真空斷路器在線監測系統研究

徐建國 陳海昆 戴云霞 李峰 林堅 蔣珀

【關鍵詞】真空斷路器 機械特性 在線監測 斷線監測

真空斷路器是中壓輸配電網絡中最為關鍵的執行器，斷路器的常見故障包括拒分、拒合、絕緣、開斷故障，導致故障的原因主要包括3個方面：

（1）控制系統異常，控制回路斷開或脫扣器運動異常，儲能系統運行異常；

（2）機械結構異常，機構失靈、卡涉；

（3）一次絕緣部件異常，真空度下降，絕緣部件性能降低，導致擊穿。

斷路器故障對電力系統的穩定運行具有非常重要的影響，如果在需要斷路器動作時，斷路器不能按照要求正常動作，導致的后果一般是災難性的，會帶來巨大的物質、經濟損失。為此，國內外的電力主管部門對斷路器系統的在線監測一直比較重視；近年來，由于電子、軟件和傳感器技術的發展，斷路器的在線監測系統也日趨成熟，功能、精度和性能也得到了較大的提升。斷路器系統是一個復雜的機電耦合的系統，對其進行全面監測和診斷涉及的技術非常廣泛；在低壓側，斷路器有儲能回路、分合閘脫扣回路，在高壓側有活動連接、真空絕緣結構、環氧絕緣結構；此外，還具有復雜的機械系統，不但瞬時運動速度高，力和力矩大，而且對運動精度要求高。為了全面監測斷路器的運行狀態，需要通過對多種物理參數的實時測量和在線分析計算，才能準確反映和預測設備的運行狀態，才可為斷路器的操作、檢修提供可靠的、全面的技術依據。

綜合國內外對斷路器系統的研究成果，目前對斷路器系統地監測和診斷主要包括如下方面：

（1）控制回路的連續性監測，實時監視控制回路的連接線和控制電源是否正常，在控制回路斷開時，可以提前發出報警提示。目前的技術方案主要是在控制回路的適當位置并聯一個高阻抗的支路，使一個較小的電流穿過整個控制回路（分閘、合閘和儲能），如果控制回路斷開，電流不能形成回路，即可發出報警信息；上述監測電路設計的關鍵在于選擇合適的電流和并聯接入點。監測電流的幅值應足夠小，不能導致電執行器產生動作。

（2）控制回路的波形監測，即在斷路器每次動作時（分閘、合閘、儲能），記錄和分析控制回路的電流和電壓信號，分析電信號的波形以判斷控制電路及所控制的驅動裝置（脫扣線圈或儲能電機）是否工作正常；目前發展成熟的技術主要針對直流的控制回路具有顯著效果，可以識別出脫扣機構的摩擦力、驅動力，線圈的阻抗、感抗等參數，也可以對比歷次動作波形之間的差異并預測以后的動作趨勢。針對儲能機構，可以識別驅動電機、儲能機構、儲能彈簧的異常狀態。

（3）機構的運動特性監測，通過配置適當的位移、力和振動傳感器等，可以測量出斷路器動作過程中的分/合閘速度、開距離、動作時間、行程、振動頻譜等參數。如果配置力傳感器，還可以測量斷路器機構中關鍵位置的作用力（如合閘狀態下的閉合力等）。

（4）真空度監測，主要通過放電現象、電場梯度變化、離子電流、氣壓等方式直接或間接地判斷真空滅弧室內的真空狀態，目前還沒有真正成熟、穩定、準確的測量方案。相關技術都在發展過程中。

（5）絕緣監測，主要監視斷路器一次回路絕緣部件的絕緣性能，目前提出的方案包括泄漏電流法、局部放電法，由于斷路器絕緣部件結構復雜，相關的監測系統較難實現準確性和實用性的良好結合。

（6）活動連接部位的可靠性監測，目前較為成熟的方案是通過監測斷路器上下觸頭的接觸未知的溫度，從而間接地反映上述未知的接觸電阻。所采用的技術多種多樣，其中包括光纖測溫法、聲表面波測溫法、紅外測溫法、一次回路取電和無線通信的接觸式測溫法等。上述方案各有優劣，適用性與斷路器的實際結構有很大關系。

針對國內外與斷路器在線監測有關的各項技術，從技術成熟度、技術復雜性和準確性三方面可總結如表1所示。

1 真空斷路器在線監測系統的結構

在綜合分析國內外斷路器監測系統結構、功能和實現方案基礎上，本文提出如圖1所示的在線監測系統的結構。該結構直接集成了目前成熟穩定的監測技術方案，并具有較好的可擴展性，可以根據用戶需求集成、擴展新監測功能。

在上述結構中，系統核心由兩個STM32系統組成，控制回路波形采集和分析單元主要實現位移、力、控制線圈電流波形的采集和實時分析。斷路器監測系統對電流波形和曲線的采樣頻率要求較高（一般10KHZ以上），同時還需要實時分析和計算波形參數，從采集的波形數據中得到分、合閘時間、分合閘速度、開距、超行程等參數，需要通過電壓和電流波形分析控制回路的當前狀態；為了完成上述的計算和分析任務，數據處理單元需要配置較大的數據緩沖區，完成一系列較為復雜的分析算法。為了使波形監測和分析過程不影響外部的通信、人機接口操作的實時性，所以系統中配置了專用的控制回路波形采集和分析單元。在分析和計算完成后，控制回路波形采集和分析單元通過并行接口將曲線和分析計算結果發送到主監測單元，并由主監測單元存儲或顯示。

主監測單元完成人機接口管理，監視和響應用戶操作；實現數據的存儲和讀取；同時完成與其他IED裝置或上級系統的通信，通過網路將狀態參數和曲線傳輸到上級系統。

為了保證系統具有良好的可擴展性，可以根據用戶的特殊需求接入真空監測單元、振動分析單元等功能模塊，在主監測單元上配置了一路RS422/RS485通信接口，支持符合上述接口和標準MODBUS協議的監測單元的接入。

2 數據采集流程設計

為了實現可靠的狀態監測，斷路器動作過程中，數據處理單元需要同時采集到3組位移數據、3組觸頭的接觸力數據、1組分閘和合閘數據。

為了快速準確地識別出斷路器系統是否有動作以及動作的方式（分閘或合閘）；數據處理單元需要一直采集和監視上述通道的數據，并根據一定的判據識別出動作開始的信號，并從動作開始時刻起，持續地截取一段時間內的波形數據。時間內的長度應當完整覆蓋斷路器的一次動作過程，即應大于從斷路器控制回路得電到完成控制動作的時間。

在動作判據的選擇方面，控制回路的波形數據在電動操作方式下可以作為有效的依據，當控制回路出現了一定幅值的電流波形時可以確認斷路器正在執行某種動作。但是上述判據在手動分合閘時是無效的，此時應采用觸頭位移或位移變化作為判據較為可靠。

此外，在斷路器動作曲線的捕獲過程，不論采用何種判據，在判據有效時，斷路器的動作已經開始了一段的時間，為了獲取完整的動作曲線，應當在監測到有效判據時將此前一段時間的動作波形補回。

斷路器數據采集采用STM32的DMA中斷方式實現，設置采樣頻率為10KHZ，多通道同步數據采集，截取波形數據的時間長度為120毫秒（其中前20毫秒為監測到動作觸發信號后補回的數據）。斷路器數據采集相關的處理流程如圖2所示。

上述流程中，DMA初始化過程的程序如下：

3 信號分析和處理流程設計

在完成數據采集后，監測系統必須實時計算和分析采集的波形數據。斷路器動作過程中位移和控制電流曲線的基本關系如圖3所示。但是在圖3中，剛分剛合點的位置是無法直接測量的，需要以力傳感器為基礎，通過信號處理的方法才能確定其位置，這也是斷路器機械特性監測的難點之一。

分析處理模塊的流程如圖4所示。系統首先分析控制線圈電流波形，獲取控制回路波形的初始上電時刻，以該時刻作為斷路器控制動作的初始時刻。然后依次分析斷路器三相的力傳感器波形信號，從波形數據中提取出斷路器剛分、剛合時刻（該信號分析方法有頻域法、時域分析法、微分分析算法等多種方式）。在確定了斷路器各相剛分、剛合時刻后，監測系統可以從位移曲線以剛分、剛合時刻為基礎，計算分/合閘時間，觸頭的超行程和總行程。由于本系統中集成了高精度的力、位移和電流傳感器，所以可以通過軟件算法完成控制回路的狀態分析（以分合閘線圈電流為基礎），可以直接測量出斷路器合閘時的接觸壓力。

4 CPU單元間數據的并行傳輸

在如圖1所示的監測系統結構中，控制回路波形采集和分析單元采集的數據和分析結果應傳輸到主監測單元顯示、存儲或對外傳輸。為了保證斷路器發生動作后數據能以較少的延遲傳輸到主監測單元，在兩個CPU單元間設置了由4根數據線和2根控制線（一根數據有效線，一根數據反饋線）組成的并行傳輸接口。在數據傳輸過程中，每次傳送4位有效地數據。在發送數據前，波形采集和分析單元讀取反饋控制線的狀態，如果反饋控制線未翻轉，表示前一次發送的數據還沒有被取走，不能傳輸數據；否則，波形采集和分析單元將4位數據放在數據總線上，并使數據有效控制線為高電平，同時使時鐘控制線出現一個上升沿。主監測單元通過時鐘上升沿觸發讀取信號中斷并讀取數據，在數據讀出后將反饋控制線狀態翻轉表示數據已經取走。數據發送側監測到反饋控制線的翻轉表示發送結束并可以開始下一次傳輸過程。

5 結束語

本文主要分析和設計了中壓真空斷路器的在線監測系統。為了適應不同用戶的監測需求，提出了一種兼顧靈活性和可擴展性的整體架構。

文中對實現上述架構中核心的電路設計和信號分析處理算法模型進行了分析。根據本文研制的斷路器監測系統實物如圖5所示；監測系統具有可靠性高、實時性強、可擴展性好的特點。上述監測系統在國內廣泛使用的多種中壓真空斷路器中得到了應用，其中包括VS1、VD4（ABB公司）、3AE（西門子公司）等。先后有多個大型工程中有批量的應用，實際工程應用實踐表明本文提出的方案具有良好的技術性能。

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