高压开关柜断路器机械特性在线监测装置研究

2020-05-08卢晨加

科技与创新 2020年8期

卢晨加

卢晨加

（厦门市百岗电气有限公司，福建厦门 361022）

对高压开关柜中断路器机械特性的在线监测装置进行了研究，利用断路器的辅助触点和断路器触头开闭的相对固定时间差，获取断路器刚合点和刚分点时刻，使用非接触角位移传感器进行间接测量触点的行程曲线，可靠分析了计算断路器的开距、超程、速度等主要特征，有效地解决了传统角度位移传感器和线性位移传感器安装困难的问题。

高压开关柜；断路器；机械特性；在线检测装置

在供配电网中开关柜是最重要的组成部分之一，而其核心部件断路器的寿命和健康状态直接影响配电网络的可靠运行，因此需对断路器的运行状态进行监测分析，及时排除隐患，保障配电安全。断路器的合分闸时间与断路器的速度有直接关系，其实际速度会直接影响断路器的寿命和开闭性能。如果合闸速度过慢，则预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘住，降低灭弧室的电寿命；如果分闸速度过慢，将会导致断路器断开时间过长，增加燃弧时间甚至导致开断失败，而分闸速度太快，会导致分闸反弹过大，容易产生重燃现象，由此可以看出，断路器速度影响断路器的分断性能和转换性，因此分合闸速度是一个非常重要的参数。断路器速度和行程可以通过断路器的动触头的行程时间曲线获得，而在实际应用中机械式位移传感器存在安装不变和使用寿命短的问题，所以可通过断路器主轴旋转角度和动触头的行程对应关系间接获取分析结果。

1 监测装置硬件设计

1.1 监测装置组成及工作原理

压开关柜内断路器机械特性在线检测装置包括电流传感器、信号处理器、角度位移传感器、核心数据处理其以及数据通讯。其中，霍尔传感器可以确定起始时刻，辅助接点可以确定终止时刻，而角度位移传感器则负责收集整理数据，用核心数据处理器完成数据的解析，通过数据通讯监测整体装置。

操作开关柜断路器接到打开或关闭命令时，完成特定操作需要一定的时间，任何机构的断路器都是如此，如操作过程实践时间过长或时间过短，都会在一定程度上影响断路器的整体性能，情况较为严重的会导致断路器出现故障问题，影响安全性。通过霍尔电流传感器检测分合闸线圈电流，同时检测角位移传感器变化参数，经AD转换为数值信号，由MCU内部分析处理。机械特性的刚合刚分时间通过监测断路器辅助开关切换时间及断路器触头和辅助开关相对固定的时间差计算所得。监测装置通过测量断路器的分合闸行程开关及主轴旋转角度测量触头的行程。主轴的旋转角度与触头的行程间存在联系，而断路器断开闭合过程将会对两者造成影响，因此在线监测装置可根据此理论进行设计。

1.2 角度传感器的选择与安装

角位移传感器选择德国Novotechnik公司的非接触式角位移传感器，非接触式的角位移传感器内包含磁场感应，通过磁场感应延长机械寿命，使其达到无限使用的目标。一般情况下主轴附近存在安装空间，采用非接触式角位移传感器的安装更加方便，且可以远离高压部分。而非接触式的角位移传感器可分为传感器、磁位器两部分，其中磁块固定在主轴终端，传感器通过支架固定，传感器与磁位器安装时不需要有物理性连接。通过测量可以得出断路器分合闸过程中的主轴角位移曲线，分析主轴的角位移曲线可以得出动触头直线位移曲线，多种型号的断路器都可以通过此方法进行间接测量，且适用于大多数测量环境。

1.3 角度传感器的设计

选用的角位移传感器采用+5 V供电，使其输出值保持在0.25～4.75 V。在设计角度传感器时需注意信号滤波、同比缩放以及A/D输入电压的箝位，如遇到毛刺信号，可以使用RC低通滤波器进行滤频，进而不断提高信号精确度，有效防止外界信号的干扰。同比缩放则需要将信号控制在A/D允许的范围内，进而增大输出信号电路的阻抗，而A/D输入电压箝位则可以保护A/D端口，限制端口电压，使其保持在0～5 V内。

1.4 辅助控制电路设计

通过断路器分合闸辅助行程开关信号，经光耦隔离后连接至MCU的INT中断引脚上，以确定断路器刚分、刚合时刻，并适当增加低通滤波器RC滤波电路，防止干扰信号误触发。

霍尔电流传感器输出经滤波及差分放大后进入AD端口进行检测，霍尔电流传感器存在零漂，数据处理过程中需要做相应补偿。

2 监测装置软件设计

2.1 整体软件设计

在软件设计过程中可以应用485通讯程序，有效应用可以实现数据共享，实际应用时可将多监控设备的网络进行连接，监控设备。在整体软件设计时应充分考虑多种问题，使软件设计包括电流波形处理程序、初始化程序，通过基础程序设计角度行程对应处理程序，使整体系统可以计算机械特性。在系统设计中，A/D采样程序、通讯程序也是重要组成部分，MCU实时监测分合闸电磁铁电流及当前角度，检测到启动电流后同步记录存储电流及角度值。

2.2 数据处理

现场监测波形会出现许多数据毛刺，形成的原因是存在干扰等，这些问题会使采样初始数据出现干扰性问题，如果不处理这些数据，将会产生很大误差，最终影响行程曲线拟合及最大速度计算，因此，需要采用数字滤波的去噪方法，有效剔除干扰，使信号处于无失真状态还原。

3 实验结果与分析

根据断路器机构的传动机械特性可以得出断路器动触头线性位移和主轴角位移移传感器之间的拟合关系，利用机械特性角度对应行程的转换关系，MCU中的编程还可以实现动触头位移，计算出断路器分闸和闭合时刻行程，最终通过分析得出动触头刚性分闸以及闭合速度，在计算过程中应以刚合点前和刚分点后的一段特定行程计算合分闸速度。

某品牌断路器测试角位移波形及计算参数如图1所示。