高压断路器机械状态监测系统研究

摘要：描述了利用单片机实现高压断路器机械状态在线监测的智能装置及其考虑的监测因素。此智能装置可以长期在线监测高压断路器动作过程中的机械参量，为断路器机械故障诊断和状态预测提供依据。
关键词：高压断路器；状态监测；传感器；

0 引言
    断路器的可靠性是保障电力系统安全稳定运行的基本条件。根据GLGRE的调查发现，断路器的主要故障为机械故障，而其中大多数故障为操动机构故障。加强机械故障的检测，提前发现潜在故障，对降低设备故障率，提高电力系统安全、可靠、稳定运行的性能具有十分重要的实际意义。
    从20世纪70年代开始就出现了微机型高压开关机械特性测量仪器等监测装置和系统，对断路器实时在线监测，实时掌握断路器的运行状态，以便及时采取预防措施，避免停电等重大事故发生。
通过对文献的分析发现，目前断路器在线监测系统尚存在几个问题：
    (1)数据分析能力不足，缺乏数据积累，无法进行故障分析与诊断能力。因此需要扩展系统功能，建立数据库，强化故障分析与诊断功能。
    (2)仅关注机械参量的计算结果，缺乏对机械运动过程的关注。
    (3)目前的高压断路器检测系装置存在寿命短、精度低，性价比低，无法在实际工程应用中高效应用和推广。因此，新型在线监测装置需要提高监测精度和使用寿命，提高系统的性价比。
    为了达到上述目标，本文研究一种新的高压断路器状态在线监测系统，记录断路器分、合闸过程中的信号，提供高精度、高时间分辨率的数据，改善系统的性价比，为高压断路器的故障诊断和预测提供基础数据积累。

1 系统总体设计
    对中性点不接地系统进行在线监测的系统由上位机软件和分布式高压断路器机械参量在线监测仪组成。上位机与在线监测仪通过RS485接口连接，系统结构见图1。

    在线监测仪通过传感器及变送器采集来自真空断路器的动作信息，一旦发生断路器分、合闸信号等符合的起动条件，仪器就开始启动采集数据程序。首先，上位机软件按照一定规则轮询各在线检测仪，当有应答，则采集仪器记录的监测断路器的动作数据，并将采集的数据放入数据库中，积累历史数据。上位机软件课根据设置，对采集的数据进行分类、汇总和分析，计算出所监测高压断路器的机械参量，并输出断路器动作过程曲线。
    另外，系统在历史数据的基础上，对故障特征及发展趋势作出预测和诊断，可依据故障的模式和等级，做出报警。根据专家规则，可对设备检修提出合理化建议。

2 在线监测系统实现
    高压断路器机械状态在线监测系统分软件和硬件两部分。
2．1 在线检测仪的实现
    其中，硬件部分主要为在线监测仪，实现分布式高压断路器机械参量的采集和上传，每个通道由主控板、接口板和接线板三部分组成。本系统可灵活实现接口板和主控板的程序上载以适应不同的监测要求，最大程度上保证产品的性价比。在线检测仪可将最高达4个通道接到接线主面板上，数据采集通道和接线主面板装在一个机箱中而组成完整的在线监测装置。上位机能带16个通道，而且还根据需要进行高效、低成本扩展，仅仅需要RS485通讯芯片即可(更好驱动的芯片)。监测仪硬件部分结构如图2所示。

    当断路器出现机构卡涩，部件变形、位移或损坏，分合闸铁心松动、卡涩，轴销松断，脱扣失灵，电气控制及辅助回路二次接线接触不良、端子松动，辅助开关切换不灵，操作电源故障等问题时，可以通过监测机械参量，判断断路器的状态，发现拒动、误动等故障，这些参量主要包括分(合)闸速度、分(合)闸时间、三相分(合)闸同期性、触头开距、刚分(合)速度、平均速度、最大速度、触头行程、超程、触头合闸弹跳时间、触头分闸反弹幅值。
    为了获得弹簧操动机构等机械参量，需要采集相关的信号，如储能电机的电压和电流、分合闸线圈电压、三相断口开关量、行程信号、分合闸线圈电流等，然后根据这些信号计算出断路器各部件的机械参量，从而实现对断路器机械状态和故障的判断。
    根据功能要求，新型在线检测仪采用混合信号SOC处理器“C8051F000”，其主要特点是采用8051内核和流水线指令结构，自带看门狗和多种通讯接口，含有ISP闪速程序存储器和数据存储器，8通道复用的12位ADC，两个12位的651DAC，两个比较器采用3．3V供电电压，芯片管脚可以由开发者灵活定义，采用JTAG接口实现程序的下载和系统调试，可实现现场程序的修改、更换和调试，非常灵活。另外，C8051F000处理器ADC可编程的最大采集速率为100k／s。主控板的存储器采用容量为1M的非易失静态RAM，在最大采集速率时可一次记录5s的数据。C8051 F000芯片本身附带串行通讯功能，加上一块RS485通讯芯片就能解决与上位机的通讯问题。
2．2 软件实现
    本系统上位机软件主要包括数据采集、存储、控制和趋势等功能，软件结构见图3。

    系统在数据采集过程中，由上位机软件控制查询通道，实现通讯过程的控制，在线监测仪本地软件负责控制现场数据采集，将所采集的数据通过RS485上传给上位机。上位机将采集数据保存成标准的数据格式，上位机软件可对这些数据进行分析、计算，也可为工程师等人员提供数据查询服务。根据这些检测到的历史数据，可获得高压断路器的机械参数，从而可分析得到断路器的机械状态，根据断路器的状态，可预测和判断故障，为检修提供合理化意见。

3 系统试验
    本系统目前已经在电力系统高压断路器上进行机械状态监测、故障分析试验。
    试验方案如下：监测ZN28-12／1250型高压真空断路器，设置10kHz采样频率，数模输出口经光耦隔离驱动晶闸管控制断路器的动作。
    试验发现，监测系统能解决目前大多数系统存在的问题，能够对高压断路器的控制电源、三相断口开关量、开关行程一时间特性、脱扣电磁铁的线圈回路电流和电压、储能电动机的电流和电压进行可靠的监测，精度和性价比高，抗干扰能力强，完全符合实际工程需求。由于采用RS485通信方式，能满足实时性要求高等的场所。

4 结束语
    本文所涉及的高压断路器机械状态在线监测系统可实时监测断路器的各机械参数，实时掌握断路器运行过程中的机械状态，分析诊断和处理机械故障。另外，由于该系统采用软硬件结合方式，试验数据存储于数据库中，能为下一步的专家系统提供基础性分析数据，可以为电力企业实现状态检修工作奠定基础。