高壓斷路器機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：描述了利用單片機實現(xiàn)高壓斷路器機械狀態(tài)在線監(jiān)測的智能裝置及其考慮的監(jiān)測因素。此智能裝置可以長期在線監(jiān)測高壓斷路器動作過程中的機械參量，為斷路器機械故障診斷和狀態(tài)預測提供依據(jù)。
關鍵詞：高壓斷路器；狀態(tài)監(jiān)測；傳感器；

0 引言
    斷路器的可靠性是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基本條件。根據(jù)GLGRE的調查發(fā)現(xiàn)，斷路器的主要故障為機械故障，而其中大多數(shù)故障為操動機構故障。加強機械故障的檢測，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，對降低設備故障率，提高電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行的性能具有十分重要的實際意義。
    從20世紀70年代開始就出現(xiàn)了微機型高壓開關機械特性測量儀器等監(jiān)測裝置和系統(tǒng)，對斷路器實時在線監(jiān)測，實時掌握斷路器的運行狀態(tài)，以便及時采取預防措施，避免停電等重大事故發(fā)生。
通過對文獻的分析發(fā)現(xiàn)，目前斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)尚存在幾個問題：
    (1)數(shù)據(jù)分析能力不足，缺乏數(shù)據(jù)積累，無法進行故障分析與診斷能力。因此需要擴展系統(tǒng)功能，建立數(shù)據(jù)庫，強化故障分析與診斷功能。
    (2)僅關注機械參量的計算結果，缺乏對機械運動過程的關注。
    (3)目前的高壓斷路器檢測系裝置存在壽命短、精度低，性價比低，無法在實際工程應用中高效應用和推廣。因此，新型在線監(jiān)測裝置需要提高監(jiān)測精度和使用壽命，提高系統(tǒng)的性價比。
    為了達到上述目標，本文研究一種新的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，記錄斷路器分、合閘過程中的信號，提供高精度、高時間分辨率的數(shù)據(jù)，改善系統(tǒng)的性價比，為高壓斷路器的故障診斷和預測提供基礎數(shù)據(jù)積累。

1 系統(tǒng)總體設計
    對中性點不接地系統(tǒng)進行在線監(jiān)測的系統(tǒng)由上位機軟件和分布式高壓斷路器機械參量在線監(jiān)測儀組成。上位機與在線監(jiān)測儀通過RS485接口連接，系統(tǒng)結構見圖1。

    在線監(jiān)測儀通過傳感器及變送器采集來自真空斷路器的動作信息，一旦發(fā)生斷路器分、合閘信號等符合的起動條件，儀器就開始啟動采集數(shù)據(jù)程序。首先，上位機軟件按照一定規(guī)則輪詢各在線檢測儀，當有應答，則采集儀器記錄的監(jiān)測斷路器的動作數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中，積累歷史數(shù)據(jù)。上位機軟件課根據(jù)設置，對采集的數(shù)據(jù)進行分類、匯總和分析，計算出所監(jiān)測高壓斷路器的機械參量，并輸出斷路器動作過程曲線。
    另外，系統(tǒng)在歷史數(shù)據(jù)的基礎上，對故障特征及發(fā)展趨勢作出預測和診斷，可依據(jù)故障的模式和等級，做出報警。根據(jù)專家規(guī)則，可對設備檢修提出合理化建議。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)
    高壓斷路器機械狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)分軟件和硬件兩部分。
2．1 在線檢測儀的實現(xiàn)
    其中，硬件部分主要為在線監(jiān)測儀，實現(xiàn)分布式高壓斷路器機械參量的采集和上傳，每個通道由主控板、接口板和接線板三部分組成。本系統(tǒng)可靈活實現(xiàn)接口板和主控板的程序上載以適應不同的監(jiān)測要求，最大程度上保證產(chǎn)品的性價比。在線檢測儀可將最高達4個通道接到接線主面板上，數(shù)據(jù)采集通道和接線主面板裝在一個機箱中而組成完整的在線監(jiān)測裝置。上位機能帶16個通道，而且還根據(jù)需要進行高效、低成本擴展，僅僅需要RS485通訊芯片即可(更好驅動的芯片)。監(jiān)測儀硬件部分結構如圖2所示。

    當斷路器出現(xiàn)機構卡澀，部件變形、位移或損壞，分合閘鐵心松動、卡澀，軸銷松斷，脫扣失靈，電氣控制及輔助回路二次接線接觸不良、端子松動，輔助開關切換不靈，操作電源故障等問題時，可以通過監(jiān)測機械參量，判斷斷路器的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)拒動、誤動等故障，這些參量主要包括分(合)閘速度、分(合)閘時間、三相分(合)閘同期性、觸頭開距、剛分(合)速度、平均速度、最大速度、觸頭行程、超程、觸頭合閘彈跳時間、觸頭分閘反彈幅值。
    為了獲得彈簧操動機構等機械參量，需要采集相關的信號，如儲能電機的電壓和電流、分合閘線圈電壓、三相斷口開關量、行程信號、分合閘線圈電流等，然后根據(jù)這些信號計算出斷路器各部件的機械參量，從而實現(xiàn)對斷路器機械狀態(tài)和故障的判斷。
    根據(jù)功能要求，新型在線檢測儀采用混合信號SOC處理器“C8051F000”，其主要特點是采用8051內(nèi)核和流水線指令結構，自帶看門狗和多種通訊接口，含有ISP閃速程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，8通道復用的12位ADC，兩個12位的651DAC，兩個比較器采用3．3V供電電壓，芯片管腳可以由開發(fā)者靈活定義，采用JTAG接口實現(xiàn)程序的下載和系統(tǒng)調試，可實現(xiàn)現(xiàn)場程序的修改、更換和調試，非常靈活。另外，C8051F000處理器ADC可編程的最大采集速率為100k／s。主控板的存儲器采用容量為1M的非易失靜態(tài)RAM，在最大采集速率時可一次記錄5s的數(shù)據(jù)。C8051 F000芯片本身附帶串行通訊功能，加上一塊RS485通訊芯片就能解決與上位機的通訊問題。
2．2 軟件實現(xiàn)
    本系統(tǒng)上位機軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、存儲、控制和趨勢等功能，軟件結構見圖3。

    系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中，由上位機軟件控制查詢通道，實現(xiàn)通訊過程的控制，在線監(jiān)測儀本地軟件負責控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，將所采集的數(shù)據(jù)通過RS485上傳給上位機。上位機將采集數(shù)據(jù)保存成標準的數(shù)據(jù)格式，上位機軟件可對這些數(shù)據(jù)進行分析、計算，也可為工程師等人員提供數(shù)據(jù)查詢服務。根據(jù)這些檢測到的歷史數(shù)據(jù)，可獲得高壓斷路器的機械參數(shù)，從而可分析得到斷路器的機械狀態(tài)，根據(jù)斷路器的狀態(tài)，可預測和判斷故障，為檢修提供合理化意見。

3 系統(tǒng)試驗
    本系統(tǒng)目前已經(jīng)在電力系統(tǒng)高壓斷路器上進行機械狀態(tài)監(jiān)測、故障分析試驗。
    試驗方案如下：監(jiān)測ZN28-12／1250型高壓真空斷路器，設置10kHz采樣頻率，數(shù)模輸出口經(jīng)光耦隔離驅動晶閘管控制斷路器的動作。
    試驗發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測系統(tǒng)能解決目前大多數(shù)系統(tǒng)存在的問題，能夠對高壓斷路器的控制電源、三相斷口開關量、開關行程一時間特性、脫扣電磁鐵的線圈回路電流和電壓、儲能電動機的電流和電壓進行可靠的監(jiān)測，精度和性價比高，抗干擾能力強，完全符合實際工程需求。由于采用RS485通信方式，能滿足實時性要求高等的場所。

4 結束語
    本文所涉及的高壓斷路器機械狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測斷路器的各機械參數(shù)，實時掌握斷路器運行過程中的機械狀態(tài)，分析診斷和處理機械故障。另外，由于該系統(tǒng)采用軟硬件結合方式，試驗數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，能為下一步的專家系統(tǒng)提供基礎性分析數(shù)據(jù)，可以為電力企業(yè)實現(xiàn)狀態(tài)檢修工作奠定基礎。