配电开关动作特性在线监测系统

邵志敏，李建修，刘合金，黄伟军，潘希

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.珠海许继电气有限公司，广东珠海519060）

配电开关动作特性在线监测系统

邵志敏1，李建修1，刘合金1，黄伟军2，潘希2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.珠海许继电气有限公司，广东珠海519060）

介绍一种基于霍尔电流传感器的配电开关动作特性在线监测系统。该系统由终端采集配电开关分、合闸线圈的电压电流信号，子站汇总各终端信息并处理后上送主站，主站将各配电开关数据拟合出分、合闸波形图后，与典型波形进行比对，分析各种重要参数的变化趋势，进而判断配电开关的健康状况。该系统的研发和应用为配电开关状态管控提供依据，提高配电网运行可靠性并降低运维成本。

霍尔传感器；分合闸线圈；配电开关；在线监测

0 引言

随着经济的繁荣发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求量越来越大，用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。开关事故调查和统计报告表明，约80%的开关设备故障是由机械原因导致，大多数故障是操动机构的问题［1］。以往的开关检修多为定期检修，存在临时性维修频繁、维修不足或维修过剩、盲目维修等诸多缺陷，并且常常在维修拆卸和安装过程中出现新的问题，耗资巨大。开关运行状态的在线监测能够为开关状态检修提供依据，十分必要。

设备在线监测是利用现代传感、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术以及各领域技术综合构成的辅助运行系统［2］。在设备正常运行的情况下，自动对设备状态特征量进行连续或定期的监测。做好在线监测工作能在设备运行时第一时间发现其异常状况，及时进行检修以延长设备的使用寿命。对于一些旧的或者存在不安全因素的问题设备需跟踪监测，尽量延长其使用寿命［3-4］。对于正常的设备应随时掌握其健康情况，为设备正常工作提供保障。针对配电开关机械特性的在线状态监测问题，设计了一种基于霍尔电流传感器的配电开关动作特性的在线监测系统，通过对线圈电压和电流波形的监测和判断，能够对配电开关线圈铁芯的通电和运动过程及操作电源容量等对比分析，为后续配电开关出现拒动或误动提供分析数据。

1 电流在线采集

目前用于电流采集的方法很多，常用的有在电路中串联采样电阻，通过测量电阻上的电压来计算电流大小；该方法虽然简单方便，但得到的采样信号没有经过电气隔离，降低了电路的安全性。电流互感器能测试大电流，且其功耗低、温漂低，但存在体积

较大、动态范围小、磁饱和及二次负载端不能开路等缺点［5］。分流器原理简单、可靠，适用于小电流的测量，测量大电流时有大量热量产生，精度和性能受到很大的影响［6］。光学电流传感器安装简单，抗干扰能力强，并能实现高电压绝缘，但是温度稳定性和可靠性较差［7］。Rogowski线圈不存在磁饱和现象，范围广、精度高、稳定性高、响应频率范围宽，特别对大电流的测量有效而准确，缺点是大批量生产比较困难［8］。近几年，霍尔电流传感器因其结构简单、容易制造、体积小、重量轻、使用时间长、安装简单方便、功率损耗较小、使用频率高，以及在复杂恶劣条件等情况下耐灰尘、油污、水汽以及盐雾腐蚀等特点得到广泛应用［9］。

霍尔电流传感器是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件，即在载流导体周围产生正比于该电流的磁场，而霍尔电流传感器则用来测量这一磁场。通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电—磁—电的绝缘隔离转换。

霍尔电流传感器有直测式（开环）和磁平衡式（闭环）两种，开环霍尔电流传感器结构简单、成本低，由于铁芯的非线性，其精度不高、响应速度慢、温漂大、线性度差。闭环霍尔电流传感器克服了直测式霍尔电流传感器的不足，采用零磁通原理，精度有了很大提高，测量信号和被测信号之间的电气绝缘好、响应时间快、线性度好［10-12］。

闭环霍尔电流传感器利用磁平衡原理，原边电流利用次级线圈产生的磁场来平衡被测电流在铁芯上产生的磁场，通过检测次级线圈信号间接得到被测电流的大小［13］。图1所示为闭环霍尔电流传感器的基本原理。

图1 闭环霍尔电流传感器基本原理

在测量电流的过程中，被测电流产生的磁场被铁芯聚集并被霍尔电流传感器所感应，霍尔电流传感器通过对输入信号的处理，产生信号输出并驱动功率管使其导通，从而得到补偿电流Is，补偿电流通过绕制的刺激线圈产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，补偿了原来的磁场，使得霍尔电流传感器的感应输出减小。当被测电流产生的磁场与补偿电流产生的磁场相等时，补偿电流不再增加，霍尔电流传感器感应的磁场为零，即可通过补偿电流来测试被测电流。被测电流发生变化将会对这一平衡产生破坏，霍尔电流传感器会有信号输出，经过功率放大器放大后，就会有电流流过次级补偿绕组对失衡的磁场进行补偿，这一动态过程可表述为［14-15］

式中：Np为原边线圈的匝数，一般为1；Ip为原边电流；Ns为副边线圈的匝数；Is为副边补偿电流。

2 配电开关特性在线监测系统

配电开关大多是以电磁铁芯作为分、合闸操作的第一级控制件，再由铁芯运动通过传动系统带动配电开关触头分、合闸。故电磁线圈作为关键部件，其电流波形中包含着诊断机械故障的重要信息。

图2典型线圈电流波形

图2所示为配电开关合闸动作时，线圈中的典型电流波形图，电流波形随铁芯运动的变化过程可分为以下4个阶段。

1）铁芯触动阶段。对应图2中T1～T2的电流波形起始部分。T1为配电开关控制命令到达时刻，是配电开关分、合闸时间计时起点；T2为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁芯运动，即铁芯开始运动的时刻。线圈从通电的瞬间T1起到铁芯开始运动T2的瞬间止，这段时间内，铁芯静止不动，线圈电流从零开始按指数函数上升。线圈电压方程式为

若从T1到T2时间内电流上升到Ic，则

2）铁芯运动阶段。在铁芯运动以后，线圈自感系数L随时间变化，产生自感电动势，此时线圈电压为

3）触头分、合闸阶段。对应图2中T3～T4的电流波形部分。在T3～T4时间段，铁芯已停止运动。线圈工作气隙及线圈电感L均不再变化，电流又按指数函数上升，但此时的线圈电感大于铁芯触动阶段的电感值。这一阶段通过传动系统带动配电开关触头分、合闸的过程。T3是铁芯停止运动的时刻，而触头则在T3前后开始运动，T3～T4阶段可以反映操作传动系统运动的情况。

4）电流切断阶段。对应图2中T4的电流波形部分。T4为配电开关辅助接点切除时刻，辅助接点切断后开关控制回路断开。辅助接点切断过程中，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电流随之减小至零直至熄灭。

分析典型线圈电流波形可知，由几个关键时间点的特征值可以得出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间等参数，从而得到铁芯运动和所控制的启动阀、铁闩和辅助开关转换的工作状态［16］。

设计的配电开关动作特性的在线监测系统是通过在配电开关分、合闸回路中加装霍尔直流传感器，在输出合、分闸控制命令的同时由霍尔直流传感器采集合、分闸线圈的电流和电压信号，将采集到的合、分闸线圈电流和电压信号通过信号调理部分经过滤波、转换等作用将直流电流信号变成直流电压信号；再通过隔离放大电路将此电压信号放大后通过A／D转换将电压信号转换成数字信号并输入CPU中，如图3所示。

图3 配电开关在线监测系统

配电开关动作数据由终端通过RS232接口传递给子站，子站将收到的数据经过处理后通过光纤通信送至主站，由主站将收到的电流数字量模拟还原成分、合闸曲线，并在监控界面上显示出来。主站将终端上送的数据拟合成分、合闸线圈电流波形曲线后与典型线圈电流波形相比对，即可以评估出操动机构的工作状态，预测故障可能出现的位置，有针对性地安排检修，提高供电可靠性。

3 系统验证

选用珠海许继电气配电开关进行高低压分、合闸动作试验，采集其分、合闸线圈波形曲线进行试验验证，如图4、图5所示。

图4 开关分闸线圈波形

图5开关合闸线圈波形

图4、图5中黄色曲线为电压波形，蓝色曲线为电流波形。从电流波形中可以清晰地看出配电开关铁芯的启动时间、运动时间、线圈通电时间、辅助开关转换时间以及配电开关动作过程中线圈的峰值电流。配电开关是以终端内置电容作为控制电源，从电压波形中可以看出配电开关动作过程中，电压变化不大，表明电源能量足够。综合图4、图5中的配电

开关高低压分、合闸波形图可以看出，电压的变化会对分、合闸时间产生影响，高电压时动作时间缩短，低电压时动作时间拉长，但电压监测范围应满足GB／T 11022—2011第5.8的要求。

图6所示为配电开关控制电源能量不够导致分闸失败。由图可见，配电开关动作时电压明显被拉低，且铁芯启动时刻T1，铁芯开始运动时刻T2等关键点都很明显，在铁芯停止运动时刻T3铁芯撞击启动阀但撞击力不够，未能带动机构传动，导致配电开关合闸失败，电流波形中无第二峰值和辅助开关转换出现。该分闸波形分析结果与实际配电开关动作情况完全符合。

图6控制电源能量不够导致分闸失败波形

图7所示为配电开关机构彻底卡死的分闸波形图。从图中可以看出控制电源电压逐渐放电，线圈铁芯触动后并未运动，电流逐渐衰减。

图7 配电开关机构卡死分闸波形

4 结语

设计了一种基于霍尔电流传感器的配电开关动作特性的在线监测系统。该系统能够实现对配电开关分、合闸实时数据的采集，能对分、合闸线圈的电流信号进行转换、滤波、放大、存储和分析，通过对线圈电压和电流波形的监测和判断，能够对配电开关线圈铁芯的通电和运动过程、操作机构传动、操作电源容量等做出分析比对，为后续配电开关出现拒动或误动提供分析数据，方便进行初判断。实验和实际运行表明该系统具有实时性好、监测数据全面、操作性和抗干扰能力强等优点。

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On-line Operation Characteristics Monitoring System of Distribution Switchgears

SHAO Zhimin1，LI Jianxiu1，LIU Hejin1，HUANG Weijun2，PAN Xi2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Zhuhai XJ Electric Co.，Ltd.，Zhuhai 519060，China）

An on-line operation characteristics monitoring system for distribution switches based on the Hall current sensor is introduced.The FTU（feeder terminal unit）of the system collected voltage and current signals of distribution switches opening and closing coils，which are collected by sub-stations and sent to the master station.The opening and closing distribution switches waveform graphs are fitted by the master station，and compared with the typical waveforms.Then trends of important parameters are analyzed，and the running state of distribution switches are assessed.The system provides a basis for distribution switches state controls，improves the reliability of the power system operation and reduces the cost of maintenance.

Hall current sensor；opening/closing coil；distribution switch；on-line monitoring

TM642

A

1007－9904（2016）09－0006－04

2016-03-02

邵志敏（1984），男，工程师，从事配电自动化，配电设备一、二次融合等相关工作；

李建修（1985），男，工程师，从事配电网状态检修及运行分析相关工作；

刘合金（1986），男，工程师，从事配电网状态检修及运行分析相关工作；

黄伟军（1976），男，工程师，从事配电自动化系统及智能成套设备的研究、开发、应用工作；

潘希（1990），男，工程师，从事配电自动化系统及智能成套设备的研究、开发、应用工作。