基于觸頭行程測量的中壓斷路器機械特性在線監測技術

　　馬亞

(西安工程大學　陜西　西安　710048)

引言

隨著電力系統的飛速發展，尤其是智能變電站的大力建設，傳統的“定期檢修”已不能滿足智能變電站的建設，為了確保斷路器能夠可靠的工作，對高壓開關設備的可靠性提出了更嚴格的要求。斷路器作為電力系統中最主要的高壓開關設備，其重要性不言而喻。為保證斷路器能夠可靠的工作，避免由于故障原因造成不必要的損失，斷路器的機械特性在線監測技術在其中的重要性不言而喻，斷路器機械特性參數一般包括三種參量，即行程、時間和速度，這三個參量直接關系到斷路器的關合性能。眾所周知，合閘時間過長，分合閘速度降低，燃弧時間變長，觸頭磨損增加，觸頭的電壽命就會縮短。相反，如果分合閘速度太高，會對斷路器操動機構產生巨大的撞擊，造成部分器件的損壞。斷路器的分合閘不同期會產生操作過電壓，危害絕緣，造成電力系統非全相運行。所以，斷路器的觸頭行程參數對斷路器運行狀態有著重要的作用。

本采用旋轉位移傳感器進行斷路器觸頭行程測量，既不改變斷路器原始結構，又能有效測量觸頭行程信號。首先分析了傳感器的工作原理；其次，進行監測裝置的軟硬件設計；最后，搭建試驗平臺以一臺型號為ZN63A-12戶內型高壓真空斷路器進行試驗，將獲得的觸頭行程、超程、開距等機械參數與正常運行狀態下斷路器的機械參數進行比較、分析，試驗證明本文方案可行。

一、斷路器觸頭行程測量原理

斷路器操動機構是四連桿結構，將旋轉位移傳感器能夠安裝在斷路器操動主軸的一端。旋轉位移傳感器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉化成數字量或電脈沖的傳感器，一般分為增量式、絕對式和混合式三種，本論文采用的是增量式的旋轉位移傳感器。增量式旋轉位移傳感器內部有兩個光敏接受器，傳感器可以通過光敏接受器將角度碼盤的轉過的角度和相位關系轉化為主軸轉動方向的判斷依據。斷路器操動主軸的轉動帶動旋轉位移傳感器一起轉動，A、B會輸出不同的狀態，如果把當前A、B的輸出狀態記錄下來，與下一個輸出狀態相比較，從而得到角度碼盤的旋轉方向，間接的可以判斷出斷路器操動主軸的轉動方向。旋轉位移傳感器旋轉一圈旋轉了360度，同時旋轉一圈也會對應一個固定的脈沖數，本論文所采用的旋轉位移傳感器旋轉一周產生2000個脈沖，即一度對應6脈沖，而旋轉位移傳感器采集上來的數據是脈沖數，將脈沖數轉化為相應的角度即可得到斷路器操動主軸轉過的角度。本文選用DSP28335作為MCU，其外設有一個正交編碼脈沖電路QEP，將斷路器操動主軸轉過的角度對應的TTL電平信號送入QEP電路進行計算，得到變化的總脈沖數，即為相應的斷路器主軸旋轉角度。然后根據斷路器內部機構連接的關系求取出動觸頭的直線位移，得到斷路器分合閘時對應的觸頭行程時間關系。

二、在線監測裝置的硬件設計

斷路器機械特性在線監測硬件電路圖三部分構成。1)測量單元：通過旋轉位移傳感器、無線測溫模塊、閉環霍爾電流互感器，其中，旋轉位移傳感器用來測量A、B、C三相觸頭觸頭行程；無線測溫模塊用來測量三相觸頭溫升，并通過433MHz射頻芯片將溫升數據發送至主控板；閉環霍爾電流互感器用來測量斷路器分合閘線圈及儲能電機的電流，用來確定分合時間；2)智能控制單元：MCU控制A/D采樣，數據濾波、存儲及機械參數計算短路出頭行程、超程、開距、分合閘速度的機械特性參數，并根據歷史數據及設定的閾值進行故障判讀；3)采用CAN總線將斷路器的各機械參數上傳至上位機進行顯示及觸頭行程曲線繪制。

三、在線監測裝置的軟件設計

監測裝置上電后，首先，進行系統初始化；其次，通過實時監測斷路器的開入量與分合閘線圈電流，判斷斷路器是否發生動作。當斷路器發生動作，采用A/D+DMA中斷的模式對進行信號采集與搬運，數據搬運結束后，關閉DMA中斷，并分別調用分合閘采樣子程序、濾波算法程序、數據運算子程序進行采樣數據備份，數字濾波、斷路器特征參數計算和打包；最后，通過CAN通訊方式將曲線數據與特征參數全部上傳至斷路器IED。

四、實例分析

本次實驗是對ZN63A-12戶內型高壓真空斷路器的觸頭行程進行測試，通過對測試的波形計算得出，合閘時間為45ms，分閘時間為25ms，觸頭行程為15.6 mm，開距為12 mm，超程為3.6mm。ZN63A-12戶內型高壓真空高壓斷路器出廠時的參數分別為：合閘時間為43ms，分閘時間為24ms，觸頭行程為14.6 mm，開距為11.1 mm，超程為3.5 mm，通過對比得出，旋轉位移傳感器的測量誤差在1.5%以內，符合要求。

五、結語

本文采用旋轉位移傳感器進行斷路器觸頭行程測量，在沒有破壞斷路器的絕緣特性，而且旋轉位移傳感器輸出的數字信號，提高了設備的抗干擾能力，同時很好的利用DSP高速數據處理能力，快速、可靠的實現對斷路器分合閘時觸頭行程數據的采集，行程錄波數據曲線的繪制以及各機械特性參數的分析計算。實現了斷路器健康狀況的實時監測。