国网辽宁省电力有限公司沈阳市沈北新区供电分公司 辽宁沈阳
摘要：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。高压开关柜内断路器机械特性在线监测的基本要求是既不能影响开关柜内断路器原有机械特性和绝缘性能，又要真实地反映其动触头行程随时间的变化关系。此外，传感器还要便于安装，即监测系统的适应性要强，不能改动断路器原有结构。这就要求选用传感器体积不能太大，并且线性度和灵敏度要尽可能高。本文就高压开关柜断路器机械特性在线监测装置展开探讨。
关键词：高压开关柜；断路器；机械特性；在线检测装置
引言
随着电力系统自动化、智能化的快速发展，对高压开关柜运行的可靠性及安全性要求越来越高，而目前所研发单一功能的在线监测装置已经不能满足开关柜运行性能及安装的要求，对开关柜进行综合在线监测将成为电力系统智能化的发展趋势，能够成功实现对高压开关柜的综合在线监测对于保证高压开关柜的正常运行，提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有非常重要的意义。
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装置，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高压开关柜的监测项目
开关设备的故障检测应考虑目前科技水平，产品设计和使用成本等方面，根据开关柜内容易发生的常见故障进行。目前认为，需要检测的状态包括：（1）温度监测：开关设备内的手车室，电缆室和隔离接点应为需要监控的部分。（2）绝缘监测：一般包括支柱绝缘，套管绝缘，母线绝缘，变压器绝缘和电缆绝缘。（3）控制回路检测：监控包括控制路线和电源，闭合和闭合线圈电压电流等。（4）断路器机械特性：它包括监控动触头的总位移，动触头的超行程和动触头的跳动状态；切换速度，关闭弹簧压缩条件。工作时的机械振动，减震器性能，工作中的碰撞，零件掉落等。断路器电气性能分断电流重量，电弧室真空度和主接触电阻。
3监测装置硬件设计
3.1角度传感器的选择与安装
测得主轴的角位移曲线，即可间接得到动触头直线位移曲线，这种间接测量的方式对多种型号的断路器都适用。真空断路器的主轴处于低电位，远离高压部分，不存在高电位隔离的问题。一般情况下主轴附近存在安装空间，能够方便地安装角位移传感器，但是，常规角度传感器的安装存在与断路器主轴不易连接的问题。
根据上述分析，选用了非接触式的角位移传感器，该传感器产于德国Novotechnik公司，是一种采用磁场感应测量传感器，具有无限使用的机械寿命，可分为磁位器和传感器两部分，其分辨率为12位，最小可分辨0.025°，独立线性为±0.3%，安装时允许传感器与磁位器左右/上下偏移安装中心±3mm，且传感器与磁位器安装时不需要有物理性连接，本监测系统安装时将其磁位器安装在操动机构的主轴上，传感器通过连接件紧固连接，磁位器与加工的附件紧固在一起，通过环氧树脂与断路器主轴相连接，传感器的固定巧妙地运用了断路器自带的3个内六棱螺母进行了固定连接。
3.2角度传感器的设计
选用的角位移传感器采用+5V供电，使其输出值保持在0.25～4.75V。在设计角度传感器时需注意信号滤波、同比缩放以及A/D输入电压的箝位，如遇到毛刺信号，可以使用RC低通滤波器进行滤频，进而不断提高信号精确度，有效防止外界信号的干扰。同比缩放则需要将信号控制在A/D允许的范围内，进而增大输出信号电路的阻抗，而A/D输入电压箝位则可以保护A/D端口，限制端口电压，使其保持在0～5V内。
3.4分闸及合闸周期起始时刻监测硬件电路设计
断路器分闸周期与合闸周期计算均以分、合线圈得电为起始时刻，断路器分、合闸周期一般都在ms数量级，因此，断路器分、合闸起始时刻的准确监测是断路器周期监测的关键。本监测装置采用南京菜花电子有限公司生产的CSM005A电流霍尔传感器作为断路器操作线圈得电时刻监测的传感原件，该传感器的原边和副边之间可承受2.5kV的交流电压，线性度≤0.2%，相应时间＜1μs；硬件电路设计时，将霍尔电流传感器串在断路器分、合闸控制回路中实现，以ABB生产的VD4式断路器说明。串联在断路器控制回路中的霍尔电流传感器输出至取样电阻，取样电压信号经一整形芯片后，可以为DSP的外部中断提供沿比较陡的沿触发信号，断路器分、合闸控制回路中串联的霍尔电流传感器输出经处理后通过与逻辑运算后与DSP的XINT1相连，这样便实现了无论是分闸线圈得电还是合闸线圈得电都可以触发DSP的XINT1而准确计时。
4监测装置软件设计
4.1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。
4.2数据处理
现场监测波形会出现许多数据毛刺，形成的原因是存在干扰等，这些问题会使采样初始数据出现干扰性问题，如果不处理这些数据，将会产生很大误差，最终影响行程曲线拟合及最大速度计算，因此，需要采用数字滤波的去噪方法，有效剔除干扰，使信号处于无失真状态还原
结语
本装置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：
［1］孟永鹏.真空断路器机械特性的在线监测方法［J］.高压电器，2018，42（1）.
［2］徐国政，张节容，钱家骊，等.高压断路器原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，2018.
［3］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.