高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置研究

盧晨加

高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置研究

盧晨加

（廈門市百崗電氣有限公司，福建 廈門 361022）

對高壓開關柜中斷路器機械特性的在線監測裝置進行了研究，利用斷路器的輔助觸點和斷路器觸頭開閉的相對固定時間差，獲取斷路器剛合點和剛分點時刻，使用非接觸角位移傳感器進行間接測量觸點的行程曲線，可靠分析了計算斷路器的開距、超程、速度等主要特征，有效地解決了傳統角度位移傳感器和線性位移傳感器安裝困難的問題。

高壓開關柜；斷路器；機械特性；在線檢測裝置

在供配電網中開關柜是最重要的組成部分之一，而其核心部件斷路器的壽命和健康狀態直接影響配電網絡的可靠運行，因此需對斷路器的運行狀態進行監測分析，及時排除隱患，保障配電安全。斷路器的合分閘時間與斷路器的速度有直接關系，其實際速度會直接影響斷路器的壽命和開閉性能。如果合閘速度過慢，則預擊穿時間長，電弧存在的時間長，觸頭表面電磨損大，甚至使觸頭熔焊而粘住，降低滅弧室的電壽命；如果分閘速度過慢，將會導致斷路器斷開時間過長，增加燃弧時間甚至導致開斷失敗，而分閘速度太快，會導致分閘反彈過大，容易產生重燃現象，由此可以看出，斷路器速度影響斷路器的分斷性能和轉換性，因此分合閘速度是一個非常重要的參數。斷路器速度和行程可以通過斷路器的動觸頭的行程時間曲線獲得，而在實際應用中機械式位移傳感器存在安裝不變和使用壽命短的問題，所以可通過斷路器主軸旋轉角度和動觸頭的行程對應關系間接獲取分析結果。

1 監測裝置硬件設計

1.1 監測裝置組成及工作原理

壓開關柜內斷路器機械特性在線檢測裝置包括電流傳感器、信號處理器、角度位移傳感器、核心數據處理其以及數據通訊。其中，霍爾傳感器可以確定起始時刻，輔助接點可以確定終止時刻，而角度位移傳感器則負責收集整理數據，用核心數據處理器完成數據的解析，通過數據通訊監測整體裝置。

操作開關柜斷路器接到打開或關閉命令時，完成特定操作需要一定的時間，任何機構的斷路器都是如此，如操作過程實踐時間過長或時間過短，都會在一定程度上影響斷路器的整體性能，情況較為嚴重的會導致斷路器出現故障問題，影響安全性。通過霍爾電流傳感器檢測分合閘線圈電流，同時檢測角位移傳感器變化參數，經AD轉換為數值信號，由MCU內部分析處理。機械特性的剛合剛分時間通過監測斷路器輔助開關切換時間及斷路器觸頭和輔助開關相對固定的時間差計算所得。監測裝置通過測量斷路器的分合閘行程開關及主軸旋轉角度測量觸頭的行程。主軸的旋轉角度與觸頭的行程間存在聯系，而斷路器斷開閉合過程將會對兩者造成影響，因此在線監測裝置可根據此理論進行設計。

1.2 角度傳感器的選擇與安裝

角位移傳感器選擇德國Novotechnik公司的非接觸式角位移傳感器，非接觸式的角位移傳感器內包含磁場感應，通過磁場感應延長機械壽命，使其達到無限使用的目標。一般情況下主軸附近存在安裝空間，采用非接觸式角位移傳感器的安裝更加方便，且可以遠離高壓部分。而非接觸式的角位移傳感器可分為傳感器、磁位器兩部分，其中磁塊固定在主軸終端，傳感器通過支架固定，傳感器與磁位器安裝時不需要有物理性連接。通過測量可以得出斷路器分合閘過程中的主軸角位移曲線，分析主軸的角位移曲線可以得出動觸頭直線位移曲線，多種型號的斷路器都可以通過此方法進行間接測量，且適用于大多數測量環境。

1.3 角度傳感器的設計

選用的角位移傳感器采用+5 V供電，使其輸出值保持在0.25～4.75 V。在設計角度傳感器時需注意信號濾波、同比縮放以及A/D輸入電壓的箝位，如遇到毛刺信號，可以使用RC低通濾波器進行濾頻，進而不斷提高信號精確度，有效防止外界信號的干擾。同比縮放則需要將信號控制在A/D允許的范圍內，進而增大輸出信號電路的阻抗，而A/D輸入電壓箝位則可以保護A/D端口，限制端口電壓，使其保持在0～5 V內。

1.4 輔助控制電路設計

通過斷路器分合閘輔助行程開關信號，經光耦隔離后連接至MCU的INT中斷引腳上，以確定斷路器剛分、剛合時刻，并適當增加低通濾波器RC濾波電路，防止干擾信號誤觸發。

霍爾電流傳感器輸出經濾波及差分放大后進入AD端口進行檢測，霍爾電流傳感器存在零漂，數據處理過程中需要做相應補償。

2 監測裝置軟件設計

2.1 整體軟件設計

在軟件設計過程中可以應用485通訊程序，有效應用可以實現數據共享，實際應用時可將多監控設備的網絡進行連接，監控設備。在整體軟件設計時應充分考慮多種問題，使軟件設計包括電流波形處理程序、初始化程序，通過基礎程序設計角度行程對應處理程序，使整體系統可以計算機械特性。在系統設計中，A/D采樣程序、通訊程序也是重要組成部分，MCU實時監測分合閘電磁鐵電流及當前角度，檢測到啟動電流后同步記錄存儲電流及角度值。

2.2 數據處理

現場監測波形會出現許多數據毛刺，形成的原因是存在干擾等，這些問題會使采樣初始數據出現干擾性問題，如果不處理這些數據，將會產生很大誤差，最終影響行程曲線擬合及最大速度計算，因此，需要采用數字濾波的去噪方法，有效剔除干擾，使信號處于無失真狀態還原。

3 實驗結果與分析

根據斷路器機構的傳動機械特性可以得出斷路器動觸頭線性位移和主軸角位移移傳感器之間的擬合關系，利用機械特性角度對應行程的轉換關系，MCU中的編程還可以實現動觸頭位移，計算出斷路器分閘和閉合時刻行程，最終通過分析得出動觸頭剛性分閘以及閉合速度，在計算過程中應以剛合點前和剛分點后的一段特定行程計算合分閘速度。

某品牌斷路器測試角位移波形及計算參數如圖1所示。

4 結論

采用非接觸角度傳感器可以有效在線監測斷路器開閉時主軸旋轉角度，使在線監測傳感器的機械特性更加符合實際需求。機械特性檢測裝置在供配電用戶使用過程中能清楚反饋當前開關柜斷路器狀態，有利于制訂合理的斷路器維護和保養措施，保障配電安全。

［1］張國棟，胡晉星，宋婧楷.高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置研究［J］.山西電力，2012（Suppl 1）：1-6.

TM561

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.005

2095－6835（2020）08－0013－02

盧晨加（1982—），男，福建永定人，本科，研發工程師，主要研究方向為開關柜二次檢測與智能化控制。

〔編輯：嚴麗琴〕