摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。在供配电网中开关柜是最重要的组成部分之一，而其核心部件断路器的寿命和健康状态直接影响配电网络的可靠运行，因此需对断路器的运行状态进行监测分析，及时排除隐患，保障配电安全。断路器的合分闸时间与断路器的速度有直接关系，其实际速度会直接影响断路器的寿命和开闭性能。如果合闸速度过慢，则预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘住，降低灭弧室的电寿命；如果分闸速度过慢，将会导致断路器断开时间过长，增加燃弧时间甚至导致开断失败，而分闸速度太快，会导致分闸反弹过大，容易产生重燃现象，由此可以看出，断路器速度影响断路器的分断性能和转换性，因此分合闸速度是一个非常重要的参数。本文就高压开关柜断路器机械特性在线监测展开探讨。
关键词：断路器；机械特性；在线监测
引言
高压开关柜内断路器的机械特性包括断路器的时间特性、速度特性及行程特性，这些特性均可通过断路器动触头的行程—时间曲线求得。无论何种操动机构的断路器，在其接受分闸或合闸命令后，完成其指定动作都需要一定的时间，时间过长或过短都会影响断路器性能而最终引发断路器故障。断路器分闸和合闸时间与其速度密切相关，直接影响它的开断和关合性能。如果分闸时间过长，分闸速度自然降低，灭弧性能受到影响，电动力增大而导致开关分断失败；如果分闸时间或合闸时间过短则分闸速度或合闸速度就会变大从而对断路器造成较大冲击，影响其寿命；可见断路器分、合闸速度是一个非常重要的参数，直接影响开断性能和开关寿命。由此可知，通过断路器行程—时间曲线得到的时间参数、速度参数及行程参数对于断路器机械故障诊断及其健康状态评估有着重要的意义。
1高压开关柜的故障类型及特点
（一）状态的多样性。在不同的使用情况下，高压开关设备的操作条件差异较大。例如，一些断路器在工作过程中必须经常连接和断开，但一些断路器投入工作后很少使用。其中有些需要在使用寿命期间频繁切断短路电流，但有些从未遇到过这种情况。运行条件的这些差异会导致断路器难以进行在线检测以及在线故障诊断。例如，利用使用断路器动触点的位移曲线，可以获得断路器操作机构的操作状态。然而在断路器投入使用后，很长时间内没有执行连通断开动作，因此不能得到位移曲线。（二）故障的随机性和模糊性。电力设施的故障不仅由设施的现状决定，而且被其以前的使用情况所影响;同样的故障有时由完全不一样的因素引起，并且同样的原因有时会引起不一样的结果。相同的工作状态，不管问题是否存在，其复杂水平也不同。所有这些都体现了开关柜的运行情况与故障特征之间的关系是复杂且非线性的。这些特征也显示了故障较强的不明确性和模糊性。利用国内这十年来高压开关柜运转状况的研究和数值计算，将高压开关柜的一般问题分成五类：（1）拒动、误动故障。（2）开断与关合故障。（3）绝缘故障。（4）载流故障。（5）外力及其他故障。
2高压开关柜断路器机械特性在线监测研究
2.1监测装置硬件设计
2.1.1监测装置组成及工作原理
高压开关柜内断路器机械特性在线监测，包括霍尔电流传感器、非接触式角度装置通过测量断路器分、合闸时主轴旋转角度来间接测量动触头行程。断路器分、合闸过程中，断路器主轴旋转角度与动触头行程之间有一定的联系，本监测装置便是据此理论设计的。
角度传感器将监测到的主轴旋转角度信号经调理电路后，将输出信号调理到处理器A/D输入范围之内，输入信号经A/D转化，处理器对转化后的信号进行处理后便可得到断路器动触头的行程曲线；机械特性时间参数的监测利用了霍尔电流传感器和断路器自带的辅助触点，时间参数监测首先需要完成断路器分、合闸周期计算，根据断路器分、合闸周期定义，需要准确获取断路器操作线圈得电时刻和断路器触头刚分、刚合时刻；断路器操作线圈得电时刻即断路器分、合闸周期的起始时刻通过将响应速度比较快的霍尔电流传感器串在断路器分、合闸控制回路中，将霍尔电流传感器的输出经取样整形后输入到DSP的XINT1管脚实现；断路器触头刚分、刚合时刻即断路器分、合闸周期终止时刻的获取，硬件上通过将断路器辅助触点构成的电平回路连接至DSP的XINT2管脚实现；数据通讯模块支持本监测系统与其他监测网络的并网集成连接，方便了数据的集中处理、分析和共享。
2.1.2角度传感器的选择与安装
角位移传感器选择德国Novotechnik公司的非接触式角位移传感器，非接触式的角位移传感器内包含磁场感应，通过磁场感应延长机械寿命，使其达到无限使用的目标。一般情况下主轴附近存在安装空间，采用非接触式角位移传感器的安装更加方便，且可以远离高压部分。而非接触式的角位移传感器可分为传感器、磁位器两部分，其中磁块固定在主轴终端，传感器通过支架固定，传感器与磁位器安装时不需要有物理性连接。通过测量可以得出断路器分合闸过程中的主轴角位移曲线，分析主轴的角位移曲线可以得出动触头直线位移曲线，多种型号的断路器都可以通过此方法进行间接测量，且适用于大多数测量环境。
2.1.3角度传感器输出信号调理电路的设计
传感器采用+24V供电时，其输出是0~10V的直流电压信号，A/D转换器使用DSP内部的12位A/D转换电路，由于DSP2812的A/D转换电路只能接受0~3V的直流信号，这就需要使用调理电路将0~10V的直流信号转换到0~3V的直流信号。（1）信号滤波。使用RC型低通滤波器可滤除频率较高的信号和毛刺信号，防止干扰，提高采样精度。（2）同比例缩放。采用同比例运算放大电路不仅增大了信号电路的输入阻抗，而且可将信号缩放到A/D的允许电压范围之内。（3）A/D输入电压嵌位。使用嵌位锗二级管将输入A/D口的电压限制在0~3V，以保护DSP的A/D端口。
2.2监测装置软件设计
2.2.1综合监测装置软件流程
系统的软件设计对系统的性能来说很重要，软件设计是装置设计的重要组成部分。该系统采用模块化、结构化的设计思想进行软件设计，以便于将来程序和各种功能模块的扩展和移植。其总体流程是一个无限循环。每次循环都将不停地查询开关柜的状态、按键的状态以及其他的各个输入，送给MCU处理，从而使得MCU实时输出各种控制信号，最后清除看门狗计数器，以确定系统正常运转。根据该装置的主从式结构以及2个CPU所承担的不同任务，整个系统软件分为ARM部分软件和DSP软件设计。在ARM软件设计上，应该注重于IEC61850以及系统的稳定性；在DSP软件设计上，应该保证整个软件系统及通讯设计具有较强的实时性。其中ARM和DSP的主从结构之间的通信方式采用SPI方式，SPI稳定和迅速，使两者之间的连接高速、可靠。由于通信主要由ARM发起的，所以设置ARM为主机，DSP为从机。
2.2.2数据处理
现场监测波形由于存在干扰等原因会造成采样初始数据存在很多毛刺，如果不对这些数据进行处理而直接进行行程曲线拟合、合闸速度、刚合速度、最大速度计算，将会产生很大误差。因此，需要一种有效剔除干扰、无失真地还原信号的滤波去噪方法。
结语
本内容采用非接触式角度传感器监测断路器分、合闸时主轴旋转角度，很好地解决了断路器机械特性在线监测传感器不易安装的问题，利用霍尔电流传感器和断路器辅助触点较准确地提取了断路器分、合闸周期起止时刻。装置结构简单小巧、安装方便、成本较低，具有较广泛的应用价值。
参考文献
［11］苑舜.高压开关设备状态监测与诊断技术［M］.北京:机械工业出版社，2018.
［2］徐国政.高压断路器原理和应用［M］.北京:清华大学出版社，2018.
［3］王昌长.电力设备的在线监测与故障诊断［M］.北京:清华大学出版社，2019.