] The fusion scheme meets the needs of the sensor measurement curve state data of the ring network switch equipment， and provides ideas for the engineering designers of the ring network switch cabinet in the online monitoring design of mechanical characteristics.

Keywords： intelligence; mechanicalcharacteristics; online monitoring; sensors

0 引言

在配电网系统领域中，环网开关设备被广泛应用于城市配电网中，存在点多面广、运行环境复杂、运维困难等问题。设备智能化、数字化是能有效解决该问题的一种措施，机械状态在线监测可有效判断操动机构的健康状态［1］，其性能的可靠性将直接关系着电力系统的安全稳定运行。据统计，有一半以上的配电断路器故障是由机械特性不良造成的［2］，由拒分、拒合、分闸速度变小、合闸弹跳变大等造成的损失（如引起其他电力设备的损坏或电力系统停电）要远远超过断路器自身价值。因此，应采用相关手段对机械状态特性进行有效监测［3-4］，确保开关断路器操动机构能健康稳定运行，保证配电系统安全可靠。

1 开关设备机械状态监测要求

具备工程应用条件的环网开关设备在出厂时，要对操动机构进行寿命测试（测试开关机构的分合闸速度、分合闸时间、合闸弹跳、分闸反弹、行程及超程等），要分合50次不出现参数异常变化［5］。这些参数必须在技术要求范围内，才能判定该开关操动机构的机械特性合格。某环网柜出厂机械性能试验数据和项目见表1。在线状态测试要同时满足出厂离线状态测试要求，为达到预期效果，环网开关要融合多种传感设备，根据开关操动机构的特点，可在分闸线圈、合闸线圈、储能电机、分闸弹簧、合闸弹簧、超程弹簧、运动大轴上预留传测位置。一般情况下，机构所用的弹簧比较稳定，其发生失效、疲劳的可能性较小，综合考虑配电领域的成本、融合难度等，可暂缓对其进行在线监测。本研究对分闸线圈、合闸线圈、储能电机、运动行程进行实时监测，再加上其他信息，可实现对开关机械特性的在线监测。

2 机械状态在线监测设计

对环网开关操动机构在线监测状态进行设计时，要考虑机构关键可监测零部件的主要功能，做到有的放矢，还要注意传感器与开关本体的融合不影响其本体性能。根據数据类型和传感器结构特点来选择传感器，才能实现传测信息高精度、高可靠。

2.1 环网开关的机械状态监测单元

环网开关操动机构中使用传感器测量的重要数据单元可分为两部分。一是电气信号部分。当分闸回路导通时，分闸线圈上的电产生电磁力，动铁芯运动撞击操动机构的分闸掣子，分闸掣子的半轴机括击发［6］，分闸弹簧和超程簧（又称触头压力簧）释放力量完成分闸，分闸过程中可实时监测分闸线圈电流信号的情况（线圈电流流过时间、大小、峰谷值时刻等）；合闸电磁铁与分闸电磁铁的工作原理一样，需要实时监测的参数也相差无几；储能电机是操动机构的能量基础［7］，储能回路导通后，电机转动传递给合闸弹簧后使其储能，电机在储能过程中的电流状态、储能时间、电流幅值等可实时监测；开关主回路通断是指在合闸、分闸过程中主回路的导通情况，可从环网开关的电流互感器二次侧来监测数据，可监测开关分闸、合闸的关键时间节点。二是机械行程信号部分，主要是开关的行程情况，可用传动大轴的转动角度及触头的直线位移来表征，一般的触头直线位移传感器安装不方便，且距离高压回路比较近，将测量到的旋转角度转化为传感器触头直线位移是比较不错的方法。某环网柜操动机构如图1所示。

2.2 机械状态在线监测传感器选型设计

由2.1可知，用于在线监测感知开关机械状态的传感器有三类，即直流电流感知传感器、交流电流感知传感器、位移信号感知传感器［8］。用穿心式霍尔传感器来获取直流电流信号，可用来监测分合闸线圈、储能电机，分合闸线圈在开关正常情况下的额定运行时间在50 ms内，其峰值电流约为4.5 A，储能电机正常储能时间约为15 s、峰值电流约为13.5 A。交流传感器主要用于检测开关柜电流互感器二次侧电流，检测范围为0～10 A。为检测其精确性，采样精度要稍微高一点，所有传感器的驱动电源电压为48 V，满足环网柜直流电源要求。角位移传感器作用在旋转大轴上，某环网开关分合闸一次，旋转角度在50°内。机械特性传感器选型参数规格和数量见表2。

2.3 机械状态在线监测传感器与本体融合设计

对开关设备机械状态在线监测进行设计时，首先，保证传感器能与开关本体融合，且不影响其本身的电气性能、机械性能［9］，采用非嵌入或非侵入的方式。其次，传感器与开关设备的使用寿命匹配也是亟须解决的问题。为满足电子传感设备与传统机械设备使用寿命统一的要求，在保证传感器传测量精度可靠的前提下，要满足可更换和易更换的要求。因此，围绕上述两个关键点对机械状态在线监测传感器位置进行设计。①电气信号部分。分合闸线圈、储能电机用传感器采用的是穿心式设计，电气回路穿过霍尔传感器，且不影响电气回路的功能，同时为了不影响分合闸、储能回路电源扰动，霍尔传感器采用独立电源设计。针对主回路电流互感器二次侧电气信号测量，根据实际工程情况，要在现场安装环网柜的电流互感器。因此，主回路监测电流信号采用开启式卡扣交流霍尔传感器。②行程信号监测部分。根据环网柜结构及操动机构的布置方式，可分为两种结构。一种为接触式结构，即角位移传感器与旋转大轴通过联轴器连接在一起，大轴旋转带动发生角位移信号，该方式较为直观和简单，但在大轴旋转次数较多时，会引起松动，导致旋转信号误差较大，另外在拆卸时也会遇到困难。另一种为非接触式结构，非接触式角位置传感器不与旋转大轴直接接触，避免大轴转动引起安装不牢而产生误差，也方便拆卸和安装。因此，设计方案采用非接触式角位移传感器，在大轴外围设计装配工装，既满足工程项目过程中的拆卸要求，又满足传感器更换需求。传感器融合设计安装如图2所示。

3 数据监测处理方法

通过传感器来实时测量操动机构在工作中的数据，将数据拟合处理成精度较高的目标曲线，提取目标曲线中的关键参量，进行综合评估和判断。判断依据《3.6 kV-40.5 kV智能交流金属封闭开关设备》（NBT 42044—2014）中的相关参数［10］，选取分合閘速度、合闸电流值和时间、储能电机时间和电流值、行程曲线等。

3.1 环网开关分合闸速度、分合闸线圈电流值和时间监测

分合闸速度曲线是通过角位移曲线折算出直线位移，结合交流霍尔传感器开断点信号，精准拟合出的。以合闸曲线为例，与离线试验装备测试的标准曲线进行对比，标准曲线如图3所示，可判断分合闸速度异常情况。A点为移开6 mm距离时的位置，B点为触头闭合点，C点为主回路电流刚接通位置。可通过角位移传感器来计算A点位置，并标定时间TA，C点位置时刻即TB点确定时间，结合AB信号可计算出运动距离LAB。合闸速度见式（1）。

V合的大小只要在表1的范围内，即可判断该开关操动机构合闸状态正确，反之则有可能存在故障情况。分闸曲线亦然，对标表1中的数据进行判断。

分合闸线圈电流曲线为马鞍形，电磁铁在吸合过程中，分合闸线圈中的电流会不断变化，线圈的电流波形中含有很多信息，如铁芯运动机构有无卡滞、脱扣、释能机械负载变动情况和线圈的状态（如电阻是否正常）及与铁芯顶杆连接锁门和阀门的状态。开关分合闸线圈电流中也包含很多开关机械状态的信息。分合闸电磁铁结构如图4所示，分合闸线圈电流曲线如图5所示。

由图5可知，t0为执行分/合命令时刻，线圈开始通电，是整个分/合动作的起始点；t1为铁芯开始运动时刻，但实际上铁芯始动时刻要略早于t1；t2为铁芯停止运动的时刻；t3为断路器的辅助触点切断时刻，电流开始减小，直到t4时刻电流减为0，整个动作结束。此外，波形中的i1、i2、i3为t1、t2、t3时刻的电流值，既反映出电源电压、线圈电阻及电磁铁铁芯的运行速度，也可用来分析动作。根据开关分/合闸线圈电流的录波信息，分析分合闸的时间t1、t2、t3及对应时刻的电流，判断开关操作机构是否正常、是否存在卡阻及性能下降现象，如对比标准曲线t2时间前移为t2'，可初步判断是由分合闸半轴卡滞造成的，具体问题还要具体分析。

3.2 储能电机电流信号监测

弹簧操动机构断路器功能的实现在很大程度上取决于储能电机的工作状态［11-12］。当断路器完成合闸动作后，储能回路接通，弹簧开始做功，以储存分/合闸所需的能量。储能电机的电流信号波形如图6所示。

由图6可知，T1时刻，储能电机接到上电指令，电机开始无负载启动；T2时刻，电机无负载转动，这是因为储能电机的电能还未转化为弹簧机构的机械能，电流从T2时刻开始趋于平稳；T3时刻，储能电机开始释放能量，拉动合闸弹簧做功，弹簧的刚度状态和储能轴的润滑度可根据这一段曲线得到。对比标准曲线，绘制其曲线的包络线，如果电流测量的误差不大于±2.5%、时间测量误差不大于0.5 s/次，储能电机状态正确，反之则发生故障。

4 结语

对环网开关设备的操动机构状态在线监测进行设计，完成适用于环网开关操动机构的传感器选型，实现传感器与本体融合设计，该融合方案既能精准监测开关在动作过程中的状态参量，又不影响开关本体的电气、机械性能，基本满足开关机械操动机构的需求，对传感器测量曲线的状态数据进行详细解释，为环网开关柜工程机械特性在线监测方面的设计提供思路。

参考文献：

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收稿日期：2022-11-22

基金项目：平高集团有限公司科技项目“基于状态感知数据边缘处理的12kV开关柜和环网柜研究”（PGKJ2020-043）。

作者简介：徐铭辉（1988—），男，本科，工程师，研究方向：配电网领域技术研发。