環網開關設備機械狀態在線監測設計

徐銘輝 翟停停 蔣成博 郭亞楠 徐子炎

摘 要：【目的】對配電網系統中環網開關設備機械狀態在線監測技術進行研究，滿足電力系統設備智能化、數字化功能需求。【方法】分析環網開關設備機械狀態在線監測系統設計方案及元器件構成，分析傳感元件融合開關，選擇非直接嵌入方式感知數據，對適合機械特性監測的傳感器規格進行選型設計。【結果】完成適用于環網開關操動機構的傳感器選型，實現傳感器與本體融合設計。【結論】該融合方案滿足環網開關設備傳感器測量曲線狀態數據需求，為環網開關柜工程設計人員對機械狀態在線監測設計提供思路。

關鍵字：智能化；機械特性；在線監測；傳感器

中圖分類號：TM591? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0006-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.001

Abstract： [Purposes] The on-line monitoring technology of mechanical state of ring network switch equipment in distribution network system is studied to meet the intelligent and digital functional requirements of power system equipment. [Methods] This paper analyzes the design scheme and component composition of on-line monitoring system for mechanical state of ring network switch equipment， studies the fusion switch of sensing element， selects the indirect embedding method? to sense data， and designs the sensor specifications suitable for mechanical characteristic monitoring. [Findings] The sensor selection suitable for the ring network switch operating mechanism is completed， and the fusion design of sensor and body is realized. [Conclusions] The fusion scheme meets the needs of the sensor measurement curve state data of the ring network switch equipment， and provides ideas for the engineering designers of the ring network switch cabinet in the online monitoring design of mechanical characteristics.

Keywords： intelligence; mechanicalcharacteristics; online monitoring; sensors

0 引言

在配電網系統領域中，環網開關設備被廣泛應用于城市配電網中，存在點多面廣、運行環境復雜、運維困難等問題。設備智能化、數字化是能有效解決該問題的一種措施，機械狀態在線監測可有效判斷操動機構的健康狀態［1］，其性能的可靠性將直接關系著電力系統的安全穩定運行。據統計，有一半以上的配電斷路器故障是由機械特性不良造成的［2］，由拒分、拒合、分閘速度變小、合閘彈跳變大等造成的損失（如引起其他電力設備的損壞或電力系統停電）要遠遠超過斷路器自身價值。因此，應采用相關手段對機械狀態特性進行有效監測［3-4］，確保開關斷路器操動機構能健康穩定運行，保證配電系統安全可靠。

1 開關設備機械狀態監測要求

具備工程應用條件的環網開關設備在出廠時，要對操動機構進行壽命測試（測試開關機構的分合閘速度、分合閘時間、合閘彈跳、分閘反彈、行程及超程等），要分合50次不出現參數異常變化［5］。這些參數必須在技術要求范圍內，才能判定該開關操動機構的機械特性合格。某環網柜出廠機械性能試驗數據和項目見表1。在線狀態測試要同時滿足出廠離線狀態測試要求，為達到預期效果，環網開關要融合多種傳感設備，根據開關操動機構的特點，可在分閘線圈、合閘線圈、儲能電機、分閘彈簧、合閘彈簧、超程彈簧、運動大軸上預留傳測位置。一般情況下，機構所用的彈簧比較穩定，其發生失效、疲勞的可能性較小，綜合考慮配電領域的成本、融合難度等，可暫緩對其進行在線監測。本研究對分閘線圈、合閘線圈、儲能電機、運動行程進行實時監測，再加上其他信息，可實現對開關機械特性的在線監測。

2 機械狀態在線監測設計

對環網開關操動機構在線監測狀態進行設計時，要考慮機構關鍵可監測零部件的主要功能，做到有的放矢，還要注意傳感器與開關本體的融合不影響其本體性能。根據數據類型和傳感器結構特點來選擇傳感器，才能實現傳測信息高精度、高可靠。

2.1 環網開關的機械狀態監測單元

環網開關操動機構中使用傳感器測量的重要數據單元可分為兩部分。一是電氣信號部分。當分閘回路導通時，分閘線圈上的電產生電磁力，動鐵芯運動撞擊操動機構的分閘掣子，分閘掣子的半軸機括擊發［6］，分閘彈簧和超程簧（又稱觸頭壓力簧）釋放力量完成分閘，分閘過程中可實時監測分閘線圈電流信號的情況（線圈電流流過時間、大小、峰谷值時刻等）；合閘電磁鐵與分閘電磁鐵的工作原理一樣，需要實時監測的參數也相差無幾；儲能電機是操動機構的能量基礎［7］，儲能回路導通后，電機轉動傳遞給合閘彈簧后使其儲能，電機在儲能過程中的電流狀態、儲能時間、電流幅值等可實時監測；開關主回路通斷是指在合閘、分閘過程中主回路的導通情況，可從環網開關的電流互感器二次側來監測數據，可監測開關分閘、合閘的關鍵時間節點。二是機械行程信號部分，主要是開關的行程情況，可用傳動大軸的轉動角度及觸頭的直線位移來表征，一般的觸頭直線位移傳感器安裝不方便，且距離高壓回路比較近，將測量到的旋轉角度轉化為傳感器觸頭直線位移是比較不錯的方法。某環網柜操動機構如圖1所示。

2.2 機械狀態在線監測傳感器選型設計

由2.1可知，用于在線監測感知開關機械狀態的傳感器有三類，即直流電流感知傳感器、交流電流感知傳感器、位移信號感知傳感器［8］。用穿心式霍爾傳感器來獲取直流電流信號，可用來監測分合閘線圈、儲能電機，分合閘線圈在開關正常情況下的額定運行時間在50 ms內，其峰值電流約為4.5 A，儲能電機正常儲能時間約為15 s、峰值電流約為13.5 A。交流傳感器主要用于檢測開關柜電流互感器二次側電流，檢測范圍為0～10 A。為檢測其精確性，采樣精度要稍微高一點，所有傳感器的驅動電源電壓為48 V，滿足環網柜直流電源要求。角位移傳感器作用在旋轉大軸上，某環網開關分合閘一次，旋轉角度在50°內。機械特性傳感器選型參數規格和數量見表2。

2.3 機械狀態在線監測傳感器與本體融合設計

對開關設備機械狀態在線監測進行設計時，首先，保證傳感器能與開關本體融合，且不影響其本身的電氣性能、機械性能［9］，采用非嵌入或非侵入的方式。其次，傳感器與開關設備的使用壽命匹配也是亟須解決的問題。為滿足電子傳感設備與傳統機械設備使用壽命統一的要求，在保證傳感器傳測量精度可靠的前提下，要滿足可更換和易更換的要求。因此，圍繞上述兩個關鍵點對機械狀態在線監測傳感器位置進行設計。①電氣信號部分。分合閘線圈、儲能電機用傳感器采用的是穿心式設計，電氣回路穿過霍爾傳感器，且不影響電氣回路的功能，同時為了不影響分合閘、儲能回路電源擾動，霍爾傳感器采用獨立電源設計。針對主回路電流互感器二次側電氣信號測量，根據實際工程情況，要在現場安裝環網柜的電流互感器。因此，主回路監測電流信號采用開啟式卡扣交流霍爾傳感器。②行程信號監測部分。根據環網柜結構及操動機構的布置方式，可分為兩種結構。一種為接觸式結構，即角位移傳感器與旋轉大軸通過聯軸器連接在一起，大軸旋轉帶動發生角位移信號，該方式較為直觀和簡單，但在大軸旋轉次數較多時，會引起松動，導致旋轉信號誤差較大，另外在拆卸時也會遇到困難。另一種為非接觸式結構，非接觸式角位置傳感器不與旋轉大軸直接接觸，避免大軸轉動引起安裝不牢而產生誤差，也方便拆卸和安裝。因此，設計方案采用非接觸式角位移傳感器，在大軸外圍設計裝配工裝，既滿足工程項目過程中的拆卸要求，又滿足傳感器更換需求。傳感器融合設計安裝如圖2所示。

3 數據監測處理方法

通過傳感器來實時測量操動機構在工作中的數據，將數據擬合處理成精度較高的目標曲線，提取目標曲線中的關鍵參量，進行綜合評估和判斷。判斷依據《3.6 kV-40.5 kV智能交流金屬封閉開關設備》（NBT 42044—2014）中的相關參數［10］，選取分合閘速度、合閘電流值和時間、儲能電機時間和電流值、行程曲線等。

3.1 環網開關分合閘速度、分合閘線圈電流值和時間監測

分合閘速度曲線是通過角位移曲線折算出直線位移，結合交流霍爾傳感器開斷點信號，精準擬合出的。以合閘曲線為例，與離線試驗裝備測試的標準曲線進行對比，標準曲線如圖3所示，可判斷分合閘速度異常情況。A點為移開6 mm距離時的位置，B點為觸頭閉合點，C點為主回路電流剛接通位置。可通過角位移傳感器來計算A點位置，并標定時間TA，C點位置時刻即TB點確定時間，結合AB信號可計算出運動距離LAB。合閘速度見式（1）。

V合的大小只要在表1的范圍內，即可判斷該開關操動機構合閘狀態正確，反之則有可能存在故障情況。分閘曲線亦然，對標表1中的數據進行判斷。

分合閘線圈電流曲線為馬鞍形，電磁鐵在吸合過程中，分合閘線圈中的電流會不斷變化，線圈的電流波形中含有很多信息，如鐵芯運動機構有無卡滯、脫扣、釋能機械負載變動情況和線圈的狀態（如電阻是否正常）及與鐵芯頂桿連接鎖門和閥門的狀態。開關分合閘線圈電流中也包含很多開關機械狀態的信息。分合閘電磁鐵結構如圖4所示，分合閘線圈電流曲線如圖5所示。

由圖5可知，t0為執行分/合命令時刻，線圈開始通電，是整個分/合動作的起始點；t1為鐵芯開始運動時刻，但實際上鐵芯始動時刻要略早于t1；t2為鐵芯停止運動的時刻；t3為斷路器的輔助觸點切斷時刻，電流開始減小，直到t4時刻電流減為0，整個動作結束。此外，波形中的i1、i2、i3為t1、t2、t3時刻的電流值，既反映出電源電壓、線圈電阻及電磁鐵鐵芯的運行速度，也可用來分析動作。根據開關分/合閘線圈電流的錄波信息，分析分合閘的時間t1、t2、t3及對應時刻的電流，判斷開關操作機構是否正常、是否存在卡阻及性能下降現象，如對比標準曲線t2時間前移為t2'，可初步判斷是由分合閘半軸卡滯造成的，具體問題還要具體分析。

3.2 儲能電機電流信號監測

彈簧操動機構斷路器功能的實現在很大程度上取決于儲能電機的工作狀態［11-12］。當斷路器完成合閘動作后，儲能回路接通，彈簧開始做功，以儲存分/合閘所需的能量。儲能電機的電流信號波形如圖6所示。

由圖6可知，T1時刻，儲能電機接到上電指令，電機開始無負載啟動；T2時刻，電機無負載轉動，這是因為儲能電機的電能還未轉化為彈簧機構的機械能，電流從T2時刻開始趨于平穩；T3時刻，儲能電機開始釋放能量，拉動合閘彈簧做功，彈簧的剛度狀態和儲能軸的潤滑度可根據這一段曲線得到。對比標準曲線，繪制其曲線的包絡線，如果電流測量的誤差不大于±2.5%、時間測量誤差不大于0.5 s/次，儲能電機狀態正確，反之則發生故障。

4 結語

對環網開關設備的操動機構狀態在線監測進行設計，完成適用于環網開關操動機構的傳感器選型，實現傳感器與本體融合設計，該融合方案既能精準監測開關在動作過程中的狀態參量，又不影響開關本體的電氣、機械性能，基本滿足開關機械操動機構的需求，對傳感器測量曲線的狀態數據進行詳細解釋，為環網開關柜工程機械特性在線監測方面的設計提供思路。

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收稿日期：2022-11-22

基金項目：平高集團有限公司科技項目“基于狀態感知數據邊緣處理的12kV開關柜和環網柜研究”（PGKJ2020-043）。

作者簡介：徐銘輝（1988—），男，本科，工程師，研究方向：配電網領域技術研發。