高壓真空斷路器在線監測裝置結構改進

李禎維，吳建軍，李家俊，楊 澤，鐘建偉

（1.國網湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北恩施 445000；2.湖北民族大學 信息工程學院，湖北恩施 445000）

引言

隨著電力系統的飛速發展和智能變電站的快速建設，高壓電器設備的智能化程度也越來越高。斷路器作為電力系統中最主要的開關設備，對其運行可靠性自然具備更高要求。據統計，高壓斷路器是檢修維護工作量最大的一次設備。同時，其機械結構問題導致的故障占其總故障的40%[1]。通過在線監測系統對斷路器機械狀態進行掌控，盡早發現其潛在故障，可以提升斷路器的可靠性。并且根據其狀態信息優化檢修人員檢修方式，可避免斷路器的過度維修或維修不足[2,3]。

20 世紀90 年代，美國、日本開始研究斷路器的狀態監測技術。國內的斷路器在線監測技術起步于20 世紀90 年代末期，清華大學首先對高壓斷路動作過程中產生的振動信號進行數據采集與處理方面的探索，首次研發出了在線監測的硬件平臺[4-6]。此后諸多機構和學者在此領域展開研究[7-12]。然而多數學者研究方向主要聚焦于對斷路器的各種特征信息進行采集和分析，如斷路器的振動信號、分合閘線圈電信號、斷路器動觸頭行程-速度信號等，并提出了多種故障診斷算法。大多學者未對在線監測系統的搭建進行詳細的介紹，未具體闡述下位機裝置的設計方法。許多學位論文中詳細介紹了使用的在線監測裝置硬件設計。但其設計的裝置僅在實驗室條件下對未在運行的斷路器進行監測，未形成具有實用性的裝置對掛網運行的斷路器進行實際監測。基于實驗室條件設計的監測裝置，硬件設計方面存在諸多問題。本研究根據斷路器在線監測下位機裝置研發和在線監測平臺搭建的實際經驗，從硬件層面提高斷路器在線監測裝置實用性的角度，提供相應問題的解決方法。

1 裝置電源設計

對高壓開關柜中的真空斷路器而言，常用的操作電源為220 V/50 Hz 交流電或220 V 直流電。斷路器實際運行中，在線監測裝置需從開關柜內部取電才能保證監測的進行。因此裝置應具有從柜內端子排取用上述規格電力的能力。同時斷路器作為強電設備，在線監測下位機作為弱電裝置對其進行監測，其工作的電磁環境復雜。因此，裝置的電源部分應具有一定的隔離防護性能及一定的自我保護功能，才可保證裝置的長期安全穩定運行。裝置的電源設計是一個容易忽略但又十分重要的方面。

常見的監測平臺在實驗室環境下搭建，未考慮裝置的實際用電情況。通常采用如圖1 所示方案。裝置需要外置電源適配器，提高了系統的復雜度，且在開關柜內占用空間大。同時，裝置內部的芯片、運算放大器、傳感器等元件需采用多種等級的直流弱電，這種設計方案大量采用線性穩壓源進行電壓轉換。一方面，線性穩壓源對外接口未考慮隔離防護措施；另一方面，在線監測裝置并非長時間工作在高性能高負載狀態下，通常僅需在斷路器動作時才發揮其性能。在大多數時間中，低負載情況下，線性穩壓源的效率低，發熱較大，不利于設備長期運行的穩定性。

圖1 常見電源方案

為了解決上述問題，可以采取如圖2 所示的電源方案。在裝置中集成電源模塊，這樣可以減少電源適配器這一配件，簡化整體系統。電源模塊帶隔離防護功能，提高了裝置電源對外接口的安全防護性能。利用強電轉弱電的隔離開關電源直接從開關柜內部端子排接線取電，轉換為24 V 直流弱電。再利用開關電源將相對較高的24 V 弱電轉化為多種電壓等級，為不同的元器件供電。開關電源效率高，輕載功耗較低，通過開關電源和低壓差線性穩壓源的組合使用，降低裝置的電源發熱，提升裝置長期運行的穩定性。為了芯片運行的穩定性，可以在電壓相差較小的變換，如5 V 轉3.3 V 時，利用低壓差線性穩壓源降低電源紋波。避免直接用線性穩壓源進行相差較大的電壓變換，如24 V轉5 V時，帶來的較大發熱問題。

圖2 隔離電源集成方案

2 角度傳感器的安裝

通常可通過監測動觸頭的運動狀態來分析斷路器動作的機械特性，但在戶內高壓開關柜中的真空斷路器，由于結構緊湊且具有較高的絕緣防護要求，不便于后期加裝直線位移傳感器來進行直接監測。因此，利用角度傳感器監測斷路器主軸的轉動行程，間接反映動觸頭的運動狀態[13,14]。角速度傳感器需通過過渡接頭與主軸完成安裝連接[15]。如圖3 所示，斷路器內部結構緊湊，預留角度傳感器安裝位置較為局促。廠商通常在斷路器側板上開有圓口，當斷路器移出開關柜，在非運行狀態下測試時，可以將傳感器與過渡接頭伸出圓口進行測試。這種安裝方式在實驗室條件下容易實現。但須注意的是，若斷路器正常工作時需移回開關柜內部，這種方法將無法安裝，因而無法持續監測斷路器主軸動作狀態。

圖3 斷路器內部結構

針對上述問題，在斷路器在線監測裝置設計選用角度傳感器時，應盡量選用體積較小的角度傳感器，并選用盡量小的過渡接頭，使其能夠安裝在斷路器內部，保證不影響斷路器在開關柜內的正常工作。實際運用中，若角度傳感器加過渡接頭的體積依然過大，無法直接安裝至斷路器內部，根據實際經驗提供一種備用方案[16]，通過180°齒輪換向機構，將主軸轉速等比換向。過渡接頭加換向機構可以置于斷路器主軸與側板之間，變換角度傳感器的安裝位置。這種方案提升了角速度傳感器的選用靈活性，提升了斷路器對體積更大的傳感器的兼容性及在線監測裝置的實用性。

3 振動傳感器的驅動

通過對斷路器動作時產生的振動信號進行采集和分析，可以判斷斷路器機械結構的狀態，識別出對應故障。目前廣泛使用的振動傳感器為兩線制的ΙEPE 振動傳感器。這種傳感器對外輸出線分為一根供電線與一根接地線，供電線為其提供4 mA～20 mA 恒流供電，同時輸出的振動信號也疊加在這根供電線上。因此監測系統應具有對振動傳感器供電激勵的能力，還能夠有效調理出其輸出信號，這些條件對系統的設計要求較高。通常ΙEPE傳感器的生產廠家會為其專門配備恒流適配器，同時實現供電及信號調理功能，如圖4 所示。但是這種方案需要多連接恒流適配器這一輔助設備，增加了系統整體的復雜度，不利于斷路器在線監測裝置在現場的實用。

圖4 常見振動信號采集系統方案

因此，應提升在線監測裝置的集成化程度，在其內部集成專用ΙEPE數據采集卡，使裝置直接具備驅動ΙEPE振動傳感器的能力，并能有效分離出輸出信號。ΙEPE 數據采集卡將輸出信號調理為適用于芯片采集的模擬信號，再通過ADC芯片將模擬信號轉換為數字信號，最終傳遞給上位機。通過提高監測裝置的集成度，簡化整體系統，增強其實用性。方案如圖5所示。

圖5 振動信號采集集成方案

4 電流電壓采集方案設計

通過采集斷路器分（合）閘線圈電信號、儲能電信號等操控回路的電信號并進行分析診斷，既可以診斷出回路中故障：如線圈短路、接觸不良、電源過壓和欠壓等，也可以診斷出斷路器部分機械結構故障：如鐵心卡澀、脫扣器卡死等。通常為了采集電信號，需要采用如圖6所示方案，在斷路器內部加裝穿孔式霍爾傳感器，將采集到的信號傳遞回在線監測裝置。但這樣的方案主要存在以下三方面的缺點。

圖6 常用電流電壓采集方案

首先，斷路器分閘動作時，分閘線圈通電時間僅為幾十毫秒，而常見的穿孔式霍爾傳感器響應時間較長，可達幾十至數百毫秒，其響應時間難以滿足快速采集電信號，繪制出電流或電壓曲線的要求。其次，在線監測裝置為傳感器提供的供電端口以及信號接收端口常常未考慮隔離防護措施，信號直接引入以運算放大器為核心組成的信號調理電路。雖然霍爾電流或電壓傳感器天然具備隔離效果，可以保護弱電系統免受強電影響，但其供電線和信號線又成為防護的薄弱環節，使得裝置在此處可能受到強電、靜電影響以及電磁干擾。其三，這種采集方案需要在斷路器內部加裝多個傳感器，有的傳感器甚至需要在斷路器內部打孔安裝，這種方案提升了系統安裝實用的復雜度。

若采用接觸式霍爾傳感器，可以提升系統采集信號時的響應速度，傳感器響應時間通常較短，僅為數微秒。同時將傳感器集成到在線監測裝置內部，裝置對外接口即為傳感器一次回路接口，傳感器自身隔離防護能力對裝置整體也可構成保護，不存在防護的缺口與薄弱環節。這樣的方案同時也簡化了裝置的安裝復雜度，只需將裝置與斷路器對應回路接線即可完成監測，無需在斷路器內加裝傳感器。

圖7 集成化電流電壓采集方案

5 裝置對外端口隔離防護

在線監測裝置需要長期工作在高壓強電設備周圍，其工作場景的電磁環境復雜。在實驗室條件下搭建在線監測系統實驗平臺，斷路器不在導通高壓電的工作狀態，無需考慮隔離防護措施。在不考慮裝置的電磁兼容性能的情況下也可正常完成試驗。但為了增強裝置實用性，需提高裝置的電磁兼容性能和抗干擾能力，以保證設備在高壓強電設備附近長期安全穩定運行。除了在電路板設計方面采用一些手段來提高裝置的EMC性能，很重要的一方面就是加強裝置對外接口的隔離防護措施。除了上文提到的電源設計方案與電信號采集方案中對對應接口的防護，還需考慮其他接口的防護性能。

在線監測裝置需與上位機通訊，通常可采用RS232、RS48、CAN 等通訊方式與上位機連接，或與智能ΙED 設備連接再傳遞信息給上位機[17]。通常在裝置硬件設計時，許多設計方案直接采用對應芯片搭建的電路以實現通訊功能。然而常用的芯片及其電路并不具備隔離防護能力，因此對應的通訊接口處于無保護狀態。在實際應用中，應采用帶隔離防護功能的通訊模塊來實現通訊功能，提升接口的安全性。

此外為了判斷機械開關的位置狀態，部分在線監測系統還會添加如圖8 所示原理的光耦電路，將機械開關狀態轉換為電信號[18,19]。光耦元件具有隔離防護能力，信號通路無需考慮防護問題。輔助觸點通路即S1通路，應采取與在線監測裝置沒有聯系的其他電源供電。然而通常在設計中，許多方案直接由在線監測裝置提供圖中V1 電源，此時該供電接口就失去了防護能力。雖然采用了光耦元件，若輔助觸點S1處有高壓，高壓電將通過供電接口直接損壞裝置。因此，采用該原理的電路，需要裝置直接為輔助觸點通路供電時，應設計對外輸出的隔離電源，保證各對外端口的全面防護。

圖8 常用輔助觸點光耦電路

6 結語

通過改進斷路器在線監測系統下位機裝置的硬件設計方案，可以提高裝置的集成化程度，降低系統整體的復雜度和安裝難度；提高裝置的隔離防護能力，保障裝置在復雜的電磁環境條件下可以長期安全穩定運行。以上一系列措施都可以提高裝置的實用性，使斷路器在線監測裝置不僅僅適用于實驗室環境下的試驗和斷路器非工作狀態下的測試，也可對正常通電運行的斷路器進行長期的監測。