配電開關(guān)動(dòng)作特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

邵志敏，李建修，劉合金，黃偉軍，潘希

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.珠海許繼電氣有限公司，廣東珠海519060）

配電開關(guān)動(dòng)作特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

邵志敏1，李建修1，劉合金1，黃偉軍2，潘希2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)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(guān)動(dòng)作特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端采集配電開關(guān)分、合閘線圈的電壓電流信號(hào)，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(guān)數(shù)據(jù)擬合出分、合閘波形圖后，與典型波形進(jìn)行比對(duì)，分析各種重要參數(shù)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而判斷配電開關(guān)的健康狀況。該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用為配電開關(guān)狀態(tài)管控提供依據(jù)，提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性并降低運(yùn)維成本。

霍爾傳感器；分合閘線圈；配電開關(guān)；在線監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力的需求量越來(lái)越大，用戶對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來(lái)越高。開關(guān)事故調(diào)查和統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明，約80%的開關(guān)設(shè)備故障是由機(jī)械原因?qū)е拢蠖鄶?shù)故障是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的問題［1］。以往的開關(guān)檢修多為定期檢修，存在臨時(shí)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(xiàn)新的問題，耗資巨大。開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)能夠?yàn)殚_關(guān)狀態(tài)檢修提供依據(jù)，十分必要。

設(shè)備在線監(jiān)測(cè)是利用現(xiàn)代傳感、微電子、計(jì)算機(jī)軟硬件和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及各領(lǐng)域技術(shù)綜合構(gòu)成的輔助運(yùn)行系統(tǒng)［2］。在設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，自動(dòng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)特征量進(jìn)行連續(xù)或定期的監(jiān)測(cè)。做好在線監(jiān)測(cè)工作能在設(shè)備運(yùn)行時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)其異常狀況，及時(shí)進(jìn)行檢修以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。對(duì)于一些舊的或者存在不安全因素的問題設(shè)備需跟蹤監(jiān)測(cè)，盡量延長(zhǎng)其使用壽命［3-4］。對(duì)于正常的設(shè)備應(yīng)隨時(shí)掌握其健康情況，為設(shè)備正常工作提供保障。針對(duì)配電開關(guān)機(jī)械特性的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)問題，設(shè)計(jì)了一種基于霍爾電流傳感器的配電開關(guān)動(dòng)作特性的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)線圈電壓和電流波形的監(jiān)測(cè)和判斷，能夠?qū)ε潆婇_關(guān)線圈鐵芯的通電和運(yùn)動(dòng)過程及操作電源容量等對(duì)比分析，為后續(xù)配電開關(guān)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)提供分析數(shù)據(jù)。

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(lián)采樣電阻，通過測(cè)量電阻上的電壓來(lái)計(jì)算電流大小；該方法雖然簡(jiǎn)單方便，但得到的采樣信號(hào)沒有經(jīng)過電氣隔離，降低了電路的安全性。電流互感器能測(cè)試大電流，且其功耗低、溫漂低，但存在體積

較大、動(dòng)態(tài)范圍小、磁飽和及二次負(fù)載端不能開路等缺點(diǎn)［5］。分流器原理簡(jiǎn)單、可靠，適用于小電流的測(cè)量，測(cè)量大電流時(shí)有大量熱量產(chǎn)生，精度和性能受到很大的影響［6］。光學(xué)電流傳感器安裝簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，并能實(shí)現(xiàn)高電壓絕緣，但是溫度穩(wěn)定性和可靠性較差［7］。Rogowski線圈不存在磁飽和現(xiàn)象，范圍廣、精度高、穩(wěn)定性高、響應(yīng)頻率范圍寬，特別對(duì)大電流的測(cè)量有效而準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是大批量生產(chǎn)比較困難［8］。近幾年，霍爾電流傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、體積小、重量輕、使用時(shí)間長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)單方便、功率損耗較小、使用頻率高，以及在復(fù)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(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［9］。

霍爾電流傳感器是一種采用半導(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件，即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾電流傳感器則用來(lái)測(cè)量這一磁場(chǎng)。通過測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小間接測(cè)量載流導(dǎo)體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過了電—磁—電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。

霍爾電流傳感器有直測(cè)式（開環(huán)）和磁平衡式（閉環(huán)）兩種，開環(huán)霍爾電流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，由于鐵芯的非線性，其精度不高、響應(yīng)速度慢、溫漂大、線性度差。閉環(huán)霍爾電流傳感器克服了直測(cè)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(cè)量信號(hào)和被測(cè)信號(hào)之間的電氣絕緣好、響應(yīng)時(shí)間快、線性度好［10-12］。

閉環(huán)霍爾電流傳感器利用磁平衡原理，原邊電流利用次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)平衡被測(cè)電流在鐵芯上產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過檢測(cè)次級(jí)線圈信號(hào)間接得到被測(cè)電流的大小［13］。圖1所示為閉環(huán)霍爾電流傳感器的基本原理。

圖1 閉環(huán)霍爾電流傳感器基本原理

在測(cè)量電流的過程中，被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)被鐵芯聚集并被霍爾電流傳感器所感應(yīng)，霍爾電流傳感器通過對(duì)輸入信號(hào)的處理，產(chǎn)生信號(hào)輸出并驅(qū)動(dòng)功率管使其導(dǎo)通，從而得到補(bǔ)償電流Is，補(bǔ)償電流通過繞制的刺激線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使得霍爾電流傳感器的感應(yīng)輸出減小。當(dāng)被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，補(bǔ)償電流不再增加，霍爾電流傳感器感應(yīng)的磁場(chǎng)為零，即可通過補(bǔ)償電流來(lái)測(cè)試被測(cè)電流。被測(cè)電流發(fā)生變化將會(huì)對(duì)這一平衡產(chǎn)生破壞，霍爾電流傳感器會(huì)有信號(hào)輸出，經(jīng)過功率放大器放大后，就會(huì)有電流流過次級(jí)補(bǔ)償繞組對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，這一動(dòng)態(tài)過程可表述為［14-15］

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

2 配電開關(guān)特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

配電開關(guān)大多是以電磁鐵芯作為分、合閘操作的第一級(jí)控制件，再由鐵芯運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)配電開關(guān)觸頭分、合閘。故電磁線圈作為關(guān)鍵部件，其電流波形中包含著診斷機(jī)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(guān)合閘動(dòng)作時(shí)，線圈中的典型電流波形圖，電流波形隨鐵芯運(yùn)動(dòng)的變化過程可分為以下4個(gè)階段。

1）鐵芯觸動(dòng)階段。對(duì)應(yīng)圖2中T1～T2的電流波形起始部分。T1為配電開關(guān)控制命令到達(dá)時(shí)刻，是配電開關(guān)分、合閘時(shí)間計(jì)時(shí)起點(diǎn)；T2為線圈中電流、磁通上升到足以驅(qū)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)，即鐵芯開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻。線圈從通電的瞬間T1起到鐵芯開始運(yùn)動(dòng)T2的瞬間止，這段時(shí)間內(nèi)，鐵芯靜止不動(dòng)，線圈電流從零開始按指數(shù)函數(shù)上升。線圈電壓方程式為

若從T1到T2時(shí)間內(nèi)電流上升到Ic，則

2）鐵芯運(yùn)動(dòng)階段。在鐵芯運(yùn)動(dòng)以后，線圈自感系數(shù)L隨時(shí)間變化，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)線圈電壓為

3）觸頭分、合閘階段。對(duì)應(yīng)圖2中T3～T4的電流波形部分。在T3～T4時(shí)間段，鐵芯已停止運(yùn)動(dòng)。線圈工作氣隙及線圈電感L均不再變化，電流又按指數(shù)函數(shù)上升，但此時(shí)的線圈電感大于鐵芯觸動(dòng)階段的電感值。這一階段通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)配電開關(guān)觸頭分、合閘的過程。T3是鐵芯停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，而觸頭則在T3前后開始運(yùn)動(dòng)，T3～T4階段可以反映操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況。

4）電流切斷階段。對(duì)應(yīng)圖2中T4的電流波形部分。T4為配電開關(guān)輔助接點(diǎn)切除時(shí)刻，輔助接點(diǎn)切斷后開關(guān)控制回路斷開。輔助接點(diǎn)切斷過程中，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長(zhǎng)，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(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的特征值可以得出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)閥、鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)［16］。

設(shè)計(jì)的配電開關(guān)動(dòng)作特性的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過在配電開關(guān)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(shí)由霍爾直流傳感器采集合、分閘線圈的電流和電壓信號(hào)，將采集到的合、分閘線圈電流和電壓信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理部分經(jīng)過濾波、轉(zhuǎn)換等作用將直流電流信號(hào)變成直流電壓信號(hào)；再通過隔離放大電路將此電壓信號(hào)放大后通過A／D轉(zhuǎn)換將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入CPU中，如圖3所示。

圖3 配電開關(guān)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

配電開關(guān)動(dòng)作數(shù)據(jù)由終端通過RS232接口傳遞給子站，子站將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過光纖通信送至主站，由主站將收到的電流數(shù)字量模擬還原成分、合閘曲線，并在監(jiān)控界面上顯示出來(lái)。主站將終端上送的數(shù)據(jù)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(duì)，即可以評(píng)估出操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，預(yù)測(cè)故障可能出現(xiàn)的位置，有針對(duì)性地安排檢修，提高供電可靠性。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

選用珠海許繼電氣配電開關(guān)進(jìn)行高低壓分、合閘動(dòng)作試驗(yàn)，采集其分、合閘線圈波形曲線進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖4、圖5所示。

圖4 開關(guān)分閘線圈波形

圖5開關(guān)合閘線圈波形

圖4、圖5中黃色曲線為電壓波形，藍(lán)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(guān)鐵芯的啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間、輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間以及配電開關(guān)動(dòng)作過程中線圈的峰值電流。配電開關(guān)是以終端內(nèi)置電容作為控制電源，從電壓波形中可以看出配電開關(guān)動(dòng)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(guān)高低壓分、合閘波形圖可以看出，電壓的變化會(huì)對(duì)分、合閘時(shí)間產(chǎn)生影響，高電壓時(shí)動(dòng)作時(shí)間縮短，低電壓時(shí)動(dòng)作時(shí)間拉長(zhǎng)，但電壓監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)滿足GB／T 11022—2011第5.8的要求。

圖6所示為配電開關(guān)控制電源能量不夠?qū)е路珠l失敗。由圖可見，配電開關(guān)動(dòng)作時(shí)電壓明顯被拉低，且鐵芯啟動(dòng)時(shí)刻T1，鐵芯開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻T2等關(guān)鍵點(diǎn)都很明顯，在鐵芯停止運(yùn)動(dòng)時(shí)刻T3鐵芯撞擊啟動(dòng)閥但撞擊力不夠，未能帶動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，導(dǎo)致配電開關(guān)合閘失敗，電流波形中無(wú)第二峰值和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)。該分閘波形分析結(jié)果與實(shí)際配電開關(guān)動(dòng)作情況完全符合。

圖6控制電源能量不夠?qū)е路珠l失敗波形

圖7所示為配電開關(guān)機(jī)構(gòu)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(dòng)后并未運(yùn)動(dòng)，電流逐漸衰減。

圖7 配電開關(guān)機(jī)構(gòu)卡死分閘波形

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于霍爾電流傳感器的配電開關(guān)動(dòng)作特性的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電開關(guān)分、合閘實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，能對(duì)分、合閘線圈的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大、存儲(chǔ)和分析，通過對(duì)線圈電壓和電流波形的監(jiān)測(cè)和判斷，能夠?qū)ε潆婇_關(guān)線圈鐵芯的通電和運(yùn)動(dòng)過程、操作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)、操作電源容量等做出分析比對(duì)，為后續(xù)配電開關(guān)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)提供分析數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行初判斷。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全面、操作性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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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(dòng)化，配電設(shè)備一、二次融合等相關(guān)工作；

李建修（1985），男，工程師，從事配電網(wǎng)狀態(tài)檢修及運(yùn)行分析相關(guān)工作；

劉合金（1986），男，工程師，從事配電網(wǎng)狀態(tài)檢修及運(yùn)行分析相關(guān)工作；

黃偉軍（1976），男，工程師，從事配電自動(dòng)化系統(tǒng)及智能成套設(shè)備的研究、開發(fā)、應(yīng)用工作；

潘希（1990），男，工程師，從事配電自動(dòng)化系統(tǒng)及智能成套設(shè)備的研究、開發(fā)、應(yīng)用工作。