论文部分内容阅读
【摘要】本文在研究和分析了10KV级高压断路器故障原因的基础上，提出了一种针对某高压真空断路器机械特性进行在线监测装置的设计方案，通过采用位移式传感器对操动机构的运动状态进行实时检测，结合断路器的开关量输入信号，经过适当的软件处理，实现了对断路器机械特性的在线监测。
【关键词】高压断路器；机械特性；在线监测
1.引言
高压开关设备是电力系统中重要的控制设备和保护设备，设备中的断路器任务是根据电网运行的需要把电力设备和线路投入或退出运行，或者将发生故障的电力设备和线路从电网快速切除，以保证电网中无故障部分正常运行。因此，一旦高压断路器出现故障，就有可能造成电力系统的更大的故障，严重时会造成重大损失[1，2]。
在我国，10KV级高压断路器大多数用于金属封闭开关设备（成套电器），受工作环境所限，基本都不具备在线监测的能力。但是就高压断路器而言，由于机械原因造成的故障（包括拒合、拒分和误动）占70%～80%。操动机构和传动系统的故障以及电气控制及辅助回路的故障是造成拒合、拒分和误动故障的主要原因。因此，对高压断路器进行机械特性在线监测，可以及早的发现断路器故障原因，对减少开关事故和方便工作人员检修有重要意义[3，4]。
本文在研究和分析了10KV级高压断路器故障原因的基础上，提出了一种针对某公司生产的BPC-12/1250-31.5型永磁操动机构高压真空断路器机械特性在线监测装置的设计方案，实现了对断路器机械特性的在线监测。
2.装置总体设计方案
2.1 设计目标
高压断路器机械特性可进行监测的参数较多，但受电磁环境等条件的约束，实际可以进行在线监测的参数并不太多。本文通过分析高压断路器各种故障的故障率，结合高压开关出厂检验仪器的国标《DL/T846.3-2004高电压测试设备通用技术条件第三部分：高压开关综合测试仪》中的要求，选取断路器的行程、超程、刚分（合）速度、分（合）闸时间、弹跳次数、弹跳时间、平均速度和动作时间这些特征量进行在线监测[5，6]。
2.2 总体设计方案
在线监测装置包括传感器、信号处理电路、CPU处理模块和通信隔离电路组成，装置整体结构如图1所示。
本文选用电阻式位移传感器获取位移信号。当断路器动作时，电阻式位移传感器会产生阻值变化，即为断路器的动作信号。传感器一般安装在断路器外部，可不影响设备的原有性能及可靠性[7]。在此，将直线位移传感器安装在动作触头的电磁铁附近，有电磁铁带动悬臂梁与状态指示器一起动作，角位移传感器安装在动触头动作的转轴一端，传感器安装如图2所示。
位移传感器产生电阻信号的变化，经信号处理电路转换为电压信号，可供CPU处理器进行数据采集。分合闸指令信号和辅助触点信号经开关量输入电路传送至CPU处理器，用来控制开启CPU的AD采集以及反映开关的分合闸状态。CPU选用TI公司的TMS320F2812型号的DSP为主处理器，DSP对采集到的分合闸信号及相应的运动过程信号进行数据采集、运算之后，进行就地显示监测参数，并通过RS485通信将监测参数上传至上位机监控软件。
3.装置硬件设计
3.1 DSP处理板电路设计
DSP系统有电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG仿真接口电路、片外程序存储器、通信电路、时钟芯片电路、液晶显示电路和其它引脚处理及未用IO引脚处理电路9部分组成。电源电路为整个DSP系统供电，DSP需要直流3.3V和1.8V电源，，其中3.3V供给IO等外设，1.8V供给DSP内核。TMS320F2812的上电次序是外设先上电，内核后上电。电源电路采用TPS767D318为核心芯片，其输入为+5V，输出电压为1.8V和3.3V，满足DSP上电要求，具体电路如图3所示。
3.2 信号处理电路设计
信号处理电路主要对直线位移和角位移传感器信号进行处理，包括基准电源电路、直线位移信号调理电路和角位移信号调理电路。由于传感器输出信号为线性电阻信号，实际处理信号为电压信号，系统电源受外部干扰影响，稳压精度稍低。在此，本文采用稳压管TL431进行稳压，其精度较高，可用于作为基准电源，输出为电压+4V，其电路原理如图4所示。
高压断路器的位移信号是由电磁机构驱动传动机构传递的运动信号，参考相关标准可知，其运动信号为低频信号。由于工作现场环境复杂，易受外界电磁环境等干扰，在此，本文选用二阶有源巴特沃斯低通滤波器滤除干扰信号。由断路器的机械性能标准规定知，断路器机构行程为8±1mm，超程为3.0～4.5mm，动作速度<1.5m/s。可以计算出机械运动的最高频率信号为：
滤波器的设计应满足，在通带内信号有尽可能小的衰减，且滤波曲线平坦，在阻带内将信号尽可能衰减。断路器机械运动的最高频率为37.5Hz，将滤波器的转折频率设计在保证37.5Hz信号幅值衰减允许情况的最低频率。二阶巴特沃斯滤波器的标准传递函数为：
由式（2）巴特沃斯滤波器的传递函数特性知，当ξ=0.707时效果较为理想，此时频率响应的幅频特性不存在谐振峰，且具有最陡峭的衰减特性，查巴特沃斯滤波器的衰减特性曲线，得出此时转折频率取在60Hz附近可满足要求。对滤波参数进行归一化设计，取，二阶有源巴特沃斯滤波器设计公式为[8]：
式中，、为电阻和电容的计算参数，为截止频率，为品质因数。
DSP的AD采集端要求输入信号范围为0～3V，因此，需将滤波后的信号调整在0～3V范围，并对其限压保护。信号调理电路如图5所示。
3.3 开关量输入电路设计
开关量输入信号包括分合闸动作指令信号和断路器状态辅助触点信号，为保证装置的安全性和可靠性，本文采用光电耦合芯片TLP521对开关量信号进行电气隔离，然后送至DSP的中断端口，其电路原理图如图6所示。 4.装置软件设计
高压断路器机械特性在线监测的软件设计包括系统初始化、AD采集、数据处理、显示和通信等程序。系统上电后首先进行初始化，根据辅助触点状态来判断当前分合闸状态。当有分合闸动作中断信号产生时，启动AD采集程序，并对数据进行FIR滤波后，计算速度信号、平滑滤波、计算特征参数，并将特征参数上传至上位机，同时进行就地显示。系统程序流程如图7所示。
5.装置测试结果分析
系统装置的测试以BPC-12/1250-31.5型配永磁操动机构的高压真空断路器为实验平台。在实验室将信号处理电路部分连调测试，对分合闸动作分别进行多次实验。用示波器抓取分合闸动作信号的波形如图8所示。
其中，CH1为直线位移信号，CH2为角位移输出信号。直线位置传感器位于操控结构的悬臂上，运动过程中信号变化明显，由波形图看出，在分合闸动作时，有明显的弹跳波动。角位移传感器在动作过程中转动的角度较小，传感器阻值变化范围较小，弹跳波动不明显，该传感器输出的信号需进行进一步校正后使用。
将机械特性在线监测装置整体联调，选用直线位移信号进行机械特性在线监测输入信号，经过多次实验，取其中一组典型监测参数如表1所示。
通过分析多次实验数据分析，误差不超过2%，可满足机械特性在线监测的精度要求。
6.结语
高压断路器机械特性在线监测装置可有效的监测断路器分合闸动作时的特征参数，并且可以将监测参数通过RS485进行数据上传。装置有测量精度高、实时在线和数据通信等优点，而且有着良好的抗干扰特性，可用于智能开关柜等配有高压断路器的电气设备中进行机械特性在线监测。
参考文献
[1]范兴明，邹积岩，陈昌龙，丛吉远.基于DSP的真空断路器状态参数在线监测装置[J].电力系统自动化.2005，29（8）：99-103.
[2]Satish Natti."Risk Based Maintenance Optimization Using Probabilistic Maintenance Quantification Models of Circuit Breaker".D.Ph.Thesis.Texas A&M University.2008.
[3]钱家骊，袁大陆，杨丽华，张节容，关永刚.高压开关柜——结构计算运行发展[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[4]吕锋，曹国臣.基于DSP的断路器在线监测与诊断系统[J].仪表技术与传感器，2008，6：52-54.
[5]郭媛媛，荣命哲，徐铁军，王小华.基于双CPU的断路器在线监测装置主控单元的研制[J].电气技术，2005，12：20-23.
[6]Maricel ADAM，Adrian BARABOI，Catalin PANCU.” Monitoring and Diagnostic System for High Voltage Circuit Breakers”.International Conference on Electromechanical and Power Systems，2007.
[7]Zarko Djekic.”Online Circuit Breaker Monitoring System”.M.S.Thesis.Texas A&M University.2007.
[8]远坂俊昭.测量电子电路设计——滤波器篇[M].彭军.北京：科学出版社，2006.
作者简介：唐全海（1983—），男，江苏常州人，大学本科，助理工程师，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司，主要从事生产技术工艺工作。
【关键词】高压断路器；机械特性；在线监测
1.引言
高压开关设备是电力系统中重要的控制设备和保护设备，设备中的断路器任务是根据电网运行的需要把电力设备和线路投入或退出运行，或者将发生故障的电力设备和线路从电网快速切除，以保证电网中无故障部分正常运行。因此，一旦高压断路器出现故障，就有可能造成电力系统的更大的故障，严重时会造成重大损失[1，2]。
在我国，10KV级高压断路器大多数用于金属封闭开关设备（成套电器），受工作环境所限，基本都不具备在线监测的能力。但是就高压断路器而言，由于机械原因造成的故障（包括拒合、拒分和误动）占70%～80%。操动机构和传动系统的故障以及电气控制及辅助回路的故障是造成拒合、拒分和误动故障的主要原因。因此，对高压断路器进行机械特性在线监测，可以及早的发现断路器故障原因，对减少开关事故和方便工作人员检修有重要意义[3，4]。
本文在研究和分析了10KV级高压断路器故障原因的基础上，提出了一种针对某公司生产的BPC-12/1250-31.5型永磁操动机构高压真空断路器机械特性在线监测装置的设计方案，实现了对断路器机械特性的在线监测。
2.装置总体设计方案
2.1 设计目标
高压断路器机械特性可进行监测的参数较多，但受电磁环境等条件的约束，实际可以进行在线监测的参数并不太多。本文通过分析高压断路器各种故障的故障率，结合高压开关出厂检验仪器的国标《DL/T846.3-2004高电压测试设备通用技术条件第三部分：高压开关综合测试仪》中的要求，选取断路器的行程、超程、刚分（合）速度、分（合）闸时间、弹跳次数、弹跳时间、平均速度和动作时间这些特征量进行在线监测[5，6]。
2.2 总体设计方案
在线监测装置包括传感器、信号处理电路、CPU处理模块和通信隔离电路组成，装置整体结构如图1所示。
本文选用电阻式位移传感器获取位移信号。当断路器动作时，电阻式位移传感器会产生阻值变化，即为断路器的动作信号。传感器一般安装在断路器外部，可不影响设备的原有性能及可靠性[7]。在此，将直线位移传感器安装在动作触头的电磁铁附近，有电磁铁带动悬臂梁与状态指示器一起动作，角位移传感器安装在动触头动作的转轴一端，传感器安装如图2所示。
位移传感器产生电阻信号的变化，经信号处理电路转换为电压信号，可供CPU处理器进行数据采集。分合闸指令信号和辅助触点信号经开关量输入电路传送至CPU处理器，用来控制开启CPU的AD采集以及反映开关的分合闸状态。CPU选用TI公司的TMS320F2812型号的DSP为主处理器，DSP对采集到的分合闸信号及相应的运动过程信号进行数据采集、运算之后，进行就地显示监测参数，并通过RS485通信将监测参数上传至上位机监控软件。
3.装置硬件设计
3.1 DSP处理板电路设计
DSP系统有电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG仿真接口电路、片外程序存储器、通信电路、时钟芯片电路、液晶显示电路和其它引脚处理及未用IO引脚处理电路9部分组成。电源电路为整个DSP系统供电，DSP需要直流3.3V和1.8V电源，，其中3.3V供给IO等外设，1.8V供给DSP内核。TMS320F2812的上电次序是外设先上电，内核后上电。电源电路采用TPS767D318为核心芯片，其输入为+5V，输出电压为1.8V和3.3V，满足DSP上电要求，具体电路如图3所示。
3.2 信号处理电路设计
信号处理电路主要对直线位移和角位移传感器信号进行处理，包括基准电源电路、直线位移信号调理电路和角位移信号调理电路。由于传感器输出信号为线性电阻信号，实际处理信号为电压信号，系统电源受外部干扰影响，稳压精度稍低。在此，本文采用稳压管TL431进行稳压，其精度较高，可用于作为基准电源，输出为电压+4V，其电路原理如图4所示。
高压断路器的位移信号是由电磁机构驱动传动机构传递的运动信号，参考相关标准可知，其运动信号为低频信号。由于工作现场环境复杂，易受外界电磁环境等干扰，在此，本文选用二阶有源巴特沃斯低通滤波器滤除干扰信号。由断路器的机械性能标准规定知，断路器机构行程为8±1mm，超程为3.0～4.5mm，动作速度<1.5m/s。可以计算出机械运动的最高频率信号为：
滤波器的设计应满足，在通带内信号有尽可能小的衰减，且滤波曲线平坦，在阻带内将信号尽可能衰减。断路器机械运动的最高频率为37.5Hz，将滤波器的转折频率设计在保证37.5Hz信号幅值衰减允许情况的最低频率。二阶巴特沃斯滤波器的标准传递函数为：
由式（2）巴特沃斯滤波器的传递函数特性知，当ξ=0.707时效果较为理想，此时频率响应的幅频特性不存在谐振峰，且具有最陡峭的衰减特性，查巴特沃斯滤波器的衰减特性曲线，得出此时转折频率取在60Hz附近可满足要求。对滤波参数进行归一化设计，取，二阶有源巴特沃斯滤波器设计公式为[8]：
式中，、为电阻和电容的计算参数，为截止频率，为品质因数。
DSP的AD采集端要求输入信号范围为0～3V，因此，需将滤波后的信号调整在0～3V范围，并对其限压保护。信号调理电路如图5所示。
3.3 开关量输入电路设计
开关量输入信号包括分合闸动作指令信号和断路器状态辅助触点信号，为保证装置的安全性和可靠性，本文采用光电耦合芯片TLP521对开关量信号进行电气隔离，然后送至DSP的中断端口，其电路原理图如图6所示。 4.装置软件设计
高压断路器机械特性在线监测的软件设计包括系统初始化、AD采集、数据处理、显示和通信等程序。系统上电后首先进行初始化，根据辅助触点状态来判断当前分合闸状态。当有分合闸动作中断信号产生时，启动AD采集程序，并对数据进行FIR滤波后，计算速度信号、平滑滤波、计算特征参数，并将特征参数上传至上位机，同时进行就地显示。系统程序流程如图7所示。
5.装置测试结果分析
系统装置的测试以BPC-12/1250-31.5型配永磁操动机构的高压真空断路器为实验平台。在实验室将信号处理电路部分连调测试，对分合闸动作分别进行多次实验。用示波器抓取分合闸动作信号的波形如图8所示。
其中，CH1为直线位移信号，CH2为角位移输出信号。直线位置传感器位于操控结构的悬臂上，运动过程中信号变化明显，由波形图看出，在分合闸动作时，有明显的弹跳波动。角位移传感器在动作过程中转动的角度较小，传感器阻值变化范围较小，弹跳波动不明显，该传感器输出的信号需进行进一步校正后使用。
将机械特性在线监测装置整体联调，选用直线位移信号进行机械特性在线监测输入信号，经过多次实验，取其中一组典型监测参数如表1所示。
通过分析多次实验数据分析，误差不超过2%，可满足机械特性在线监测的精度要求。
6.结语
高压断路器机械特性在线监测装置可有效的监测断路器分合闸动作时的特征参数，并且可以将监测参数通过RS485进行数据上传。装置有测量精度高、实时在线和数据通信等优点，而且有着良好的抗干扰特性，可用于智能开关柜等配有高压断路器的电气设备中进行机械特性在线监测。
参考文献
[1]范兴明，邹积岩，陈昌龙，丛吉远.基于DSP的真空断路器状态参数在线监测装置[J].电力系统自动化.2005，29（8）：99-103.
[2]Satish Natti."Risk Based Maintenance Optimization Using Probabilistic Maintenance Quantification Models of Circuit Breaker".D.Ph.Thesis.Texas A&M University.2008.
[3]钱家骊，袁大陆，杨丽华，张节容，关永刚.高压开关柜——结构计算运行发展[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[4]吕锋，曹国臣.基于DSP的断路器在线监测与诊断系统[J].仪表技术与传感器，2008，6：52-54.
[5]郭媛媛，荣命哲，徐铁军，王小华.基于双CPU的断路器在线监测装置主控单元的研制[J].电气技术，2005，12：20-23.
[6]Maricel ADAM，Adrian BARABOI，Catalin PANCU.” Monitoring and Diagnostic System for High Voltage Circuit Breakers”.International Conference on Electromechanical and Power Systems，2007.
[7]Zarko Djekic.”Online Circuit Breaker Monitoring System”.M.S.Thesis.Texas A&M University.2007.
[8]远坂俊昭.测量电子电路设计——滤波器篇[M].彭军.北京：科学出版社，2006.
作者简介：唐全海（1983—），男，江苏常州人，大学本科，助理工程师，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司，主要从事生产技术工艺工作。