高壓隔離開關(guān)操作機構(gòu)電機電流采集技術(shù)研究

任劍

摘要：在高壓開關(guān)設(shè)備中，隔離開關(guān)（DS）的使用量是最大的，在高壓電網(wǎng)中起到隔離線路，建立可靠絕緣間隙的作用，DS還用于換接線路以及變換母線接線方式。DS性能的好壞直接影響電網(wǎng)的安全運行，是高壓電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一。高壓隔離開關(guān)在分合閘過程中常由于操動機構(gòu)速度的快或慢而引起拒分、拒合、分合閘不到位以及傳動部件損壞變形等故障，因此，有必要對開關(guān)觸頭的運動過程進行控制。以往的高壓隔離開關(guān)操動機構(gòu)采用彈簧、液壓或氣動技術(shù)，具有連桿多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，因此，其累計運動公差大、響應(yīng)緩慢、可控性差，難以實現(xiàn)觸頭的運動控制。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān);操動機構(gòu);電機輸出;扭矩;電流關(guān)系;分析

1導(dǎo)言

高壓隔離開關(guān)主要用于倒閘操作、隔離電源或者分合小負荷設(shè)備。在倒換運行方式或者設(shè)備停電檢修時，隔離開關(guān)能否順利操作直接影響到系統(tǒng)的供電可靠性和安全性。高壓隔離開關(guān)多工作于戶外環(huán)境，轉(zhuǎn)動或傳動機構(gòu)長期暴露在空氣中易發(fā)生銹蝕，加之運行維護不及時，出現(xiàn)隔離開關(guān)分合閘不到位、運動卡滯等機械故障，這已經(jīng)成為隔離開關(guān)安全運行急需解決的難題之一。隔離開關(guān)工作時，操動機構(gòu)電機通過軸系統(tǒng)帶動傳動機構(gòu)運動，完成分合閘動作。當(dāng)傳動機構(gòu)出現(xiàn)卡滯等異常情況時，操動機構(gòu)電機輸出軸的扭矩增大，因此電機輸出軸扭矩是反映隔離開關(guān)機械故障的重要指標。

2 DS電機機構(gòu)控制系統(tǒng)

2.1分合閘隔離驅(qū)動控制電路設(shè)計

本文采用功率開關(guān)器件IGBT來控制三相繞組電流的通斷，并設(shè)置RCD緩沖電路改變器件的開關(guān)軌跡控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關(guān)損耗，保護器件安全運行。在IGBT關(guān)斷過程中，電容C通過二極管充電，吸收關(guān)斷過程產(chǎn)生的du/dt，在IGBT開通后，通過電阻R放電.吸收二極管必須選用快速恢復(fù)二極管，其額定電流應(yīng)不小于主電路器件額定電流的1/10。此外，應(yīng)盡量減小線路電感，應(yīng)選用內(nèi)部電感盡量小且高頻特性好的吸收電容。

2.2電機位置檢測電路設(shè)計

位置檢測電路起著測量轉(zhuǎn)子磁極相對位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，然后控制定子繞組換相。本控制系統(tǒng)采用三個鎖存型霍爾元件按一定角度固定在霍爾盤上作為電機位置檢測傳感器。霍爾盤固定在電機外殼上，制作一個圓形磁鋼模擬電機內(nèi)部磁場分布，磁鋼固定在電機主軸上。當(dāng)電機運動時帶動磁鋼旋轉(zhuǎn)，霍爾元件輸出電平發(fā)生變化，DSP通過捕獲霍爾元件輸出信號獲取電機轉(zhuǎn)子所處位置。

2.3速度檢測電路設(shè)計

采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器去檢測轉(zhuǎn)子的速度，光電旋轉(zhuǎn)編碼器由固定在定子上的光電耦合開關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤所組成。光電耦合開關(guān)沿圓周均勻分布，每只光耦合開關(guān)由相互對著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤位于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口.紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤隨電機轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷導(dǎo)通和截止，其輸出信號反映了轉(zhuǎn)子的速度。

2.4繞組線圈電流檢測電路設(shè)計

傳統(tǒng)的電流檢測電路多利用分壓電阻的方式，此種方法簡單，但電阻會因為溫漂而發(fā)生變化，無法保證測量的精度.同時外部電路與控制電路之間沒有電氣隔離，極易造成主回路中的較高電壓對控制回路的沖擊，對控制系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅.因此在電流測量電路中，采用可實現(xiàn)電氣隔離的霍爾型電流傳感器CHF-400B，傳感器輸出電壓與輸入電流成比例，比值為1/100。電機在正常運行過程中每相繞組中的電流是交變的，但是A/D模塊的輸入電壓范圍是0-3.3 V，所以在傳感器輸出信號前應(yīng)先通過加法器，再經(jīng)過比例運算電路以保證線圈電流信號的安全性。

2.5電容充放電控制電路設(shè)計

BLDCM采用儲能電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧等儲能方式.在控制系統(tǒng)中設(shè)計了電容的充放電控制回路，當(dāng)控制器上電后，首先對電容器組進行充電，由DSP采集電容電壓的信號并進行處理，當(dāng)電壓值達到系統(tǒng)操作要求時，DSP發(fā)出停止充電指令，切斷外界電源。

3、試驗方式與分析

3.1電機電流波形

在隔離開關(guān)正常工作情況下，隔離開關(guān)的分合閘時間為7s，電機瞬時電流為5.268A，從電機啟動、到電流平穩(wěn)的時間為0.2s。當(dāng)電機啟動、電流回路之后，電機則可以按照穩(wěn)定方式工作，在分合閘到位之后，限位開關(guān)發(fā)生動作，并同時切斷電機電流。在該過程中，電機電流信號持續(xù)時間可以作為隔離開關(guān)分閘、合閘動作持續(xù)時間應(yīng)用，隔離開關(guān)每一次發(fā)生動作，需要保證其持續(xù)時間具有穩(wěn)定的特征，如果在操作當(dāng)中發(fā)生時間特性異常情況，則表明隔離開關(guān)動作存在異常問題。同時，在合閘過程當(dāng)中，在負載增加情況下，其操作力也將隨之增大，同時獲得上升電流。在受到多次操作沖擊的情況下，電流波形也因此出現(xiàn)較多峰值。在分閘當(dāng)中，電機電流具有較為平穩(wěn)的波形，僅僅在后期表現(xiàn)出一個較小的波峰，即表明隔離開關(guān)在動作方面具有較為穩(wěn)定的特點，操作沖擊情況沒有發(fā)生。由此可見，在其合閘過程當(dāng)中，負載一直具有較為復(fù)雜的變化特征，電機電流如果大于分閘過程，則非常容易導(dǎo)致機械故障情況的發(fā)生，并對操作絕緣子產(chǎn)生更大的沖擊。

3.2電流信號特征提取

在電流信號產(chǎn)生變化、且該變化超出一定闕值時，即表明該電機具有更大的輸出力矩，傳動機構(gòu)出現(xiàn)卡澀故障。對此，在該研究中，則通過信號波形包絡(luò)線方式提取電機電流信號。為了能夠較好的建立操作力矩同電機電流間關(guān)系，在電流信號采集工作當(dāng)中，則通過測試系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)操作機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)軸表面應(yīng)變情況的測量，并做好開關(guān)動作中輸出轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變信號以及電流信號間的對比。

3.3故障情況電流信號分析

在隔離開關(guān)運行當(dāng)中，其最為常見的故障類型包括有平衡彈簧失效、合閘不到位以及存在銹蝕卡澀現(xiàn)象等。為了能夠做好故障情況下隔離開關(guān)合閘信號分析，則分別在故障情況下進行重復(fù)性試驗，保證電流波形具有較好的重復(fù)性。經(jīng)過測試可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動機構(gòu)以及開關(guān)傳動機構(gòu)出現(xiàn)傳動不暢現(xiàn)象、或者發(fā)生機械故障以及缺陷時，電機電流信號則將發(fā)生異常。當(dāng)隔離開關(guān)拉桿、連接桿以及軸承座發(fā)生卡澀情況時，操作力矩以及驅(qū)動電機電流將隨之增大，可以聯(lián)系電流峰值的高低實現(xiàn)其卡澀程度的判斷，并聯(lián)系峰值出現(xiàn)時間在同開關(guān)動作形成結(jié)合的基礎(chǔ)上做好卡澀缺陷位置的判斷。在本次測試的GW6H隔離開關(guān)當(dāng)中，其傳動機構(gòu)為密封結(jié)構(gòu)類型，在防水方面具有較好的表現(xiàn)。但是，其在運行當(dāng)中觸頭以及上下導(dǎo)電管處于大氣環(huán)境之下，在活動當(dāng)中，其肘節(jié)部位經(jīng)常出現(xiàn)銹蝕卡澀情況，進而增加操作阻力。同正常運行狀態(tài)相比，在卡澀情況下，電流波形主峰值在出現(xiàn)時刻方面存在較多的不同，由此可以判斷，在隔離開關(guān)動作初期就存在卡澀缺陷情況。而在卡澀程度較為輕微的情況下，電流波形在峰值情況下同正常運行相比沒有存在較大的差別，而當(dāng)其卡澀較為嚴重時，波形峰值則會出現(xiàn)滯后情況，即表明卡澀缺陷問題的存在，對隔離開關(guān)動作形成產(chǎn)生了較大的影響。如果隔離開關(guān)具有手動操動結(jié)構(gòu)，則可以聯(lián)系操作過程中手感情況對卡澀缺陷是否存在進行判斷，但對于該種手動判斷方式來說，其對操作人員的工作經(jīng)驗具有較大的需求，且在準確性方面不能夠保證，非常容易導(dǎo)致誤判情況發(fā)生。而根據(jù)電機電流卡澀故障診斷，則能夠?qū)Ω綦x開關(guān)的機械傳動情況實現(xiàn)更為直觀的呈現(xiàn)。

4、結(jié)束語

在電力系統(tǒng)運行中，隔離開關(guān)可以說是非常重要的一個環(huán)節(jié)，如果隔離開關(guān)存在故障問題，將直接影響到電力供應(yīng)的安全穩(wěn)定。在上文中，我們對電機電流檢測的高壓隔離開關(guān)機械故障診斷進行了一定的研究，具有較好的應(yīng)用價值。

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