低压断路器机械特性的在线监测技术研究

检测技术

低压断路器机械特性的在线监测技术研究

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段　青,　李凤祥,　田兆垒,　张玉峰(江苏大学电气工程学院,江苏镇江　212013)

摘　要:为保证电力系统低压端运行的可靠性,介绍了一种采用JT系列磁补偿式电流传感器(霍尔传感器)检测低压断路器合、分闸线圈电流信号和使用旋转光电编码器测量动触头的行程信号,实现低压断路器机械特性在线监测的方法。设计以

TMS320F206为检测核心,给出了系统的硬件原理框图;在设计上采取了屏蔽、隔离和滤

段　青(1969—),男,硕士研究生,研究方向为低压断路器的在线监测技术。

波等抗干扰措施。试验结果表明,系统能够对低压断路器机械特性参数进行可靠的监测,稳定性好、精确度高。

关键词:低压断路器;机械特性;在线监测;电网可靠性;电能质量

中图分类号:TM561　文献标识码:B　文章编号:100125531(2008)2120052204

ResearchonOn2LineMonitoringTechnologyofMechanicalPropertiesforLowVoltageCircuitBreaker

DUANQing,　LIFengxiang,　TIANZhaolei,　ZHANGYufeng

(CollegeofElectricalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

　　Abstract:Toensurethereliabilityonthelowvoltageterminalofpowersupplysystem,anon2linemonitoring

technologyformechanicalpropertiesoflowvoltagecircuitbreakerwasintroduced.ThistechnologyadoptedaJTse2riesofmagneticcompensationcurrentsensor(Hallsensor)todetectthecurrentsignalintheswitchon2offloop,androtatingphotoelectricencodertotrackthestrokesignalofmovingcontact.Thehardwarestructureofthesystemwasillustrated.ThisdesigntookTMS320F206ascoreandadoptedsuchanti2interferencemeasurementsasshield,isolationandfilter.Thetestshowsthissystemcanreachreliablemonitoring,goodstabilityandhighaccuracy.

Keywords:lowvoltagecircuitbreaker;mechanicalproperties;on2linemonitoring;electricpowernetworkreliability;electricalenergyquality

0　引　言

随着我国经济持续快速发展,用户对电能供应的安全可靠性

[1,2]

掌握断路器的运行状态,以便及时采取预防措施,

避免停电事故发生成为迫切的需要[3～5]。此外,当电力设备由定期维修转变为状态维修时,低压断路器的在线监测能对其重要运行参数进行长期连续的监测,不仅可以提供设备现有的运行状态,而且还能分析各种重要参数的变化趋势,判断是否存在故障的先兆,为设备的状态维修提供依据,从而提高设备的利用率,减少维修保养费用。

传感器技术、信号处理技术、计算机技术和人

、电能质量、经济性等方面都

提出了更高的要求。作为输送电网关键设备的低

压断路器,其安全可靠性引起了人们的高度关注。

低压断路器在电网中起控制和保护作用,当它发生故障时会引起电网事故或扩大事故,造成直接的经济损失。对断路器实施在线监测,随时

李凤祥(1962—),男,副教授,博士,主要研究方向为电力技术及电力传动。田兆垒(1983—),男,硕士研究生,研究方向为数字逻辑器件的应用。张玉峰(1979—),男,硕士研究生,研究方向为PLC应用。3基金项目:江苏镇江市科学技术局项目资助(BG2007033)

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工智能技术的迅猛发展,使得低压断路器的在线监测成为可能,也为低压断路器的在线故障诊断提供了条件。

1　低压断路器的状态监测方法

对低压断路器的状态进行监测的方法较多,由最初的巡视检查、预防性试验、带电测试,发展到现在的在线测试。

1.1　巡视检查

巡视检查由有经验的专业人员进行,有简便、直观和大众性的特点,是参与状态检修的最基本手段。

1.2　常规预防性试验

低压断路器预防性试验是目前用作掌握设备状态的主要方法。开展状态检修必须加强预防性试验工作,但测试数据的可信度常受测试环境、仪器性能、测试方法和测试人员素质等因素影响。1.3　带电测试

是被测断路器不需要停电即可进行测试,根据需要或按预定周期进行,但带电测试工作的安全性有待进一步加强。1.4　在线监测

能使低压断路器经常处于工作参数的监视中,及时发现其状态量实时变化趋势,易于捕捉到突变的信息量,及时发现该断路器存在问题,反映其实时状态。

在线监测比常规停电试验能更及时、更有效地发现低压断路器早期缺陷,比带电监测更直观,因此是实行其状态检修的重要基础。

2　低压断路器在线监测系统的结构

2.1　基本单元

(1)信号的变送。信号的变送由相应的传感器完成。传感器从电气设备上测量出反应设备运行状态的物理量,例如电流、温度、压力等,并将非电信号转换成电信号,传送到后续单元。

(2)信号的调理。对传感器变送过来的信号进行适当的调理,对混叠在信号中的噪声进行抑制,提高信噪比。

(3)数据采集。对经过调理后的信号进行采集、转换并存储。

(4)信号的传输。将采集到的信号传送到后

低压电器通用低压电器篇

(2008№21)续单元。

(5)数据处理。对采集到的数据进行处理和分析,例如平滑处理,数字滤波,时频域的分析等,目的是进一步提高信噪比,为诊断提供有效的数据和信息。

(6)评估和诊断。对处理后的数据和历史数据及其他信息进行比较和分析后,对设备的状态或故障部位作出诊断。

由上述6个单元构成的在线监测系统的框图如图1所示。通常将上述各部分分为3个子系统,传感器在断路器现场,信号处理和数据采集系统在断路器附近,处理和诊断系统在主控室内。3个子系统之间通过信号采集与传输系统联系。

图1　在线监测系统的结构框图

2.2　低压断路器现场信号的采集

数据采集单元采集电路的设计如图2所示。

图2　数据采集单元电路原理图

2.2.1　低压断路器合、分闸线圈电流的监测低压断路器一般都以电磁铁作为操作的第1

级控制元件,操动机构中使用的绝大部分是直流电磁铁。当线圈中通过电流时,动铁芯受磁力吸引,使低压断路器分闸或合闸。从能量角度看,电磁铁的作用是把来自电源的电能转化为磁能,并通过动铁芯的动作,再转换成机械功输出。合/分闸线圈的电流中含有可作为诊断机械故障用的丰富信息,可选用补偿式霍尔电流传感器监测电流信号。对线圈电流的监测主要是提取事件发生的

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(2008№21)相对时刻,根据时间间隔来判断故障征兆,对于诊断拒动和误动故障有效。

低压断路器分、合闸线圈电流的直流模拟信号采集处理和交流信号的处理方式不同。低压断路器的分、合闸线圈直流电流I1,经过图3所示的JT系列磁补偿式电流传感器(霍尔传感器)变换成0～100mA电流信号I2,经过40～200Ω测量电阻R将I2转换成输出电压Uo,Uo经低通滤波器滤波后接射级跟随电路进行隔离和功率放大,供MAX125采集。

图3　霍尔传感器接线图

2.2.2　触头行程信号的监测

低压断路器合/分闸时的行程2时间特性是表征低压断路器机械特性的重要参数,也是计算低压断路器合、分闸速度的依据。同时,低压断路器

的分/合闸是一个变速运动过程,通过测量分/合闸过程中光电编码器输出的各个电脉冲信号的脉宽即可得到低压断路器的分/合闸速度特性。常用的有增量式旋转光电编码器[6]

或直线式光电编码器的工作原理如下:将旋转光电编码器安装在低压断路器操动机构的主轴上,或者把直线光电编码器安装在与低压断路器动触头连接的直线运动部件上,测量合、分闸操作时动触头的运动信号波形。旋转光电编码器是输入轴角位移传感器,结构原理如图4所示,它由光栅盘、光发射器、光电检测器、信号处理单元和输出单元组成。光栅盘被固定在操作机构的旋转轴上,当旋

图4　旋转光电编码器实现动触头行程的测量

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转轴转动时,通过光电检测器的光交替变化,将轴旋转角位移量转换成脉冲信号和电平信号。利用合/分闸操作动触头的行程2时间波形,可算出动触头合/分闸操作的运动时间、动触头行程、动触头运动速度、触头弹跳等参数。

2.2.3　机械振动信号的监测

对低压断路器动作过程中的机械振动检测可采用压电式加速度传感器,用永久磁铁座固定在连杆上,以获取分辨率高的振动信号。压电式振动传感器输出电荷量,易受到外界的干扰,因而在输出与电荷/电压变换电路之间要采用同轴电缆,以屏蔽外界干扰

[7]

。对振动的检测,也可采用光

学振动传感器,传感器的两根光缆的端部间有一小间隙。一小束光注入一根光缆而被另一根接收,一根光缆端部接于一个固定元件上,而另一根接于可调节簧片上。振动使收集到的光强度变

化,从而反映振动的信息。

2.2.4　分断电流的监测

在分闸过程中,由低压电流互感器和二次电流传感器测量断路器的主电流波形,通过测量触头每次开断电流,经过数据处理得到该次开断电流的有效值。低压断路器电流的检测包括分合闸电磁线圈电流的检测、绝缘拉杆泄漏电流检测、闸前后电流的检测及低压断路器开断电流的检测等。分合闸电磁线圈电流为直流电流量,可用霍尔电流传感器来测量,该传感器的安装方式为传感器铁芯开口安装,使监测系统与二次回路隔离。输入信号为0～20A,输出信号为4～20mA的直流电流。霍尔传感器是基于霍尔效应的原理,霍尔效应是指若在一半导体薄片的两端通以控制电流I,则在垂直于电流和磁场方向上将产生电势U的现象,所产生的电势称为霍尔电压或霍尔电势。当霍尔元件的材料和几何尺寸确定之后,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积。霍尔传感器结构简单,频率响应宽,可实现非接触测量。

3　干扰及防护技术

干扰一直是影响在线监测系统安全、可靠运行的重要因素。干扰既使微量信号的监测难度增加,又有偶然的强干扰信号(如雷电冲击、操作冲

击)导致在线监测的入口电子电路损坏,需要防

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治干扰。

低压断路器实际运行时,其附近的配电线会耦合进电力系统的过电压等噪声。噪声源有电力系统短路电流产生的感应磁场、电力系统暂态过程的干扰、高频辐射干扰等。解决的方法主要是从干扰耦合途径来抑制干扰,即消除形成耦合的公共阻抗的各种因素。3.1　屏蔽技术

低压断路器动作时产生强烈放电和机械振动,对整个线路板造成很强的电磁干扰(尤其对变换电路),因而应考虑对线路板的屏蔽措施。将整个线路板安放在一个封闭的金属盒内并将其固定在低压断路器的机构箱中,信号测量线从引线端子引出。3.2　隔离技术

利用光纤或光耦合器件实现一次系统和二次系统的电隔离,实现强电和弱电的隔离,实现线路板与外电系统的隔离。使用DC/DC变换器给传感器供电,使传感器与A/D采样的信号输入端隔离。

3.3　滤波技术

在无法实现电气隔离的场合,利用电感、电容以及非线性抑制器件对外界信号实现滤波,达到提高装置抗干扰能力的目的。例如DC/DC变换器是开关电源,会向外辐射噪声,监测装置供电电源使用隔离电源加屏蔽和滤波电路。由于现场环境恶劣,有时传感器的信号不能完全避免干扰,需对行程信号采用非线性滤波等数字滤波技术,使检测到的信号更趋于真实。

4　试验结果

在系统调试过程中,对其监测功能进行了试验验证,将装置多次应用于低压断路器上进行机械特性测试试验。试验过程中对机械特性参数进行检测,通过RS2485串行通信接口将数据传输

到计算机进行分析显示。机械特性试验是在VSI型1kV单线圈户内永磁低压断路器上进行的,低压断路器出厂的机械特性参数:合闸时间<70ms,分闸时间>50ms,合闸速度为0.5～0.8m/s,分闸速度为0.9～1.2m/s,开距为10～12mm,超行程为2.7～3.3mm。试验结果如表1所示。

低压电器通用低压电器篇

(2008№21)表1　低压断路器机械特性的试验数据合闸合闸

合闸线分闸

分闸分闸线触头触头

时间

速度/圈电流时间速度/圈电流开距超程

/ms(ms-1)/A/ms(ms-1)/A/mm/mm32.60.6913328.41.031310.63.030.90.7412827.01.081610.33.231.2

0.70

126

28.2

1.04

15

10.73.1

　　由表可见,机械特性在线监测系统在时间、位移、速度3个方面的监测功能基本上能够反映实际情况,有效地实现了其监测目标。因此,系统能够对低压断路器机械特性参数进行可靠的监测。

5　结　语

本文设计的低压断路器机械特性在线监测系统的测试元件能承受较高电压、较大电流、低压断路器操作的冲击与振动以及工作时的环境温度,并且运行稳定,测量精度较高,抗干扰能力强,能够实时反映低压断路器机械运行状态。试验表明,采用霍尔传感器监测分合闸线圈电流特性和使用差动变压器式位移传感器测量动触头行程特性的方法,不会影响低压断路器的正常运行,能够对低压断路器机械特性实施在线监测。

低压断路器在线监测是进行状态检修的基础工作,故障诊断就是在信号监测和处理的基础上进行的,无论是简单的逻辑诊断、模糊诊断、统计诊断,还是人工神经网络、专家系统等都需要积累经验,需要大量数据分析,所以,在线监测装置的数据积累成为关键。随着传感器技术,信号处理技术,微电子技术以及计算机通信技术的快速发展,低压断路器机械特性在线监测的技术将进一步完善和提高。

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(下转第59页)

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检测技术

图5　CJ202100型接触器测试结果

图6　CJT1220型接触器测试结果

接触电阻之间的关系。

从图5和图6可以看出,触头的接触电阻随

着触头压力的增大而减小,当接触压力增大到一定程度时,接触电阻基本保持不变,这跟理论是相符合的。另外,不同规格的接触器的触头材料和接触面积也不一样,额定电流大的(CJ202100)接触器,接触电阻较小。

(上接第55页)

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低压电器通用低压电器篇

(2008№21)4　结　语

本装置采用脉冲电流法对接触电阻进行测量,对触头表面原始状态破坏小,触头因焦耳热产生的温升小,所采用的原理和接线方式可以避免电流源纹波和引线电阻对测量结果的影响,可实现接触电阻的精确测量。通过压力传感器对触头压力进行测量,能准确反映触头压力与接触电阻

之间的关系,对了解压力对接触电阻的影响有一

定的实际意义。

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