断路器合闸储能弹簧状态监测

曾 国，李鹏飞，李 俊，严国志，贺 攀，周文俊，何小新，赵思洋

(1.国网黄石供电公司，湖北黄石 435000；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；3.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072)



断路器合闸储能弹簧状态监测

曾 国1，李鹏飞2，李 俊1，严国志2，贺 攀1，周文俊2，何小新3，赵思洋2

(1.国网黄石供电公司，湖北黄石 435000；2.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；3.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉 430072)

为保证弹簧操动机构断路器安全可靠运行，设计了一种断路器合闸储能弹簧状态监测系统。使用压力传感器、加速度传感器、光电编码器、电流互感器对合闸储能弹簧的压力、合闸储能弹簧动作行程、断路器合闸行程和储能电机电流进行监测，利用MPS-140801采集卡对各个传感器的输出信号进行采集，使用LabVIEW对采集到的数据进行读取、处理、显示和存储。在LW25-126瓷柱式六氟化硫断路器上进行了试验验证，结果表明该监测系统能够准确测量反应断路器合闸储能弹簧性能的状态参数。

断路器；弹簧操动机构；合闸储能弹簧；状态监测；LabVIEW

0 引言

目前，国内外学者对弹簧操动机构的监测主要集中在操动机构整体机械性能的监测[1-2]，包括对动触头的分合闸行程曲线[3]、分合闸线圈电流、储能电机电流以及断路器在动作过程中的振动信号进行监测[4]，并对操动机构进行整体的性能评价。但是这些研究并没有专门针对合闸储能弹簧的状态进行监测，不能对造成操动机构整体机械性能下降的原因进行定位。Jeong-Hyun Sohn等对断路器合闸储能弹簧进行静态和动态的受力状态进行试验，并与仿真模型进行了对比[5]，但其试验过程需要将储能弹簧拆卸进行离线检测，无法在断路器的运行和动作过程中对合闸储能弹簧的状态进行监测。

本文设计制作了断路器合闸储能弹簧状态监测系统，对断路器在运行和动作过程中的有关合闸储能弹簧性能的特征参数进行监测，并在LW25-126瓷柱式SF6断路器上进行了试验验证，结果表明所设计制作的断路器合闸储能弹簧状态监测系统能够准确测量反应断路器合闸储能弹簧性能的状态参数。

1 监测系统介绍

1.1 弹簧操动机构动作过程及特征参数分析

弹簧通过传动机构为断路器的分合闸动作提供动力，能量存储通过合闸储能弹簧和分闸储能弹簧2个螺旋压缩弹簧实现，其动作过程包括3个部分：分闸动作、合闸动作、储能动作。断路器分闸线圈通电后，分闸储能弹簧由压缩储能状态释放能量，带动断路器动静触头分开，完成分闸动作，此时分闸储能弹簧恢复至预储能状态；与分闸动作过程相似，当合闸线圈通电后，合闸储能弹簧释放能量，断路器完成合闸动作，同时合闸储能弹簧的一部分能量存储在分闸储能弹簧中，完成分闸储能弹簧的储能，为下一次断路器的分闸提供能量；断路器在完成合闸动作后，储能电机通电，通过储能传动机构给合闸储能弹簧储能。

本系统主要是针对断路器的合闸储能弹簧进行监测，即对断路器的合闸动作和储能动作进行监测。为得到合闸储能弹簧的状态，对合闸储能弹簧的压力、合闸储能弹簧的动作行程、合闸行程曲线、储能电机电流4个参数进行监测。其中合闸储能弹簧的压力值既可以评估断路器在运行过程中合闸储能弹簧的储能状态，又可以在断路器动作过程中评估合闸储能弹簧的出力状态；合闸储能弹簧动作行程结合合闸储能弹簧压力的变化可以得到合闸储能弹簧的实时出力；合闸行程曲线可以间接地反应合闸储能弹簧的出力状态；储能电机电流可以间接地反应合闸储能弹簧在储能过程中的受力状态。

本系统以合闸储能弹簧压力值和合闸储能弹簧动作行程为主要监测参数，以合闸行程曲线和电机电流为辅助监测参数，通过这些参数的测量，可以分析和评估断路器合闸储能弹簧的性能状态。

1.2 系统结构设计

断路器合闸储能弹簧状态监测系统的结构如图1所示。

图1 系统结构框图

系统使用压力传感器实时获取合闸储能弹簧的压力值，使用加速度传感器获取断路器在动作过程中合闸储能弹簧的加速度-时间曲线，通过数据处理得到合闸储能弹簧动作的行程-时间曲线。使用光电编码器获取主传动轴的转速，并通过数据处理转换为合闸行程曲线。使用电流互感器获取电机在合闸储能弹簧储能过程中的电流-时间曲线。

图1中上位机为工控计算机，通过USB总线直接控制多路同步A/D采集卡(以下简称A/D采集卡)的工作。A/D采集卡实时采集各个传感器的输出值，将数据上传至上位机进行处理，实时显示各传感器的输出曲线，用于分析和评估断路器合闸储能弹簧的性能状态。

2 系统硬件设计

2.1 传感器的选择与安装位置的设计

LW25-126瓷柱式六氟化硫断路器采用CT20系列弹簧操动机构，其合闸储能弹簧为螺旋圆柱弹簧，储能形式为压缩储能。弹簧参数和操动机构的机械性能参数见表1和表2。

表1 CT20系列弹簧操动机构合闸储能弹簧参数

表2 CT20系列弹簧操动机构的机械性能参数

2.1.1 压力传感器的选择与安装位置的设计

由表1可知，断路器运行过程中合闸储能弹簧的储能压力大小为18 522～29 400 N，系统采用CCY-01螺旋型弹簧压力传感器来对弹簧压力值监测，其量程为0～40 000 N，测试精度≤1%F．S．，能准确测量出合闸储能弹簧的储能压力大小。合闸储能弹簧一端顶在操动机构的铸铝机架上面，另一端通过底板和行程导杆固定，如图2所示。将压力传感器安装在储能弹簧和铸铝机架之间。CCY-01压力传感器工作电压为3～15 V，输出信号为1～2 mV，系统采用CHFQ-01信号放大器将压力信号放大至0～5 V后传输至A/D采集卡进行数据采集。

图2 压力传感器及加速度传感器安装位置示意图

2.1.2 加速度传感器的选择及安装位置的设计

为了监测合闸储能弹簧在动作过程中的动作行程，本系统使用GKC-6A加速度传感器监测动作过程中的加速度，后经积分处理得到合闸储能弹簧动作行程。该传感器采用ADXL193为核心，其测量加速度量程为0～250g。通过强磁铁固定在弹簧的行程导杆底端，安装位置如图2所示。该传感器体积小、质量轻，测量过程中对储能弹簧加速度的影响可忽略不计。在合闸过程中，加速度传感器会随着合闸储能弹簧以相同的速度运动，其输出信号直接反应了合闸储能弹簧运动的加速度大小。通过对加速度信号进行积分，即可得到合闸储能弹簧在动作过程中的释能速度-时间曲线和释能位移-时间曲线。

2.1.3 光电编码器的选择及安装位置的设计

鉴于断路器结构的特殊性，直接使用位移传感器测量断路器动触头的分合闸行程难以实现。为便捷地获取合闸行程曲线，系统使用E6B2-CWZ6C光电编码器监测主传动轴的转速。利用强磁铁将光电编码器吸附在主传动轴的端部，其安装位置如图3所示。光电编码器输出A、B两相方波信号，两者相位相差90°，通过A、B两路信号的相位差可以得到主传动轴的旋转方向。系统使用A/D采集卡直接将A、B两路信号量化采集，后在上位机中进行信号处理，得到分合闸行程曲线。

图3 光电编码器安装位置示意图

2.1.4 电流互感器的选择

LW25-126瓷柱式六氟化硫断路器采用的单相交流电机，其额定电流为4 A。电机启动瞬时电流为额定电流的5～8倍，其最大峰值电流为32 A，为此，系统采用TR0108-2B型穿心式电流互感器，其量程为100 A，将电机电源线在电流互感器中的穿心孔中环绕3匝进行测量。

2.2 基于多传感器的同步采集设计

系统采用MPS-140801采集卡，该采集卡具有8路24位同步采集通道，最高采样率128 ksps，模拟通道输入范围为±10 V。实现对合闸储能弹簧压力、合闸动作过程中弹簧能量的释放加速度、合闸行程曲线、储能电机电流4个参数的同步采集。采集卡通过USB2.0接口与上位机连接，实现采集数据的实时高速上传。

3 上位机控制系统

上位机控制系统主要实现A/D采集卡控制、传感器监测、读取监测实验数据、存储监测数据以及分析监测数据等功能[10]。上位机控制系统流程图如图4所示。

图4 上位机控制系统流程图

系统启动后进行参数设置，再进行传感器监测，如有未监测到的传感器，系统进行报错提示。如未按退出按键，上位机控制A/D采集卡开始采集并读取采集数据，通过各传感器的数据判断断路器是否动作。若未动作，则只提取合闸储能弹簧的压力值，将其显示在控制软件前面板。若断路器动作，则根据各传感器的输出判断断路器进行的动作为合闸动作还是储能动作。并依据判断结果对所对应的数据进行相应的处理并显示。

上位机控制系统的实现采用LabVIEW作为开发平台[6]，其控制界面如图5所示。

图5 上位机控制系统界面

4 系统测试及结果分析

以LW25-126瓷柱式六氟化硫断路器空载时为试验平台进行测试。测试结果如图6和图7所示。

图6 断路器合闸动作测试结果

图7 断路器储能动作测试结果

图6为合闸动作过程中光电编码器、加速度传感器、压力传感器数据经处理后得到的合闸行程曲线、弹簧行程曲线和弹簧压力变化曲线。从图6中可以得出在合闸动作过程中，合闸储能弹簧形变量在84 ms内变化了98.67 mm，压力值在1.454 s内从29.68 kN经震荡稳定在18.47 kN。

图7为储能动作过程中电流互感器、加速度传感器、压力传感器数据经处理后得到的电机电流曲线、弹簧行程曲线和弹簧压力变化曲线。从图7中可以得出在储能动作过程中，合闸储能弹簧形变量在6.694 s内变化了98.65 mm，压力值在7.069 s内从18.53 kN稳定在29.71 kN。

上述测试结果与CT20弹簧操动机构的合闸储能弹簧参数和机械性能参数一致，表明本文所设计的监测系统能够准确的对断路器在运行和动作过程的合闸储能弹簧的力学参数和动作参数准确地测量。

5 结束语

根据断路器合闸储能弹簧的动作特点，使用光电编码器、加速度传感器、压力传感器和电流互感器等传感器设计制作了弹簧操动机构中合闸储能弹簧动作状态和储能状态监测系统。采用MPS-0801采集卡对上述传感器信号进行采集，使用LabVIEW进行数据读取和据处理。并在LW25-6瓷柱式六氟化硫断路器上进行实测，验证了系统的准确性。为断路器的状态在线监测的数据分析、特征参数的提取提供了准确的原始数据。

[1] 吕一航，李静，戴怀志，等.高压断路器综合在线监测系统的研制.中国电力,2004,3(3):68-71．

[2] 杨丰萍，张碧武，冯春华，等.真空断路器机械特性监测和软件设计.仪表技术与传感器,2007(12):71-73.

[3] DONG E Y,QIN T T,WANG Y X,et al.Experimental Research on Speed Control of Vacuum Breaker.IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,2013,28(4)：2594-2601.

[4] 孟永鹏，贾申利，荣命哲.真空断路器机械特性的在线监测方法.高压电器,2006,42(1):31-34.

[5] SOHN J H,LEE S K,KIM S O,et al.Comparison of Spring Models for Dynamic Analysis of a High Voltage Circuit Breaker with a Spring Operating Mechanism.Mechanics Based Design of Structures and Machines,2008(36):107-128.

[6] 佟俐，潘宏侠，胡田，等.基于LabVIEW的机电设备状态监测与故障诊断系统.仪表技术与传感器,2008(7):34-35.

State-monitoring of Circuit Breaker’s Energy-storing Closing Spring

ZENG Guo1,LI Peng-fei2,LI Jun1，YAN Guo-zhi2，HE Pan1，ZHOU Wen-jun2，HE Xiao-xin3,ZHAO Si-yang2

(1.Huangshi Power Supply Company of State Grid Corporation of China,Huangshi 435000,China; 2.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 3.School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In order to ensure the safety and reliability of the spring circuit breaker’s operation,a state-monitoring system for circuit breaker’s energy-storing closing spring was proposed.The system used pressure sensor,acceleration sensor,photoelectric encoder and current transformer to monitor pressure of energy-storing closing spring,stroke of energy-storing closing spring,closing stroke of circuit breaker and current of energy-storing machine.The signals of those sensors were acquired by MPS-140801 data collection card.LabVIEW was used to read,process,display and store the data.The experiment on LW25-126 porcelain column SF6circuit breaker shows that the system has the ability of monitoring state-parameters correctly,which reflects the state of circuit breaker’s energy-storing closing spring.

circuit breaker; spring-operating mechanism; energy-storing closing spring；state-monitoring; LabVIEW

2014-06-03 收修改稿日期：2014-11-09

TM932

A

1002-1841(2015)04-0065-04

曾国(1969—)，高级工程师，主要研究方向为高电压技术。 E-mail：13907236991@139.com