高压真空断路器在线监测装置结构改进

李祯维，吴建军，李家俊，杨 泽，钟建伟

（1.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北恩施 445000；2.湖北民族大学 信息工程学院，湖北恩施 445000）

引言

随着电力系统的飞速发展和智能变电站的快速建设，高压电器设备的智能化程度也越来越高。断路器作为电力系统中最主要的开关设备，对其运行可靠性自然具备更高要求。据统计，高压断路器是检修维护工作量最大的一次设备。同时，其机械结构问题导致的故障占其总故障的40%[1]。通过在线监测系统对断路器机械状态进行掌控，尽早发现其潜在故障，可以提升断路器的可靠性。并且根据其状态信息优化检修人员检修方式，可避免断路器的过度维修或维修不足[2,3]。

20 世纪90 年代，美国、日本开始研究断路器的状态监测技术。国内的断路器在线监测技术起步于20 世纪90 年代末期，清华大学首先对高压断路动作过程中产生的振动信号进行数据采集与处理方面的探索，首次研发出了在线监测的硬件平台[4-6]。此后诸多机构和学者在此领域展开研究[7-12]。然而多数学者研究方向主要聚焦于对断路器的各种特征信息进行采集和分析，如断路器的振动信号、分合闸线圈电信号、断路器动触头行程-速度信号等，并提出了多种故障诊断算法。大多学者未对在线监测系统的搭建进行详细的介绍，未具体阐述下位机装置的设计方法。许多学位论文中详细介绍了使用的在线监测装置硬件设计。但其设计的装置仅在实验室条件下对未在运行的断路器进行监测，未形成具有实用性的装置对挂网运行的断路器进行实际监测。基于实验室条件设计的监测装置，硬件设计方面存在诸多问题。本研究根据断路器在线监测下位机装置研发和在线监测平台搭建的实际经验，从硬件层面提高断路器在线监测装置实用性的角度，提供相应问题的解决方法。

1 装置电源设计

对高压开关柜中的真空断路器而言，常用的操作电源为220 V/50 Hz 交流电或220 V 直流电。断路器实际运行中，在线监测装置需从开关柜内部取电才能保证监测的进行。因此装置应具有从柜内端子排取用上述规格电力的能力。同时断路器作为强电设备，在线监测下位机作为弱电装置对其进行监测，其工作的电磁环境复杂。因此，装置的电源部分应具有一定的隔离防护性能及一定的自我保护功能，才可保证装置的长期安全稳定运行。装置的电源设计是一个容易忽略但又十分重要的方面。

常见的监测平台在实验室环境下搭建，未考虑装置的实际用电情况。通常采用如图1 所示方案。装置需要外置电源适配器，提高了系统的复杂度，且在开关柜内占用空间大。同时，装置内部的芯片、运算放大器、传感器等元件需采用多种等级的直流弱电，这种设计方案大量采用线性稳压源进行电压转换。一方面，线性稳压源对外接口未考虑隔离防护措施；另一方面，在线监测装置并非长时间工作在高性能高负载状态下，通常仅需在断路器动作时才发挥其性能。在大多数时间中，低负载情况下，线性稳压源的效率低，发热较大，不利于设备长期运行的稳定性。

图1 常见电源方案

为了解决上述问题，可以采取如图2 所示的电源方案。在装置中集成电源模块，这样可以减少电源适配器这一配件，简化整体系统。电源模块带隔离防护功能，提高了装置电源对外接口的安全防护性能。利用强电转弱电的隔离开关电源直接从开关柜内部端子排接线取电，转换为24 V 直流弱电。再利用开关电源将相对较高的24 V 弱电转化为多种电压等级，为不同的元器件供电。开关电源效率高，轻载功耗较低，通过开关电源和低压差线性稳压源的组合使用，降低装置的电源发热，提升装置长期运行的稳定性。为了芯片运行的稳定性，可以在电压相差较小的变换，如5 V 转3.3 V 时，利用低压差线性稳压源降低电源纹波。避免直接用线性稳压源进行相差较大的电压变换，如24 V转5 V时，带来的较大发热问题。

图2 隔离电源集成方案

2 角度传感器的安装

通常可通过监测动触头的运动状态来分析断路器动作的机械特性，但在户内高压开关柜中的真空断路器，由于结构紧凑且具有较高的绝缘防护要求，不便于后期加装直线位移传感器来进行直接监测。因此，利用角度传感器监测断路器主轴的转动行程，间接反映动触头的运动状态[13,14]。角速度传感器需通过过渡接头与主轴完成安装连接[15]。如图3 所示，断路器内部结构紧凑，预留角度传感器安装位置较为局促。厂商通常在断路器侧板上开有圆口，当断路器移出开关柜，在非运行状态下测试时，可以将传感器与过渡接头伸出圆口进行测试。这种安装方式在实验室条件下容易实现。但须注意的是，若断路器正常工作时需移回开关柜内部，这种方法将无法安装，因而无法持续监测断路器主轴动作状态。

图3 断路器内部结构

针对上述问题，在断路器在线监测装置设计选用角度传感器时，应尽量选用体积较小的角度传感器，并选用尽量小的过渡接头，使其能够安装在断路器内部，保证不影响断路器在开关柜内的正常工作。实际运用中，若角度传感器加过渡接头的体积依然过大，无法直接安装至断路器内部，根据实际经验提供一种备用方案[16]，通过180°齿轮换向机构，将主轴转速等比换向。过渡接头加换向机构可以置于断路器主轴与侧板之间，变换角度传感器的安装位置。这种方案提升了角速度传感器的选用灵活性，提升了断路器对体积更大的传感器的兼容性及在线监测装置的实用性。

3 振动传感器的驱动

通过对断路器动作时产生的振动信号进行采集和分析，可以判断断路器机械结构的状态，识别出对应故障。目前广泛使用的振动传感器为两线制的ΙEPE 振动传感器。这种传感器对外输出线分为一根供电线与一根接地线，供电线为其提供4 mA～20 mA 恒流供电，同时输出的振动信号也叠加在这根供电线上。因此监测系统应具有对振动传感器供电激励的能力，还能够有效调理出其输出信号，这些条件对系统的设计要求较高。通常ΙEPE传感器的生产厂家会为其专门配备恒流适配器，同时实现供电及信号调理功能，如图4 所示。但是这种方案需要多连接恒流适配器这一辅助设备，增加了系统整体的复杂度，不利于断路器在线监测装置在现场的实用。

图4 常见振动信号采集系统方案

因此，应提升在线监测装置的集成化程度，在其内部集成专用ΙEPE数据采集卡，使装置直接具备驱动ΙEPE振动传感器的能力，并能有效分离出输出信号。ΙEPE 数据采集卡将输出信号调理为适用于芯片采集的模拟信号，再通过ADC芯片将模拟信号转换为数字信号，最终传递给上位机。通过提高监测装置的集成度，简化整体系统，增强其实用性。方案如图5所示。

图5 振动信号采集集成方案

4 电流电压采集方案设计

通过采集断路器分（合）闸线圈电信号、储能电信号等操控回路的电信号并进行分析诊断，既可以诊断出回路中故障：如线圈短路、接触不良、电源过压和欠压等，也可以诊断出断路器部分机械结构故障：如铁心卡涩、脱扣器卡死等。通常为了采集电信号，需要采用如图6所示方案，在断路器内部加装穿孔式霍尔传感器，将采集到的信号传递回在线监测装置。但这样的方案主要存在以下三方面的缺点。

图6 常用电流电压采集方案

首先，断路器分闸动作时，分闸线圈通电时间仅为几十毫秒，而常见的穿孔式霍尔传感器响应时间较长，可达几十至数百毫秒，其响应时间难以满足快速采集电信号，绘制出电流或电压曲线的要求。其次，在线监测装置为传感器提供的供电端口以及信号接收端口常常未考虑隔离防护措施，信号直接引入以运算放大器为核心组成的信号调理电路。虽然霍尔电流或电压传感器天然具备隔离效果，可以保护弱电系统免受强电影响，但其供电线和信号线又成为防护的薄弱环节，使得装置在此处可能受到强电、静电影响以及电磁干扰。其三，这种采集方案需要在断路器内部加装多个传感器，有的传感器甚至需要在断路器内部打孔安装，这种方案提升了系统安装实用的复杂度。

若采用接触式霍尔传感器，可以提升系统采集信号时的响应速度，传感器响应时间通常较短，仅为数微秒。同时将传感器集成到在线监测装置内部，装置对外接口即为传感器一次回路接口，传感器自身隔离防护能力对装置整体也可构成保护，不存在防护的缺口与薄弱环节。这样的方案同时也简化了装置的安装复杂度，只需将装置与断路器对应回路接线即可完成监测，无需在断路器内加装传感器。

图7 集成化电流电压采集方案

5 装置对外端口隔离防护

在线监测装置需要长期工作在高压强电设备周围，其工作场景的电磁环境复杂。在实验室条件下搭建在线监测系统实验平台，断路器不在导通高压电的工作状态，无需考虑隔离防护措施。在不考虑装置的电磁兼容性能的情况下也可正常完成试验。但为了增强装置实用性，需提高装置的电磁兼容性能和抗干扰能力，以保证设备在高压强电设备附近长期安全稳定运行。除了在电路板设计方面采用一些手段来提高装置的EMC性能，很重要的一方面就是加强装置对外接口的隔离防护措施。除了上文提到的电源设计方案与电信号采集方案中对对应接口的防护，还需考虑其他接口的防护性能。

在线监测装置需与上位机通讯，通常可采用RS232、RS48、CAN 等通讯方式与上位机连接，或与智能ΙED 设备连接再传递信息给上位机[17]。通常在装置硬件设计时，许多设计方案直接采用对应芯片搭建的电路以实现通讯功能。然而常用的芯片及其电路并不具备隔离防护能力，因此对应的通讯接口处于无保护状态。在实际应用中，应采用带隔离防护功能的通讯模块来实现通讯功能，提升接口的安全性。

此外为了判断机械开关的位置状态，部分在线监测系统还会添加如图8 所示原理的光耦电路，将机械开关状态转换为电信号[18,19]。光耦元件具有隔离防护能力，信号通路无需考虑防护问题。辅助触点通路即S1通路，应采取与在线监测装置没有联系的其他电源供电。然而通常在设计中，许多方案直接由在线监测装置提供图中V1 电源，此时该供电接口就失去了防护能力。虽然采用了光耦元件，若辅助触点S1处有高压，高压电将通过供电接口直接损坏装置。因此，采用该原理的电路，需要装置直接为辅助触点通路供电时，应设计对外输出的隔离电源，保证各对外端口的全面防护。

图8 常用辅助触点光耦电路

6 结语

通过改进断路器在线监测系统下位机装置的硬件设计方案，可以提高装置的集成化程度，降低系统整体的复杂度和安装难度；提高装置的隔离防护能力，保障装置在复杂的电磁环境条件下可以长期安全稳定运行。以上一系列措施都可以提高装置的实用性，使断路器在线监测装置不仅仅适用于实验室环境下的试验和断路器非工作状态下的测试，也可对正常通电运行的断路器进行长期的监测。