隔離開關觸頭位置的實時在線檢測裝置

方旭光，劉乃杰，陳文通，王翊之，沈建平，張 健

(1.浙江省金華電業局，浙江 金華 321001;2.四川華雁信息產業股份有限公司，成都 610061)

電力系統中電氣設備分為運行、冷備用、熱備用和檢修4種狀態，將設備由一種狀態轉變為另一種狀態的過程叫倒閘，所進行的操作叫倒閘操作。通過操作隔離開關、斷路器以及掛、拆接地線可將電氣設備從一種狀態轉換為另一種狀態或使系統改變運行方式［1－2］。在調度操作中，尤其是倒閘操作對隔離開關動作即觸頭位置的精確掌握是十分重要的。以往在變電站值班人工進行操作時，操作人員就站在隔離開關附近，可以直接觀察隔離開關開拉后主觸頭的實際動作情況，以確定是否“分”、“合”到位。但是現在在調度臺遙控電動操作后，由于操作人員是遠在百里之外操作遙控，無法觀測現場動作后的閘刀刀片實際的“分”、“合”狀況，這給系統運行和安全生產帶來很大隱患。因此，設計隔離開關，實現電氣安全隔離，在線測定電動遙控閘刀操作后的高壓動觸頭的位置尤為重要。本文采用激光感應技術設計了隔離開關觸頭位置的檢測裝置，以實現實時在線監測隔離開關位置狀態。

1 設計依據

項目設計的依據:根據國家電網公司企業標準Q/GDW 393－2009，110～220～500 kV(智能變電站設計規范)第5.1.2智能終端配置原則，對于母線間隔，智能終端負責該段母線上所有刀閘信息采集和智能控制［3］。

智能變電站單元的智能終端設備由智能組件等構成，由智能組件實現對隔離開關等一次設備的位置信息采集。本裝置中，采用由激光感測元件組成的智能組件實現對隔離開關狀態的信息采集。

智能組件設計中，一個智能組件隸屬于一個斷路器間隔，包括斷路器及其相關的隔離開關、接地開關、快速接地開關等。本項目重點是解決敞開式AIS隔離開關設備智能化組件改造中的技術問題。

2 激光感應器件的物理原理

激光型光電開關利用被檢測物體對紅外激光束的遮檔或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，被檢物體不限于金屬，能反射光線的物體均可檢測，如圖1所示。根據檢測方式的不同，激光型光電開關可分為漫反射式光電開關和鏡反射式光電開關［4］。本項目中使用的鏡反射式光電開關集發射器與接收器于一體，光電開關發出的光線經過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就發生了檢測開關信號。光電開關具有不同的形式:npn二線，npn三線，AC二線，AC五線(自帶繼電器)。

圖1 偏振反射式激光位置檢測原理示意圖Fig.1 Schematic of moving contact position monitoring with laser polarizing mirror

傳統的高壓隔離開關判斷刀閘的開、閉狀態采用的方法是:在控制刀閘“分”、“合”的操作機構轉軸上安裝輔助開關［5－6］，當操作機械動作時，帶動隔離開關轉軸進行轉動，從而改變輔助開關的狀態，并利用該狀態對刀閘的開合狀態進行間接判斷。這只是通過對二次側(低壓側)的檢測，并沒有反映出隔離開關一次側(高壓側)的實際“分”、“合”狀態。這種檢測方法在現場運行中仍然存在著極大的安全風險。

本方案由激光傳感器來實現對隔離開關一次側的監測，是一個水平運動型高壓隔離開關的激光感應檢測裝置，如圖2所示。對隔離開關狀態的監測，主要是針對隔離開關的動觸頭位置進行監測。針對U、V、W三相的動觸頭處于閉合位置和全分開位置，共需要12個激光發射感應器和12只激光反射鏡(板)。激光反射鏡固定安裝在隔離開關的動觸頭上，激光發射感應器固定安裝在動觸頭下方的地面或支架上。

1)針對隔離開關全開或閉合的監測方法是:當動觸頭處于閉合位置時，承擔閉合檢測激光發射感應器發出的光線線束剛好能經由動觸頭上的反射鏡面反射后到達對應閉合位置的激光感應器光敏面，激光感應器接收到激光信號，便輸出一個相應的特征電信號;當動觸頭轉動離開閉合位置時，由于承擔閉合位檢測的激光反射鏡也會隨著開關臂轉動而改變位置，無法再將激光發射感應器的激光線束反射回其激光感應器光敏面上，此時，激光發射感應器接收不到激光光束，便相應輸出一個低電平信號。

2)對隔離開關全開的監測方法是:當動觸頭處于全分開位置時，承擔全開檢測的激光發射感應器發出的激光線束剛好能經由動觸頭上的反射鏡反射后到達對應的全開位置激光感應器，激光感應器接收到激光信號，便輸出一個高電平信號;當動觸頭轉動離開全分開位置時，由于承擔全開位置檢測的激光反射鏡也會隨著動觸頭轉動而改變位置，無法再將激光線束發射至激光感應器上，此時，激光感應器接收不到激光信號，便相應輸出一個低電平信號。

利用上述方法，可以精準監測動觸頭是否處于閉合或全分開位置。

圖2 水平運動型高壓隔離開關狀態遠程監測裝置示意圖Fig.2 System structure of Laser sensing monitoring device for Horizental moving isolating switch

3 裝置的工程設計

本方案系統框架原理如圖3所示。

圖3 激光感應模塊系統原理圖Fig.3 Laser Sensing System Diagram

激光感應器用于接收從激光反射鏡發射回來的激光光束，并根據是否接受到激光線束而輸出一個開關量信號給邏輯判斷模塊;激光發射鏡安裝在隔離開關的動觸頭上，用于將激光光束發射到激光感應器上，由感應器將信號再輸出［7］。

邏輯判斷模塊接收所有激光感應器輸出的開關量信號，同時接收隔離開關二次電路輸出的狀態信號，并將這些開關量信號和狀態信號通過寬帶網絡通訊模塊發送到后端服務器。邏輯判斷模塊還通過串口連接攝像模塊，當隔離開關狀態發生變化時，通過串口觸發攝像模塊將隔離開關的圖像信號發送到后臺服務器。

攝像監視模塊安裝在隔離開關附近，用于攝取隔離開關的實時圖像，當接收到邏輯判斷模塊發來的觸發信號時，實時攝取隔離開關的圖像，并通過百兆網絡設備發送到后端服務器。

寬帶網絡通訊模塊通過百兆網線與控制中心建立起隔離開關狀態邏輯判斷模塊、攝像模塊和后端服務器的連接。

后端服務器接收所有隔離開關開合狀態信息，攝像模塊的前端圖像，并以圖形顯示的方式顯示在屏幕上。

4 技術指標及現場實施情況

1)激光反射傳輸距離≥25 m。

2)激光監測路數:U、V、W三相前后位置12路。

3)智能同步判定時間≤3 s。

4)通訊接口:符合IEC61850標準，網絡標準RJ－45網口。

5)精度:±2 mm。

6)準確度:99.99%。

7)室內外終端工作溫度:－10～70℃(海拔1000 m)。

在浙江省金華電力公司220 kV華金變電站110 kV的隔離開關現場激光監測臺上，安裝了攝像頭對其實施監測，智能化視頻處理后，送到邏輯系統進行綜合分析，作出對隔離開關位置狀態的判斷，再將得到的結果傳輸到調度中心，如圖4所示。這樣就實現了調度人員對隔離開關的實時在線監測和及時處理異常情況，保障了系統運行安全。

5 結語

圖4 激光反光板安裝位置示意圖Fig.4 Field installed Laser reflector

該檢測裝置運用激光感應技術通過對一次側(高壓側)的位置檢測，實現了精準監測動觸頭的“分”、“合”狀態，等同值班人員在現場實際觀測的效果，降低了運行人員勞動強度，提高了電力設備操作運行的可靠性。而且還具有安全、可靠、準確簡便的特點。

［1］ 李紅蕾，戚偉，陳昌偉.智能電網模式下的配網調控一體化研究［J］.管理視界，2010(5):90－93.LI Honglei，QI Wei，CHEN Changwei.Study on distribution network regulation and control integration under smart grid mode［J］.Management World，2010(5):90 －93.

［2］ 李翔.南方電網調控一體化運行管理模式［D］.北京:華北電力大學，2013.6.LI Xiang.Operational management study of integrated dispatching and control systems of Southern Power Grid［D］.Beijing:NCEPU，2013.6.

［3］ 110(66)～220 kV智能變電站設計規范［S］.國家電網公司企業標準 Q/GDW 393—2009.2010.

［4］ 鮑丙豪.傳感器手冊［M］.北京:化學工業出版社，2008.BAO Binghao.Manual of sensors［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2008.

［5］ 張濤.高壓隔離開關安裝與檢修［M］.北京:中國電力出版社，2012.ZHANG Tao.Installation and maintenance of HV disconnecting switch［M］.Beijing:China Electric Power Press，2012.

［6］ 苑舜，崔文軍.高壓隔離開支關設計與改造［M］.北京:中國電力出版社，2004.YUAN Shun，CUI Wenjun.Design and transformation of HV disconnecting switch［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004.

［7］ 張京倫.一種動觸頭位置檢測的動觸頭垂直運動型高壓隔離開關:ZL201110167442.1［P］.2013.ZHANG Jinglun.A vertical moving contact HV disconnecting switch detecting the position of moving contact:ZL201110167442.1［P］.2013.