一種基于DSP的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測裝置

0 引言
現(xiàn)代高壓電氣設(shè)備是以高性能、智能化、免維修為發(fā)展趨勢。電氣設(shè)備從現(xiàn)行的計劃檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變已成為必然趨勢。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要且數(shù)量巨大的電氣設(shè)備，斷路器發(fā)生故障造成的損失，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出斷路器本身的價值[1]。為了提高斷路器工作的可靠性，必須采取相關(guān)措施，防患于未然。建立高壓斷路器的狀態(tài)檢修環(huán)節(jié)，可以預(yù)測故障先兆，克服定期檢修的盲目性，同時也為制造出智能型的免維修斷路器摸索和積累了資料。本文討論實現(xiàn)高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測的原理和技術(shù)。
斷路器是非常復(fù)雜的電氣設(shè)備，斷路器的劣化涉及到熱、電、機械、環(huán)境等多方面的因素，雖然對斷路器的故障監(jiān)測與診斷已有較長時間的研究，但至今仍然沒有一個完善的、成熟的斷路器壽命評估模式[2]。目前的斷路器在線監(jiān)測模式大多采用檔次不高的單片機作為主控制器，構(gòu)成獨立的監(jiān)測裝置。由于單片機的速度、字長、擴展能力等方面的局限性，存在采樣信號較少、采集數(shù)據(jù)不足、對運動過程缺乏記錄、分析精度不高、計算模型簡單等問題，診斷結(jié)論缺乏說服力[2]，同時存在人機交互性不夠友好、聯(lián)網(wǎng)能力較差的缺點。
本文認(rèn)為上述問題的解決應(yīng)從以下三方面入手：
1) 斷路器監(jiān)測信號的合理選擇以及先進(jìn)傳感器的選型與安裝是狀態(tài)診斷的前提與關(guān)鍵；
2) 選用高性能的cpu作為監(jiān)測裝置的核心，是決定監(jiān)測系統(tǒng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)條件；
3) 改監(jiān)測裝置為監(jiān)測系統(tǒng)，采用分布式的體系結(jié)構(gòu)，靈活方便，使得智能性、擴展性大大增強。
本文提出的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)是采用分布式結(jié)構(gòu)，其中在線監(jiān)測單元以ti公司的高性能數(shù)字信號處理器dspvc33作為主控制器，能對斷路器的眾多關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行長數(shù)據(jù)錄波，綜合診斷，具有就地顯示和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)功能，適用于用得較多的少油或多油、六氟化硫（sf6）及真空三大類斷路器。
1 高壓斷路器在線監(jiān)測項目
特征提取是在線監(jiān)測的首要環(huán)節(jié)，盲目采用過多的傳感器采集斷路器的狀態(tài)特征既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟[3]。本文立足于在線監(jiān)測的實用化，僅直接提取關(guān)鍵特征，經(jīng)數(shù)學(xué)分析推斷出斷路器的狀態(tài)和性能。在線監(jiān)測的主要項目有：
1.1 斷路器觸頭的電磨損
斷路器的每次開斷都會對觸頭產(chǎn)生一定程度的損傷，斷路器的觸頭電磨損（又稱電壽命）是斷路器性能的重要指標(biāo)。對斷路器觸頭電壽命的診斷，實踐證明僅考慮累計開斷電流和累計開斷次數(shù)是不科學(xué)的。合理的辦法是依據(jù)開斷電流的大小，評估出該次開斷的觸頭磨損量，再累積每次開斷的觸頭燒損量，作為電壽命判別的依據(jù)。 各種型號的斷路器都可以得知其額定短路開斷電流下的允許開斷次數(shù)，設(shè)額定短路開斷電流下允許開斷次數(shù)為n，定義一臺全新的斷路器的觸頭相對電壽命（磨損量）為100%。則每次額定短路開斷電流開斷時的相對磨損為1/n，根據(jù)不同斷路器的n-ib曲線，即可求得任意大小開斷電流ib的對應(yīng)允許開斷次數(shù)nb，則對應(yīng)的單次開斷的相對電磨損量為1/nb，這樣可求出任一次開斷時的相對電磨損量，也可求出該斷路器的相對電壽命l=l1- å（1/nb），l1為斷路器電壽命的初始值，是一個不大于1的百分?jǐn)?shù)，其值由斷路器的運行歷史決定，新投運的或經(jīng)過大修后的l1可取為1。根據(jù)以上方法和試驗結(jié)果，本文采用的電壽命計算曲線可在下表的基礎(chǔ)上插值實現(xiàn)。表中ib為任一次開斷電流，ie為額定短路開斷電流，n為額定短路開斷電流下的開斷次數(shù)，qm為對應(yīng)開斷電流ib時的觸頭相對電磨損量。
表1. 少油斷路器的相對電磨損公式

表2. sf6斷路器相對電磨損公式

表3. 真空斷路器相對電磨損公式

1.2 斷路器的機械壽命監(jiān)測
高壓斷路器故障統(tǒng)計中，故障概率最高的是操作機構(gòu)故障。據(jù)統(tǒng)計，有40%至60%的高壓斷路器的操作事故是由機械方面的原因造成的[3]。
1.2.1 分合閘線圈電流波形
分合閘線圈電流是表征斷路器操作機構(gòu)動作性能的關(guān)鍵特征，電流波形中蘊含豐富的信息。圖1所示的是一個典型的斷路器開斷短路電流的跳閘回路電流，t0為分合命令到達(dá)時刻，t1為鐵芯開始運行時刻，t2代表鐵芯觸動操作機構(gòu)的負(fù)載后減速或停止運行的時刻，t3可視作開關(guān)輔助a接點斷開線圈電路時刻，t0-t1與控制電源及線圈電阻有關(guān)，t1-t2的變化表征電磁鐵鐵芯運行機構(gòu)有無卡澀、脫扣及機械負(fù)載變動情況，t2-t3或t0-t3