電動隔離開關狀態監測及診斷系統的研究

黃春富 張躍峰 李超 金嶺華 沈吉

摘要：對于電力系統而言，電氣設備的運行工況直接關系到整個系統的運行可靠性與安全性，因此有必要就各個電氣設備運行狀態等進行全面監測。本文以常見的隔離開關為例，闡述其出現機械式故障的主要原理，并分析了電動隔離開關工作狀態的檢測與診斷系統的數據收集與通信處理，從而為后期設備檢修計劃的進行等提供重要參考，有利于提升設備的使用效率與壽命，同時對于整個電力系統的穩定運行也有一定的積極意義。

關鍵詞：隔離開關;狀態監測;診斷系統

引言

電氣設備，特別是經常需要其可靠動作的一些電氣設備，在整個的運行過程中可能會由于氣候、溫濕度環境以及搭載的負荷等多方面因素從而導致設備出現工作老化、機械故障以及性能下降等多方面問題。而在電力系統實際運行期間，隔離開關的機械傳統部分則會因為長期的頻繁動作或者高負荷運行從而出現機構故障、磨損以及銹蝕等問題，設備動作失靈以及結構性破壞等情況時有發生。如若不對其進行有效的監控與管理，勢必會進一步增加設備的使用安全隱患，同時也無法很好的起到對設備的保護作用，故有必要就電動隔離開關狀態監測及診斷系統展開研究。

1.隔離開關機械故障監控的主要工作原理

在電力系統中，高壓隔離開關主要用于以下三個方面，第一，隔離電源，從而確保相關高壓設備和裝置等可以徹底的與電源脫離，避免檢修過程可能存在的風險;第二，倒閘處理，將電氣設備從一種狀態轉換為另一種狀態或使系統改變運行方式;第三，對小電流電路進行分合處理。目前，國內的隔離開關主要配置的電動機組件為CJ5、CJ6、CJA7G等幾種，選用0.5-0.6千瓦的三相異步電動機作為整個機械機構的驅動模塊。基于降速組件，包括渦輪、絲桿以及齒輪等等傳動從而有效的與隔離開關主軸保持可靠隔絕。執行分合閘操作時，每次轉角為一百八十度。而在分合閘完成時，基于行程開關將整個電動機組件的電源進行徹底切除。

2.電動機電流變化波形

三相異步電動機是整個隔離開關電動部分的能源轉換設備，電機的定子電流可以全面的反饋機械設備的各項運行信息。基于電流傳感器設備可以檢測當前電動機的工作電流，從而可以了解其是否存在卡澀等情況。將隔離開關安裝調試完畢的特性曲線進行有效記錄，并找出其中存在的最大偏差，基于此判斷是否存在卡澀情況。針對GW6型號的開關設備，也可以通過對其中平衡彈簧當前工作狀態處于失效還是脫落的監察，從而進行判斷。將得到的無線存儲至數據庫中，和后續所檢測到的曲線進行關聯性分析。如下圖所示

如上圖所示，在t0-t1時間段中電機開始得電，且在該時間段內會瞬間得到一個比較高的脈沖大電流，即啟動電流。而在t1-t2時間段內，此時電機的轉子開始轉動，電機伴隨著出現反電勢，電流逐漸降低，t2-t3時間段內，電機已經進入相對平緩的運行轉臺，電機各方面工作相對穩定;在t3時間點是開關動靜觸點剛剛接觸時間，高負荷瞬間加載至電機中，此時電流也會隨之而增加，最后電流在t4時間點達到一個最高值狀態，與此同時在t4時間點限位開關也會跟著動作，并將線路中的電流徹底切斷。基于對實際某個變電站中的隔離開關傳動機構卡澀、合閘不充分的CJ7A隔離開關進行測試，就系統顯示結果而言，隔離開關電機動作電流是A、B、C三相的電流值大小分別為2.7A、2.5A以及2.6A，要明顯高于隔離開關操作機構的額定動作電流值1.9A。因此就該結果不難發現，電機和隔離開關之間的傳統機構卡滯以及隔離開關分合不到位等情況的出現，主要是由于電機內部的繞組出現問題所致。

3.數據的收集與信息交互

3.1電量消耗的收集與信息交互

為了盡可能的降低對電動機運行可能產生的影響，目前主要基于一種性能相對優越的傳感器設備，霍爾電流傳感器設備從而進行參數信息的收集。該傳感器設備的輸出的電壓信號與電動機電流的變化呈正相關關系。第一，利用中央處理器的高速輸入模塊HSH分析計算得到周波頻次，并得到采樣/保持器的控制頻次，中央處理器基于對一個周期進行32點的頻次采集，并集合傅式算法將時間內收集到的電流消耗轉變為電流信息。有現場監控模塊收集到現場的信息，并利用現場所搭建的網絡通信總線將其傳達至上位機模塊。現場監測模塊與上位機之間主要利用RS485通信（主從通信方式）的方式進行可靠連接，接口芯片主要選用MAX485（Maxim公司的一種RS-485芯片）.

3.2主軸轉速的檢測

增量式旋轉光電編碼設備安置在電動機的轉動主軸上從而用于檢測系統的轉軸角位置。其主要基于圓光柵（載體為圓形的光柵），利用光電轉換機制，將軸旋轉角位移轉換為電脈沖信息。該傳感器的主要優點在于重量特別小、所需要的力矩不高且工作可靠性更強。當主軸開始轉動時，編碼器則會跟著輸出A和B兩路相位角度差在90度的正交脈沖信號。通過對該信號的分析與處理，即對A和B的信號的相對相位的確定，從而得到碼盤（測量角位移的數字編碼器）的整個轉動方向。如若某情況下，A明顯超前于B則可以判定當前為正的轉動方向，否則繼而反向轉動。這就是正交信號具備的可識別性的優勢。基于計數器設備可以對采集到的A/B兩路進行計數，并由此得到角位移的變化情況。

利用旋轉光電編碼器設備所輸出的兩路正交脈沖信號，基于光電隔離處理，再利用施密特觸發器進行進一步的整形處理，從而可以得到A與反相A 以及B與反相B的矩形波信號。再將施密特觸發器處理得到的四路波形通過單穩器件，由此得到各自上升沿以及下降沿信號，將各個脈沖信號通過“與或非”電路，即可實現對各個信號的處理，輸出反應角位移的信號P、P1。基于三片4029（cd4029芯片）構成的十二位加減計數器，兩路加減脈沖信號經過計數器的計算，得到10位二進制的編碼信息，其結果和角位移逐一對應。收集系統按照固定的采樣頻次從而讀得該10位結果信息，得到隔離開關操作期間的主軸角位移的時間變化曲線。

4.結束語

隨著現代社會發展越來越快，無論是工業領域還是人們日常生活方面均出現了大量的新型的且更為先進的用電設備，而與此同時對于供電質量的可靠性以及用電量方面提出了更高的要求。電力系統主要由各個電力設備以及用戶等多方面組成，電氣設備的運行工況則直接決定了整個系統的運行情況，因此對于相關部門務必加強對電氣設備的監控與管理，從而確保其運行狀態。隔離開關是變電站系統最為常見的設備之一，日常使用中需要經常性的對其進行分合閘作業，而長時間的高負荷運行加上工作環境復雜性經常會導致隔離開關工作異常等情況發生。為了確保整個電力系統運行的可靠性以及現場檢修維護等作業的安全性，需要對隔離開關進行全面監控與管理。基于電動隔離開關狀態監測及診斷系統可以利用上位機設備從而瀏覽近一段時間內隔離開關的操作情況、數據信息等并以此判斷設備當前的運行健康與否。此次探究主要針對電動隔離開關的狀態監控、診斷進行。隔離開關工作狀態的監控，不但可以為設備是否需要進行維護保養提供必要的參照依據，同時也可以用于判斷相關檢修工作的落實是否到位，檢修質量是否達標。該技術的應用無疑可以大大提升整個設備的利用質量，降低設備被迫停止運行的概率，有利于電力系統的持續、穩定運行。

參考文獻

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