配電開關動作特性在線監測系統

邵志敏，李建修，劉合金，黃偉軍，潘希

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.珠海許繼電氣有限公司，廣東珠海519060）

配電開關動作特性在線監測系統

邵志敏1，李建修1，劉合金1，黃偉軍2，潘希2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.珠海許繼電氣有限公司，廣東珠海519060）

介紹一種基于霍爾電流傳感器的配電開關動作特性在線監測系統。該系統由終端采集配電開關分、合閘線圈的電壓電流信號，子站匯總各終端信息并處理后上送主站，主站將各配電開關數據擬合出分、合閘波形圖后，與典型波形進行比對，分析各種重要參數的變化趨勢，進而判斷配電開關的健康狀況。該系統的研發和應用為配電開關狀態管控提供依據，提高配電網運行可靠性并降低運維成本。

霍爾傳感器；分合閘線圈；配電開關；在線監測

0 引言

隨著經濟的繁榮發展和人民物質文化生活水平的不斷提高，人們對電力的需求量越來越大，用戶對供電質量和供電可靠性的要求也越來越高。開關事故調查和統計報告表明，約80%的開關設備故障是由機械原因導致，大多數故障是操動機構的問題［1］。以往的開關檢修多為定期檢修，存在臨時性維修頻繁、維修不足或維修過剩、盲目維修等諸多缺陷，并且常常在維修拆卸和安裝過程中出現新的問題，耗資巨大。開關運行狀態的在線監測能夠為開關狀態檢修提供依據，十分必要。

設備在線監測是利用現代傳感、微電子、計算機軟硬件和數字信號處理技術以及各領域技術綜合構成的輔助運行系統［2］。在設備正常運行的情況下，自動對設備狀態特征量進行連續或定期的監測。做好在線監測工作能在設備運行時第一時間發現其異常狀況，及時進行檢修以延長設備的使用壽命。對于一些舊的或者存在不安全因素的問題設備需跟蹤監測，盡量延長其使用壽命［3-4］。對于正常的設備應隨時掌握其健康情況，為設備正常工作提供保障。針對配電開關機械特性的在線狀態監測問題，設計了一種基于霍爾電流傳感器的配電開關動作特性的在線監測系統，通過對線圈電壓和電流波形的監測和判斷，能夠對配電開關線圈鐵芯的通電和運動過程及操作電源容量等對比分析，為后續配電開關出現拒動或誤動提供分析數據。

1 電流在線采集

目前用于電流采集的方法很多，常用的有在電路中串聯采樣電阻，通過測量電阻上的電壓來計算電流大小；該方法雖然簡單方便，但得到的采樣信號沒有經過電氣隔離，降低了電路的安全性。電流互感器能測試大電流，且其功耗低、溫漂低，但存在體積

較大、動態范圍小、磁飽和及二次負載端不能開路等缺點［5］。分流器原理簡單、可靠，適用于小電流的測量，測量大電流時有大量熱量產生，精度和性能受到很大的影響［6］。光學電流傳感器安裝簡單，抗干擾能力強，并能實現高電壓絕緣，但是溫度穩定性和可靠性較差［7］。Rogowski線圈不存在磁飽和現象，范圍廣、精度高、穩定性高、響應頻率范圍寬，特別對大電流的測量有效而準確，缺點是大批量生產比較困難［8］。近幾年，霍爾電流傳感器因其結構簡單、容易制造、體積小、重量輕、使用時間長、安裝簡單方便、功率損耗較小、使用頻率高，以及在復雜惡劣條件等情況下耐灰塵、油污、水汽以及鹽霧腐蝕等特點得到廣泛應用［9］。

霍爾電流傳感器是一種采用半導體材料制成的磁電轉換器件，即在載流導體周圍產生正比于該電流的磁場，而霍爾電流傳感器則用來測量這一磁場。通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經過了電—磁—電的絕緣隔離轉換。

霍爾電流傳感器有直測式（開環）和磁平衡式（閉環）兩種，開環霍爾電流傳感器結構簡單、成本低，由于鐵芯的非線性，其精度不高、響應速度慢、溫漂大、線性度差。閉環霍爾電流傳感器克服了直測式霍爾電流傳感器的不足，采用零磁通原理，精度有了很大提高，測量信號和被測信號之間的電氣絕緣好、響應時間快、線性度好［10-12］。

閉環霍爾電流傳感器利用磁平衡原理，原邊電流利用次級線圈產生的磁場來平衡被測電流在鐵芯上產生的磁場，通過檢測次級線圈信號間接得到被測電流的大小［13］。圖1所示為閉環霍爾電流傳感器的基本原理。

圖1 閉環霍爾電流傳感器基本原理

在測量電流的過程中，被測電流產生的磁場被鐵芯聚集并被霍爾電流傳感器所感應，霍爾電流傳感器通過對輸入信號的處理，產生信號輸出并驅動功率管使其導通，從而得到補償電流Is，補償電流通過繞制的刺激線圈產生磁場，該磁場與被測電流產生的磁場正好相反，補償了原來的磁場，使得霍爾電流傳感器的感應輸出減小。當被測電流產生的磁場與補償電流產生的磁場相等時，補償電流不再增加，霍爾電流傳感器感應的磁場為零，即可通過補償電流來測試被測電流。被測電流發生變化將會對這一平衡產生破壞，霍爾電流傳感器會有信號輸出，經過功率放大器放大后，就會有電流流過次級補償繞組對失衡的磁場進行補償，這一動態過程可表述為［14-15］

式中：Np為原邊線圈的匝數，一般為1；Ip為原邊電流；Ns為副邊線圈的匝數；Is為副邊補償電流。

2 配電開關特性在線監測系統

配電開關大多是以電磁鐵芯作為分、合閘操作的第一級控制件，再由鐵芯運動通過傳動系統帶動配電開關觸頭分、合閘。故電磁線圈作為關鍵部件，其電流波形中包含著診斷機械故障的重要信息。

圖2典型線圈電流波形

圖2所示為配電開關合閘動作時，線圈中的典型電流波形圖，電流波形隨鐵芯運動的變化過程可分為以下4個階段。

1）鐵芯觸動階段。對應圖2中T1～T2的電流波形起始部分。T1為配電開關控制命令到達時刻，是配電開關分、合閘時間計時起點；T2為線圈中電流、磁通上升到足以驅動鐵芯運動，即鐵芯開始運動的時刻。線圈從通電的瞬間T1起到鐵芯開始運動T2的瞬間止，這段時間內，鐵芯靜止不動，線圈電流從零開始按指數函數上升。線圈電壓方程式為

若從T1到T2時間內電流上升到Ic，則

2）鐵芯運動階段。在鐵芯運動以后，線圈自感系數L隨時間變化，產生自感電動勢，此時線圈電壓為

3）觸頭分、合閘階段。對應圖2中T3～T4的電流波形部分。在T3～T4時間段，鐵芯已停止運動。線圈工作氣隙及線圈電感L均不再變化，電流又按指數函數上升，但此時的線圈電感大于鐵芯觸動階段的電感值。這一階段通過傳動系統帶動配電開關觸頭分、合閘的過程。T3是鐵芯停止運動的時刻，而觸頭則在T3前后開始運動，T3～T4階段可以反映操作傳動系統運動的情況。

4）電流切斷階段。對應圖2中T4的電流波形部分。T4為配電開關輔助接點切除時刻，輔助接點切斷后開關控制回路斷開。輔助接點切斷過程中，在其觸頭間產生電弧并被拉長，電弧電流隨之減小至零直至熄滅。

分析典型線圈電流波形可知，由幾個關鍵時間點的特征值可以得出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間等參數，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動閥、鐵閂和輔助開關轉換的工作狀態［16］。

設計的配電開關動作特性的在線監測系統是通過在配電開關分、合閘回路中加裝霍爾直流傳感器，在輸出合、分閘控制命令的同時由霍爾直流傳感器采集合、分閘線圈的電流和電壓信號，將采集到的合、分閘線圈電流和電壓信號通過信號調理部分經過濾波、轉換等作用將直流電流信號變成直流電壓信號；再通過隔離放大電路將此電壓信號放大后通過A／D轉換將電壓信號轉換成數字信號并輸入CPU中，如圖3所示。

圖3 配電開關在線監測系統

配電開關動作數據由終端通過RS232接口傳遞給子站，子站將收到的數據經過處理后通過光纖通信送至主站，由主站將收到的電流數字量模擬還原成分、合閘曲線，并在監控界面上顯示出來。主站將終端上送的數據擬合成分、合閘線圈電流波形曲線后與典型線圈電流波形相比對，即可以評估出操動機構的工作狀態，預測故障可能出現的位置，有針對性地安排檢修，提高供電可靠性。

3 系統驗證

選用珠海許繼電氣配電開關進行高低壓分、合閘動作試驗，采集其分、合閘線圈波形曲線進行試驗驗證，如圖4、圖5所示。

圖4 開關分閘線圈波形

圖5開關合閘線圈波形

圖4、圖5中黃色曲線為電壓波形，藍色曲線為電流波形。從電流波形中可以清晰地看出配電開關鐵芯的啟動時間、運動時間、線圈通電時間、輔助開關轉換時間以及配電開關動作過程中線圈的峰值電流。配電開關是以終端內置電容作為控制電源，從電壓波形中可以看出配電開關動作過程中，電壓變化不大，表明電源能量足夠。綜合圖4、圖5中的配電

開關高低壓分、合閘波形圖可以看出，電壓的變化會對分、合閘時間產生影響，高電壓時動作時間縮短，低電壓時動作時間拉長，但電壓監測范圍應滿足GB／T 11022—2011第5.8的要求。

圖6所示為配電開關控制電源能量不夠導致分閘失敗。由圖可見，配電開關動作時電壓明顯被拉低，且鐵芯啟動時刻T1，鐵芯開始運動時刻T2等關鍵點都很明顯，在鐵芯停止運動時刻T3鐵芯撞擊啟動閥但撞擊力不夠，未能帶動機構傳動，導致配電開關合閘失敗，電流波形中無第二峰值和輔助開關轉換出現。該分閘波形分析結果與實際配電開關動作情況完全符合。

圖6控制電源能量不夠導致分閘失敗波形

圖7所示為配電開關機構徹底卡死的分閘波形圖。從圖中可以看出控制電源電壓逐漸放電，線圈鐵芯觸動后并未運動，電流逐漸衰減。

圖7 配電開關機構卡死分閘波形

4 結語

設計了一種基于霍爾電流傳感器的配電開關動作特性的在線監測系統。該系統能夠實現對配電開關分、合閘實時數據的采集，能對分、合閘線圈的電流信號進行轉換、濾波、放大、存儲和分析，通過對線圈電壓和電流波形的監測和判斷，能夠對配電開關線圈鐵芯的通電和運動過程、操作機構傳動、操作電源容量等做出分析比對，為后續配電開關出現拒動或誤動提供分析數據，方便進行初判斷。實驗和實際運行表明該系統具有實時性好、監測數據全面、操作性和抗干擾能力強等優點。

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On-line Operation Characteristics Monitoring System of Distribution Switchgears

SHAO Zhimin1，LI Jianxiu1，LIU Hejin1，HUANG Weijun2，PAN Xi2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Zhuhai XJ Electric Co.，Ltd.，Zhuhai 519060，China）

An on-line operation characteristics monitoring system for distribution switches based on the Hall current sensor is introduced.The FTU（feeder terminal unit）of the system collected voltage and current signals of distribution switches opening and closing coils，which are collected by sub-stations and sent to the master station.The opening and closing distribution switches waveform graphs are fitted by the master station，and compared with the typical waveforms.Then trends of important parameters are analyzed，and the running state of distribution switches are assessed.The system provides a basis for distribution switches state controls，improves the reliability of the power system operation and reduces the cost of maintenance.

Hall current sensor；opening/closing coil；distribution switch；on-line monitoring

TM642

A

1007－9904（2016）09－0006－04

2016-03-02

邵志敏（1984），男，工程師，從事配電自動化，配電設備一、二次融合等相關工作；

李建修（1985），男，工程師，從事配電網狀態檢修及運行分析相關工作；

劉合金（1986），男，工程師，從事配電網狀態檢修及運行分析相關工作；

黃偉軍（1976），男，工程師，從事配電自動化系統及智能成套設備的研究、開發、應用工作；

潘希（1990），男，工程師，從事配電自動化系統及智能成套設備的研究、開發、應用工作。