高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘要：描述了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的智能裝置及其考慮的監(jiān)測(cè)因素。此智能裝置可以長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)高壓斷路器動(dòng)作過程中的機(jī)械參量，為斷路器機(jī)械故障診斷和狀態(tài)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：高壓斷路器；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；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(yùn)行的基本條件。根據(jù)GLGRE的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷路器的主要故障為機(jī)械故障，而其中大多數(shù)故障為操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障。加強(qiáng)機(jī)械故障的檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，對(duì)降低設(shè)備故障率，提高電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的性能具有十分重要的實(shí)際意義。
    從20世紀(jì)70年代開始就出現(xiàn)了微機(jī)型高壓開關(guān)機(jī)械特性測(cè)量?jī)x器等監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)，對(duì)斷路器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，以便及時(shí)采取預(yù)防措施，避免停電等重大事故發(fā)生。
通過對(duì)文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，目前斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚存在幾個(gè)問題：
    (1)數(shù)據(jù)分析能力不足，缺乏數(shù)據(jù)積累，無法進(jìn)行故障分析與診斷能力。因此需要擴(kuò)展系統(tǒng)功能，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，強(qiáng)化故障分析與診斷功能。
    (2)僅關(guān)注機(jī)械參量的計(jì)算結(jié)果，缺乏對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程的關(guān)注。
    (3)目前的高壓斷路器檢測(cè)系裝置存在壽命短、精度低，性價(jià)比低，無法在實(shí)際工程應(yīng)用中高效應(yīng)用和推廣。因此，新型在線監(jiān)測(cè)裝置需要提高監(jiān)測(cè)精度和使用壽命，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。
    為了達(dá)到上述目標(biāo)，本文研究一種新的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，記錄斷路器分、合閘過程中的信號(hào)，提供高精度、高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)，改善系統(tǒng)的性價(jià)比，為高壓斷路器的故障診斷和預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和分布式高壓斷路器機(jī)械參量在線監(jiān)測(cè)儀組成。上位機(jī)與在線監(jiān)測(cè)儀通過RS485接口連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

    在線監(jiān)測(cè)儀通過傳感器及變送器采集來自真空斷路器的動(dòng)作信息，一旦發(fā)生斷路器分、合閘信號(hào)等符合的起動(dòng)條件，儀器就開始啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)程序。首先，上位機(jī)軟件按照一定規(guī)則輪詢各在線檢測(cè)儀，當(dāng)有應(yīng)答，則采集儀器記錄的監(jiān)測(cè)斷路器的動(dòng)作數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)中，積累歷史數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件課根據(jù)設(shè)置，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總和分析，計(jì)算出所監(jiān)測(cè)高壓斷路器的機(jī)械參量，并輸出斷路器動(dòng)作過程曲線。
    另外，系統(tǒng)在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)故障特征及發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)和診斷，可依據(jù)故障的模式和等級(jí)，做出報(bào)警。根據(jù)專家規(guī)則，可對(duì)設(shè)備檢修提出合理化建議。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分軟件和硬件兩部分。
2．1 在線檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)
    其中，硬件部分主要為在線監(jiān)測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)分布式高壓斷路器機(jī)械參量的采集和上傳，每個(gè)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(shí)現(xiàn)接口板和主控板的程序上載以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)要求，最大程度上保證產(chǎn)品的性價(jià)比。在線檢測(cè)儀可將最高達(dá)4個(gè)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(gè)機(jī)箱中而組成完整的在線監(jiān)測(cè)裝置。上位機(jī)能帶16個(gè)通道，而且還根據(jù)需要進(jìn)行高效、低成本擴(kuò)展，僅僅需要RS485通訊芯片即可(更好驅(qū)動(dòng)的芯片)。監(jiān)測(cè)儀硬件部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    當(dāng)斷路器出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡澀，部件變形、位移或損壞，分合閘鐵心松動(dòng)、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(dòng)，輔助開關(guān)切換不靈，操作電源故障等問題時(shí)，可以通過監(jiān)測(cè)機(jī)械參量，判斷斷路器的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)等故障，這些參量主要包括分(合)閘速度、分(合)閘時(shí)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(shí)間、觸頭分閘反彈幅值。
    為了獲得彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)等機(jī)械參量，需要采集相關(guān)的信號(hào)，如儲(chǔ)能電機(jī)的電壓和電流、分合閘線圈電壓、三相斷口開關(guān)量、行程信號(hào)、分合閘線圈電流等，然后根據(jù)這些信號(hào)計(jì)算出斷路器各部件的機(jī)械參量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)械狀態(tài)和故障的判斷。
    根據(jù)功能要求，新型在線檢測(cè)儀采用混合信號(hào)SOC處理器“C8051F000”，其主要特點(diǎn)是采用8051內(nèi)核和流水線指令結(jié)構(gòu)，自帶看門狗和多種通訊接口，含有ISP閃速程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8通道復(fù)用的12位ADC，兩個(gè)12位的651DAC，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)程序的下載和系統(tǒng)調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)程序的修改、更換和調(diào)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(chǔ)器采用容量為1M的非易失靜態(tài)RAM，在最大采集速率時(shí)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(jī)的通訊問題。
2．2 軟件實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、控制和趨勢(shì)等功能，軟件結(jié)構(gòu)見圖3。

    系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中，由上位機(jī)軟件控制查詢通道，實(shí)現(xiàn)通訊過程的控制，在線監(jiān)測(cè)儀本地軟件負(fù)責(zé)控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，將所采集的數(shù)據(jù)通過RS485上傳給上位機(jī)。上位機(jī)將采集數(shù)據(jù)保存成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，上位機(jī)軟件可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，也可為工程師等人員提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。根據(jù)這些檢測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)，可獲得高壓斷路器的機(jī)械參數(shù)，從而可分析得到斷路器的機(jī)械狀態(tài)，根據(jù)斷路器的狀態(tài)，可預(yù)測(cè)和判斷故障，為檢修提供合理化意見。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)
    本系統(tǒng)目前已經(jīng)在電力系統(tǒng)高壓斷路器上進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障分析試驗(yàn)。
    試驗(yàn)方案如下：監(jiān)測(cè)ZN28-12／1250型高壓真空斷路器，設(shè)置10kHz采樣頻率，數(shù)模輸出口經(jīng)光耦隔離驅(qū)動(dòng)晶閘管控制斷路器的動(dòng)作。
    試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能解決目前大多數(shù)系統(tǒng)存在的問題，能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯目刂齐娫?、三相斷口開關(guān)量、開關(guān)行程一時(shí)間特性、脫扣電磁鐵的線圈回路電流和電壓、儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)的電流和電壓進(jìn)行可靠的監(jiān)測(cè)，精度和性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，完全符合實(shí)際工程需求。由于采用RS485通信方式，能滿足實(shí)時(shí)性要求高等的場(chǎng)所。

4 結(jié)束語
    本文所涉及的高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器的各機(jī)械參數(shù)，實(shí)時(shí)掌握斷路器運(yùn)行過程中的機(jī)械狀態(tài)，分析診斷和處理機(jī)械故障。另外，由于該系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合方式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，能為下一步的專家系統(tǒng)提供基礎(chǔ)性分析數(shù)據(jù)，可以為電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修工作奠定基礎(chǔ)。