一種斷路器彈簧操動機構彈簧壓力監測系統的設計與實現

張 旭 孔志武 彭躍輝 王巖妹

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

高壓斷路器是電力系統中的重要設備，隨著使用年限的增加，斷路器機構潤滑、彈簧疲勞等機械故障會逐漸顯現，嚴重影響斷路器分合閘的可靠性。據統計，機械故障占斷路器操動機構故障的45.7%[1-2]。加強對斷路器操動機構的研究，對提高斷路器可靠性具有重要意義[3]。

本文基于CT□-2.6Ⅰ型斷路器彈簧操動機構，進行該型斷路器彈簧操動機構與彈簧壓力傳感器的一體化設計，對傳感器輸出信號進行精密放大，完成對彈簧壓力的實時準確采集，通過軟件設計，實現對斷路器機構彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監測和故障預警。

1 斷路器彈簧操動機構與彈簧壓力傳感器一體化設計

斷路器彈簧操動機構機械零部件較多，傳動過程相對復雜，且操作功較大，工作時具有較大的振動噪聲，植入壓力傳感器不僅要保證測量數據的準確性、耐用性和校準的便捷性，還要考慮壓力傳感器與彈簧機構特性匹配，即機構植入壓力傳感器后不應影響其分合閘操作[4-5]。本文設計的斷路器彈簧操動機構與彈簧壓力傳感器一體化機構通過調整彈簧形變量，將彈簧壓力值與原設計彈簧壓力值保持一致。通過專業設備測試，一體化機構機械特性主要技術參數見表1，滿足該型號機構所配斷路器的機械特性要求。

表1 一體化機構機械特性主要技術參數

圖1 所示為斷路器彈簧操動機構分、合閘彈簧壓力傳感器安裝位置示意圖，合閘彈簧壓力傳感器、分閘彈簧壓力傳感器均固定在其靜端。合閘彈簧一端由合閘彈簧筒支撐，另一端在合閘彈簧拉桿和合閘彈簧壓板的作用下處于壓縮狀態，合閘彈簧壓力傳感器位于合閘彈簧和合閘彈簧筒之間；分閘彈簧一端由分閘彈簧筒支撐，另一端在分閘彈簧壓桿和分閘彈簧壓板的作用下處于壓縮狀態，分閘彈簧壓力傳感器位于分閘彈簧和分閘彈簧筒之間。

圖1 斷路器彈簧機構傳感器安裝位置示意圖

2 斷路器機構彈簧壓力監測系統設計

2.1 系統結構設計

系統的主要功能是監測斷路器彈簧操動機構的彈簧壓力。系統通過數據采集單元將壓力傳感器信號轉換成4～20mA 信號后上傳給智能監測裝置，在裝置內進行數據解析、狀態診斷，并將診斷結果上傳到監控后臺[6]，通信結構如圖2 所示。

圖2 系統通信結構

1）壓力傳感器設計

壓力傳感器采用高度低、截面小的設計方式，使得機構壓桿可以穿過傳感器，且傳感器的安裝和介入不改變彈簧機構的調試、檢修和機械特性。傳感器具有足夠的抗壓、抗振、抗沖擊能力，確保在彈簧最大力值條件下長期、可靠穩定工作[7-8]。

壓力傳感器的線性測量誤差、重復性測量誤差、滯后誤差等參數依據JJG 391—2009《力傳感器》檢定規程設計，工作條件依據Q/GDW 1535—2015《變電設備在線監測通用技術規范》設計[9]。具體參數見表2。

表2 壓力傳感器技術參數

2）數據采集單元設計

數據采集單元用于實現對斷路器彈簧操動機構分、合閘彈簧壓力傳感器感知信號的采集、處理、傳輸等功能，其設計性能滿足表3 要求。

表3 數據采集單元設計技術指標

測量誤差為

式中：E為絕對測量誤差；M1為數據采集單元測量數據；M2為標準測量儀器測量數據。

3）智能監測裝置選型設計

智能監測IED 硬件平臺采用研華科技MIC—1816 工控機，MIC—1816 具有集成的數據采集模塊和信號調理功能，可提供數字I/O，模擬I/O 和計數器功能。同時還支持串行通信端口和其他幾個網絡接口，以實現無縫集成和快速的系統開發。系統采用ubuntu12.04，Linux 3.13 內核，具有較好的人機交互能力。

2.2 系統軟件設計

系統軟件主要實現分合閘彈簧壓力傳感器數據接入，實時采集、解析分合閘彈簧壓力值，根據算法模型診斷彈簧疲勞狀態，實現對斷路器機構彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監測和故障預警。

系統軟件基于Qt 開發框架。主程序讀取配置文件，根據所配置模式開啟通信線程，成功讀取到通道數據后發送讀結束信號，數據存儲線程響應并啟動，進行數據存儲，成功存儲后發送接線信號，數據處理線程響應并啟動，進行數據解析。IedServer對象在程序運行時創建，啟動協議棧，采用QList進行數據交互，循環組織報文實現制造報文規范（MMS）服務端功能[10-11]。軟件設計如圖3 所示。

圖3 系統軟件設計框圖

3 系統測試及應用

目前該系統已通過出廠測試，測試初始狀態為合閘已儲能狀態，測試數據表明系統監測到的壓力值與校驗工裝檢定的壓力值誤差在誤差區間內（±500N），分合閘彈簧壓力監測數據如圖4 所示。

圖4 分合閘彈簧壓力監測數據

目前系統正在浙江某智能化試點站設計試用，數據監測界面分別如圖5～圖7 所示。

圖5 分閘儲能狀態動作曲線

圖6 合閘自儲能狀態動作曲線

圖7 分閘未儲能狀態動作曲線圖

4 結論

本文從電力系統GIS 設備質量提升角度出發，設計了斷路器彈簧操動機構彈簧壓力在線監測系統，實現了對斷路器機構彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監測和故障預警，該系統可通過分析監測壓力值與出廠壓力值變化情況，提前預警斷路器彈簧操動機構彈簧疲勞狀態，彌補目前斷路器機械特性在線監測無法提前預警的不足，對于提升斷路器可靠性具有重要意義，符合智能變電站的發展要求。