隔离开关动作特性监测用无线姿态传感器空间取能设计方法

殷关辉 朱晓红 李建斌 常永要

（云南电网有限责任公司曲靖供电局 云南省曲靖市 655000）

1 引言

隔离开关是变电检修安全防御的重要设备，隔离开关失效可能导致被检修设备带电，给检修人员带来安全隐患。隔离开关的动作一般可通过动作特性测试仪进行定期检定，但定期检定周期很长，并不能及时有效的保证隔离开关动作的有效性。

为了进一步提高变电检修安全运行管理质量，有必要开展隔离开关动作监测，从而实时为变电检修人员的安全护航。

2 姿态传感器应用情况

姿态传感器是基于MEMS 技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM 处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。

姿态传感器近年来在隔离开关动作特性监测中逐步应用，其主要方式是：通过有线方式实现信息传输和供电，控制与供电线缆在隔离开关动作过程中信号线缆不可避免产生挤压，破损，影响了传感器及隔离开关的可靠性。

从姿态传感器安装角度考虑，由于需要兼顾信号传输和供电条件，姿态传感器安装位置受限，尤其用于垂直方向动作的隔离开关时，动触头上安装姿态传感器的条件并不恰当，因此一般现有的姿态传感器主要用于水平方向移动的隔离开关。如图1所示。

3 无线姿态传感器解决的核心问题

本文针对姿态传感器在隔离开关动作特性中的应用现状，针对安装灵活性和数据供电传输问题，提出一种无线姿态传感器，该传感器采用MCU、通信模块和姿态传感器高度集成的方案，可实现灵活安装，无线传输的特点，能够应用在水平方向和垂直动作方向的隔离开关中。

无线姿态传感器在隔离开关的应用早有讨论，但目前尚未得到广泛实施，最典型的挑战是供电、电池续航问题。如果姿态传感器一直处于受控状态，其静态电流和通信时的电流很快会耗尽内部电池供电，因此单纯依赖高性能电池无法满足现场应用要求。

4 无线姿态传感器的扩展用途

4.1 隔离开关健康诊断

图1

图2

姿态传感器提供了三维倾角，同时也提供了三维加速度，在隔离开关切换过程中，如果隔离开关自身的机械部件出现故障，会导致加速度出现及不稳定的现象。因此通过加速度可以反映隔离开关动作过程中的异常噪声，用于评价隔离开关是否正常。如果探测的噪声已经属于严重的质量问题，那么即使隔离开关动作到位，也可能后期发生无法动作或动作失效的情况。

4.2 温湿度及其它参数监测

温度监测是目前主流姿态传感器芯片测量环境温度的的一个通用指标，因此可以利用该温度对传感器内部的自身温度进行测量。另外由于无线姿态传感器主要通过I2C 总线方式控制，MCU 还有其他富余资源，可用于扩展湿度、外部温度、放电、感应电流或紫外光的测量。其中感应电流可以用于传感器布置在触头时感应触头的电流波形，该波形可用于描述开关动作特性；紫外光可用于观测环境光照情况外，还可通过改变紫外光传感器的角度，针对触头离合时的紫外光进行探测，诊断开关接触是否正常。

5 电场取能方法

如上分析，不论采取姿态传感器用于隔离开关位置，还是基于扩展的辅助电参数测量，都建立在姿态传感器的可靠蓄能基础之上。本文提出了基于电场取能方案，可实现变电站内空间电场自然取能，解决供电可靠性问题。设计的传感器结构如图2所示。

如图2 采用了上隔离层作为电场耦合层满足姿态传感器上端的电场强度耦合，与下隔离层形成板极电容，对站内高压设备形成了电容耦合分压回路。在板极电容内部设计了分压模块，在分压模块引出后可给电源电路提供驱动电源。

为了降低站内开关切换时冲击脉冲的过电压对取能回路造成冲击影响，分压元件采取了电感器件，既可起到分压，又可满足高频冲击波抑制的功能。同时电感在承受脉冲电压的过程中，自身会出现储能效应，该储能一方面可以通过分压点释放给驱动电源部分，另一方面可通过传感器的等效板极电容形成LC 回路实现交互式的充电，将部分冲击能量存储在电容中。

为了降低在户外长期运行引起传感器内部高温，在壳体外表面设计反射层，可降低光照入射强度，尤其是保护壳体受紫外线照射。

6 讨论

采用纯电池供电的无线姿态传感器在持续受控条件下很难满足长期监测的要求，本文提出的空间电场取能方法可以显著提升无线姿态传感器的有效性，尤其是有效解决姿态传感器在隔离开关动作特性监测中的实际应用。在设计时应考虑几个重要因素：

6.1 安装位置与取电量值的关系。

基于分压电场取能的方法考虑了稳态电场和瞬间冲击的非稳态电场的情况，在设计上下板极电容的过程中，应考虑到极间耐受电压及极间电场对内部电路的影响。如果下隔离层采取接地处理，那么极间电容获得的分压为上隔离层与架空线或其他临近带电体之间的空气等效电容之间的分压比计算；如果下隔离层采取非接地措施，但下隔离层与现场安装的开关触头通过外壳等效电容形成了分压电容关系，这种情况下电场取能是基于空间耦合电容、外壳与隔离开关触头等效电容、外壳自身上下隔离层电容之间的分压所得。

6.2 分压线圈的匝间耐受电压和交流阻抗

如图尽管分压线圈对耦合取能采取了分压节点引出后给电池充电，但分压线圈如果自身阻抗过低，会导致获得交流电场转换为电流信号，消耗在线圈内部，从而减弱取电能量。另外，在冲击电场作用下，分压线圈自身的感抗可能产生较大的感应电势，该感应电势可能危及匝间绝缘，损坏分压线圈。

6.3 内部热量释放

在冲击电场或长期稳态电场取能过程中，线圈发热，电池发热以及电路板的发热都会导致壳体内部温度升高，因此应考虑散热处理。从该角度分析，上下隔离层作为金属层，可以一定程度释放电感端头的热量，但上下隔离层自身也属于储能电极，它内部通过的电流与电感属于串联关系，因此自然通过金属面积消耗一部分热量。从该角度分析，上下隔离层应充分考虑散热条件，采取金属薄膜或金属块设计。

6.4 电子电路的保护

电场取能过程中，线圈与板极电容构成的谐振回路可能产生谐振波形，另外冲击脉冲条件下，线圈的自感电动势增大，会形成“天线”效应，产生高频辐射，对电子电路的正常工作构成干扰。基于该情况将电子电路进行屏蔽处理，如图（b）的金属网罩，起到了良好的电磁屏蔽作用。

综上，本文的方案将传感器的电路和封装壳体完整设计，利用壳体的架构，实现了取能、存能，并考虑到变电站环境的冲击脉冲电场效应，采用了感性原件实现分压和过滤，有较好的实用价值。解决了供电问题后，整个传感器被封装在一个紧凑的容器内，可灵活安装应用于垂直和水平隔离开关。

7 结论

解决姿态传感器的电池续航能力对于提高隔离开关状态监测有很高的实用价值，本文提出的方案经济价值高，能够满足垂直方向和水平方向动作隔离开关的应用，对于提升变电检修技术水平，实现一键顺控调度管理的技术发展都有很好的推广应用空间。