一种基于DSP的高压断路器状态在线监测装置
日期：2008-10-8 13:09:47 来源：中国自动化网
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0 引言
现代高压电气设备是以高性能、智能化、免维修为发展趋势。电气设备从现行的计划检修向状态检修转变已成为必然趋势。高压断路器是电力系统中重要且数量巨大的电气设备，断路器发生故障造成的损失，远远超出断路器本身的价值[1>。为了提高断路器工作的可靠性，必须采取相关措施，防患于未然。建立高压断路器的状态检修环节，可以预测故障先兆，克服定期检修的盲目性，同时也为制造出智能型的免维修断路器摸索和积累了资料。本文讨论实现高压断路器状态在线监测的原理和技术。
断路器是非常复杂的电气设备，断路器的劣化涉及到热、电、机械、环境等多方面的因素，虽然对断路器的故障监测与诊断已有较长时间的研究，但至今仍然没有一个完善的、成熟的断路器寿命评估模式[2>。目前的断路器在线监测模式大多采用档次不高的单片机作为主控制器，构成独立的监测装置。由于单片机的速度、字长、扩展能力等方面的局限性，存在采样信号较少、采集数据不足、对运动过程缺乏记录、分析精度不高、计算模型简单等问题，诊断结论缺乏说服力[2>，同时存在人机交互性不够友好、联网能力较差的缺点。
本文认为上述问题的解决应从以下三方面入手：
1) 断路器监测信号的合理选择以及先进传感器的选型与安装是状态诊断的前提与关键；
2) 选用高性能的CPU作为监测装置的核心，是决定监测系统性能指标的基础条件；
3) 改监测装置为监测系统，采用分布式的体系结构，灵活方便，使得智能性、扩展性大大增强。
本文提出的高压断路器状态在线监测系统是采用分布式结构，其中在线监测单元以TI公司的高性能数字信号处理器DSPVC33作为主控制器，能对断路器的众多关键参数进行长数据录波，综合诊断，具有就地显示和远程网络功能，适用于用得较多的少油或多油、六氟化硫（SF6）及真空三大类断路器。
1 高压断路器在线监测项目
特征提取是在线监测的首要环节，盲目采用过多的传感器采集断路器的状态特征既不现实也不经济[3>。本文立足于在线监测的实用化，仅直接提取关键特征，经数学分析推断出断路器的状态和性能。在线监测的主要项目有：
1.1 断路器触头的电磨损
断路器的每次开断都会对触头产生一定程度的损伤，断路器的触头电磨损（又称电寿命）是断路器性能的重要指标。对断路器触头电寿命的诊断，实践证明仅考虑累计开断电流和累计开断次数是不科学的。合理的办法是依据开断电流的大小，评估出该次开断的触头磨损量，再累积每次开断的触头烧损量，作为电寿命判别的依据。 各种型号的断路器都可以得知其额定短路开断电流下的允许开断次数，设额定短路开断电流下允许开断次数为N，定义一台全新的断路器的触头相对电寿命（磨损量）为100%。则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N，根据不同断路器的N-Ib曲线，即可求得任意大小开断电流Ib的对应允许开断次数Nb，则对应的单次开断的相对电磨损量为1/Nb，这样可求出任一次开断时的相对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命L=L1- ?（1/Nb），L1为断路器电寿命的初始值，是一个不大于1的百分数，其值由断路器的运行历史决定，新投运的或经过大修后的L1可取为1。根据以上方法和试验结果，本文采用的电寿命计算曲线可在下表的基础上插值实现。表中Ib为任一次开断电流，Ie为额定短路开断电流，N为额定短路开断电流下的开断次数，Qm为对应开断电流Ib时的触头相对电磨损量。
表1. 少油断路器的相对电磨损公式
表2. SF6断路器相对电磨损公式
表3. 真空断路器相对电磨损公式
1.2 断路器的机械寿命监测
高压断路器故障统计中，故障概率最高的是操作机构故障。据统计，有40%至60%的高压断路器的操作事故是由机械方面的原因造成的[3>。
1.2.1 分合闸线圈电流波形
分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征，电流波形中蕴含丰富的信息。图1所示的是一个典型的断路器开断短路电流的跳闸回路电流，T0为分合命令到达时刻，T1为铁芯开始运行时刻，T2代表铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻，T3可视作开关辅助a接点断开线圈电路时刻，T0-T1与控制电源及线圈电阻有关，T1-T2的变化表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况，T2-T3或T0-T3可以反映操作传动系统运动的情况。通过以上几个不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械故障趋势，包括拒分、拒合等故障。
1.2.2 断路器开断过程的时间行程特性曲线
断路器的时间行程特性曲线中蕴含多种信息，包括分合闸时间、同期性、速度以及行程信号等。这些信号与断路器的灭弧室性能、燃弧时间以及弧后介质的恢复、合分闸弹簧的性能等相关。
1.2.3 断路器动作时的振动波形
断路器在操作时，对应机构中的每一部件的动作在振动信号时间图上都会有一个振动脉冲，对于不同的操作，各部件的振动脉冲出现的顺序是不变的，振动波形具有良好的重复性，因此用振动信号分析断路器的动作特性是有效的，振动分析法对于断路器机构的变形、润滑故障诊断灵敏度高，也是机构和灭弧室磨损、部件故障、装配失误等的特征表象[3>。可以在装置投运时，经若干次规定的例行操作，现场录取该断路器的振动波纹做“指纹”，作为诊断的参考。
2 高压断路器在线监测的传感器选型
综上所述，断路器工作状态的检测可采用电流、行程、振动三种类型的传感器实现。为了不影响断路器的正常工作，尽量采用非接触检测方法，传感器在断路器体外安装，且无可调整部件，不需现场整定，受环境因素的影响小。
2.1 断路器触头的开断电流检测
断路器触头的开断电流为交流电流量，本文选用穿心型保护CT实现。 输入信号范围为0-100A，输出信号峰峰值为－5V～＋5V。
2.2 分合闸线圈电流检测
分合闸线圈电流为直流电流量，本文选用霍尔电流传感器，安装方式为传感器铁芯开口安装，不影响断路器的二次接线。输入信号范围为0-20A，输出信号为4～20mA的直流电流。霍尔传感器是基于霍尔效应的原理。所谓霍尔效应是指若在一半导体薄片的两端通以控制电流I，并在薄片垂直的方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向上将产生电势UH的现象,所产生的电动势称为霍尔电压或霍尔电势。当霍尔元件的材料和几何尺寸确定之后，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B，即UH=KHIB，对于确定的霍尔元件而言，KH为常数。霍尔传感器结构简单，频率响应宽，可实现非接触检测。
2.3 断路器动触头的行程检测
动触头的行程为直线位移，通过测量连动机构的角位移间接实现。本文采用旋转式光电编码器实现。旋转式光电编码器的特点是重量轻、力矩小、可靠性高，广泛用于各种角位移测量的场合。光电编码器由码盘、光源和光电元件组成[4>。码盘有三个码道组成，最外圈码道为增量码道，码道上分布有相当数量的透光和不透光的扇形区；中间码道为辨向码道，扇行区位置与增量码道错开半个扇形区；内层码道只有一条透光的狭缝。使用时码盘随被测目标一同旋转，3对光源和光电元件布置在码盘的两侧，位置对称，则外层码道的光电元件输出的脉冲数反映了被测目标转动角度的大小；外层码道与中间码道的输出相位差反映了被测目标的转动方向；内层码道的狭缝作为码盘的基准位置，输出信号提供一个初始零位信号。增量码道上扇形区数目的多少，决定了编码器的分辨力。光源一般采用发光二极管，光电元件一般采用硅光电池或光电晶体管。旋转式光电编码器安装在断路器连动机构的转动轴上。
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现代高压电气设备是以高性能、智能化、免维修为发展趋势。电气设备从现行的计划检修向状态检修转变已成为必然趋势。高压断路器是电力系统中重要且数量巨大的电气设备，断路器发生故障造成的损失，远远超出断路器本身的价值[1>。为了提高断路器工作的可靠性，必须采取相关措施，防患于未然。建立高压断路器的状态检修环节，可以预测故障先兆，克服定期检修的盲目性，同时也为制造出智能型的免维修断路器摸索和积累了资料。本文讨论实现高压断路器状态在线监测的原理和技术。
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断路器是非常复杂的电气设备，断路器的劣化涉及到热、电、机械、环境等多方面的因素，虽然对断路器的故障监测与诊断已有较长时间的研究，但至今仍然没有一个完善的、成熟的断路器寿命评估模式[2>。目前的断路器在线监测模式大多采用档次不高的单片机作为主控制器，构成独立的监测装置。由于单片机的速度、字长、扩展能力等方面的局限性，存在采样信号较少、采集数据不足、对运动过程缺乏记录、分析精度不高、计算模型简单等问题，诊断结论缺乏说服力[2>，同时存在人机交互性不够友好、联网能力较差的缺点。
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本文认为上述问题的解决应从以下三方面入手：
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1) 断路器监测信号的合理选择以及先进传感器的选型与安装是状态诊断的前提与关键；
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2) 选用高性能的CPU作为监测装置的核心，是决定监测系统性能指标的基础条件；
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3) 改监测装置为监测系统，采用分布式的体系结构，灵活方便，使得智能性、扩展性大大增强。
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本文提出的高压断路器状态在线监测系统是采用分布式结构，其中在线监测单元以TI公司的高性能数字信号处理器DSPVC33作为主控制器，能对断路器的众多关键参数进行长数据录波，综合诊断，具有就地显示和远程网络功能，适用于用得较多的少油或多油、六氟化硫（SF6）及真空三大类断路器。
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1 高压断路器在线监测项目
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特征提取是在线监测的首要环节，盲目采用过多的传感器采集断路器的状态特征既不现实也不经济[3>。本文立足于在线监测的实用化，仅直接提取关键特征，经数学分析推断出断路器的状态和性能。在线监测的主要项目有：
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1.1 断路器触头的电磨损
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断路器的每次开断都会对触头产生一定程度的损伤，断路器的触头电磨损（又称电寿命）是断路器性能的重要指标。对断路器触头电寿命的诊断，实践证明仅考虑累计开断电流和累计开断次数是不科学的。合理的办法是依据开断电流的大小，评估出该次开断的触头磨损量，再累积每次开断的触头烧损量，作为电寿命判别的依据。 各种型号的断路器都可以得知其额定短路开断电流下的允许开断次数，设额定短路开断电流下允许开断次数为N，定义一台全新的断路器的触头相对电寿命（磨损量）为100%。则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N，根据不同断路器的N-Ib曲线，即可求得任意大小开断电流Ib的对应允许开断次数Nb，则对应的单次开断的相对电磨损量为1/Nb，这样可求出任一次开断时的相对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命L=L1- ?（1/Nb），L1为断路器电寿命的初始值，是一个不大于1的百分数，其值由断路器的运行历史决定，新投运的或经过大修后的L1可取为1。根据以上方法和试验结果，本文采用的电寿命计算曲线可在下表的基础上插值实现。表中Ib为任一次开断电流，Ie为额定短路开断电流，N为额定短路开断电流下的开断次数，Qm为对应开断电流Ib时的触头相对电磨损量。
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表1. 少油断路器的相对电磨损公式
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表2. SF6断路器相对电磨损公式
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1.2 断路器的机械寿命监测
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高压断路器故障统计中，故障概率最高的是操作机构故障。据统计，有40%至60%的高压断路器的操作事故是由机械方面的原因造成的[3>。
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1.2.1 分合闸线圈电流波形
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分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征，电流波形中蕴含丰富的信息。图1所示的是一个典型的断路器开断短路电流的跳闸回路电流，T0为分合命令到达时刻，T1为铁芯开始运行时刻，T2代表铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻，T3可视作开关辅助a接点断开线圈电路时刻，T0-T1与控制电源及线圈电阻有关，T1-T2的变化表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况，T2-T3或T0-T3可以反映操作传动系统运动的情况。通过以上几个不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械故障趋势，包括拒分、拒合等故障。
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1.2.2 断路器开断过程的时间行程特性曲线
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断路器的时间行程特性曲线中蕴含多种信息，包括分合闸时间、同期性、速度以及行程信号等。这些信号与断路器的灭弧室性能、燃弧时间以及弧后介质的恢复、合分闸弹簧的性能等相关。
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1.2.3 断路器动作时的振动波形
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断路器在操作时，对应机构中的每一部件的动作在振动信号时间图上都会有一个振动脉冲，对于不同的操作，各部件的振动脉冲出现的顺序是不变的，振动波形具有良好的重复性，因此用振动信号分析断路器的动作特性是有效的，振动分析法对于断路器机构的变形、润滑故障诊断灵敏度高，也是机构和灭弧室磨损、部件故障、装配失误等的特征表象[3>。可以在装置投运时，经若干次规定的例行操作，现场录取该断路器的振动波纹做“指纹”，作为诊断的参考。
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2 高压断路器在线监测的传感器选型
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综上所述，断路器工作状态的检测可采用电流、行程、振动三种类型的传感器实现。为了不影响断路器的正常工作，尽量采用非接触检测方法，传感器在断路器体外安装，且无可调整部件，不需现场整定，受环境因素的影响小。
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2.1 断路器触头的开断电流检测
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断路器触头的开断电流为交流电流量，本文选用穿心型保护CT实现。 输入信号范围为0-100A，输出信号峰峰值为－5V～＋5V。
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2.2 分合闸线圈电流检测
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分合闸线圈电流为直流电流量，本文选用霍尔电流传感器，安装方式为传感器铁芯开口安装，不影响断路器的二次接线。输入信号范围为0-20A，输出信号为4～20mA的直流电流。霍尔传感器是基于霍尔效应的原理。所谓霍尔效应是指若在一半导体薄片的两端通以控制电流I，并在薄片垂直的方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向上将产生电势UH的现象,所产生的电动势称为霍尔电压或霍尔电势。当霍尔元件的材料和几何尺寸确定之后，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B，即UH=KHIB，对于确定的霍尔元件而言，KH为常数。霍尔传感器结构简单，频率响应宽，可实现非接触检测。
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2.3 断路器动触头的行程检测
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动触头的行程为直线位移，通过测量连动机构的角位移间接实现。本文采用旋转式光电编码器实现。旋转式光电编码器的特点是重量轻、力矩小、可靠性高，广泛用于各种角位移测量的场合。光电编码器由码盘、光源和光电元件组成[4>。码盘有三个码道组成，最外圈码道为增量码道，码道上分布有相当数量的透光和不透光的扇形区；中间码道为辨向码道，扇行区位置与增量码道错开半个扇形区；内层码道只有一条透光的狭缝。使用时码盘随被测目标一同旋转，3对光源和光电元件布置在码盘的两侧，位置对称，则外层码道的光电元件输出的脉冲数反映了被测目标转动角度的大小；外层码道与中间码道的输出相位差反映了被测目标的转动方向；内层码道的狭缝作为码盘的基准位置，输出信号提供一个初始零位信号。增量码道上扇形区数目的多少，决定了编码器的分辨力。光源一般采用发光二极管，光电元件一般采用硅光电池或光电晶体管。旋转式光电编码器安装在断路器连动机构的转动轴上。
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