CN101118275A - 高压断路器分合闸时间的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

高压断路器分合闸时间的在线监测方法，通过对断路器分、合闸线圈进行电压遥信采样，得到断路器分、合闸线圈带电的起始时刻，通过对电力线路上高压带电显示装置的电容传感器进行三相电压遥信采样，得到断路器触头分离完毕、接合完毕的时刻，计算断路器分闸线圈带电的起始时刻与断路器触头分离完毕时刻的时间差，即得断路器的分闸时间，计算断路器合闸线圈带电的起始时刻与断路器触头接合完毕时刻的时间差，即得断路器的合闸时间。本发明方法基于电压信号遥信采样，充分利用电力系统的运行设施，克服以往在线监测方法的弊端，使时间点的确定更加方便、准确，成本低廉，有利于实现断路器的“状态检修”。

Description

高压断路器分合闸时间的在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种高压断路器的在线监测方法，特别是一种高压断路器分合闸时间的在线监测方法。

背景技术

电力系统的装置中，高压断路器数量最多、检修量大、费用高。有关统计数据表明，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60％又是用于断路器的小修和例行检修上。过去实行以周期(时间)为依据的计划检修，据统计，10％的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器在大修中要完全解体，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。为了提高检修的针对性，需要对高压断路器实施状态在线监测，使计划检修向状态检修转变，以在线监测数据为依据做出检修决策。

高压断路器的分/合闸时间是断路器在线监测的一项重要内容，也是衡量断路器状态的一个重要指标，其有关参数定义如下：

合闸时间：从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间为止的时间。

分闸时间：从接到分闸指令瞬间起到所有极触头都分离瞬间为止的时间。

合闸不同期：从首极触头合开始到所有极触头都合为止的时间。

分闸不同期：从首极触头分开始到所有极触头都分为止的时间。

根据定义，断路器的分/合闸时间就是断路器分/合闸回路带电的起始时刻和断路器触头分/合完毕时刻的时间差，时间的精度要求为1毫秒。整个过程牵涉到两个时刻的确定问题，第一就是断路器分/合闸回路带电的起始时刻；第二就是断路器触头分/合完毕的时刻。

对于第一个问题，目前的做法是，在线监测装置中普遍采用霍尔传感器采样断路器分/合闸回路中线圈的电流，并以此作为分/合闸回路带电的判据，当分/合闸线圈带电时，断路器的分/合闸过程就开始了。在对电流的监测中，必须设置一个电流的门槛值，当分/合闸线圈电流大于这个门槛值时，就认为断路器的分/合闸过程开始了，这点的时刻就作为断路器分/合闸开始的时刻。这种方法存在以下几个缺点：1：断路器的分/合闸线圈的电流本身就是断路器在线监测的一个对象，分/合闸线圈电流的大小、持续时间长短反映了断路器的机械操作机构的好坏，体现了断路器的机械特性的优劣，一旦操作机构性能不良，直接影响断路器的分/合闸线圈电流的大小；2：不同的断路器的分/合闸线圈的电阻和电抗是不同的，相应的分/合闸线圈的电流也会不相同；3：不同的线圈不同的R-L参数影响电流上升的陡度，“有流无流”阀值或门槛值很难设定，增加了测量误差的不确定因素；4：断路器分/合闸线圈电流具有一个变化的过程，不同的门槛值会对应不同的时间点，因此，不同的门槛值的设置会产生分/合闸过程的不同的起始时刻；5：断路器的故障(包括操作机构的故障)会引起线圈电流的变化。

对于第二个问题，已有的不同的在线监测装置采用不同的方法。

1)通常采用外部的电流互感器，取断路器主回路最后一相电流有无的时刻作为断路器触头分/合完毕的时刻。实际上，合闸时，当断路器动触头还没有达到合闸位置点时主回路就已有预击穿电流通过，因此电流的有无并不能正确反映断路器的触头的实际合闸时刻。这种方法还存在以下几个缺陷：第一，必须要有负荷电流的存在，一旦操作过程没有负荷，就不能监测到电流的存在，也就无法定位；第二，判断电流存在的门槛值的大小影响着断路器触头分/合完毕时刻的精度；第三，在线监测装置中必须要设置电流互感器，如果与原来系统中存在的电流互感器合用，监测装置的损害很可能会影响使用电流互感器的其他装置的性能，这有悖于增加的监测装置不能破坏原来装置的性能的原则。

2)有的加设振动传感器，采用基于机械振动信号来判定断路器触头分/合完毕的时刻。

振动信号的采集一般使用加速度传感器，加速度传感器将触头振动信号转换成电荷信号，通过电荷放大器转换成电压信号，再通过共振解调器获得故障信号。但是，对断路器触头振动信号的分析是机械特性监测的难点：1、由于断路器结构复杂以及现场测量时各种环境噪声的影响，使加速度传感器获取的振动信号存在干扰成分；2、断路器的合操作或分操作都会产生若干次振动事件，实际的振动信号及振动信号的弥散、反射和折射使辨识更为困难，如振动信号小就更难辩识；3、当干扰信号的瞬时幅值和频率大到与振动信号可比拟时，采用传统的方法很难有效区分噪声和有用信号。目前采用时域法、频域法和时频联合分析法对断路器触头振动信号进行分析。其中，时域法分析直观、简单，是振动信号分析的首选方法。频域法和时频联合分析法复杂，计算量大，一般应用于上层的故障诊断软件中。文献1(孟永鹏等.短时能量法在断路器机械特性状态监测中的应用.西安交通大学学报，2004年12月)提出了短时能量的时域分析方法，可明显地提高信噪比，具有较强的噪声抑制能力，用于断路器振动信号的事件时间提取。通过选择合适的传感器测量位置，可准确得到断路器的合闸同期性和合闸时间等状态参数，为断路器机械状态检测提供了相应的量化依据。该方法的缺点是需多个加速传感器放在不同的位置。频域分析法，常规的频谱分析采用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)方法实现。由于FFT难以有效提高频谱分辨率，文献2(赵霞，熊小伏，郭珂等.用细化频谱技术分析断路器操动机构振动信号[J].电力系统自动化，2003，27(12)：37-40，80.)提出采用细化频谱分析方法分析断路器操动机构振动信号的频域特性和频率结构。其缺点是反映的时间信号不够。目前，神经网络、小波分析等信号分析及处理手段也在振动信号的识别中得到广泛应用，能从机械振动信号中得到更多的断路器状态信号，但是很多这些处理技术还只是局限在实验、研究中。

分析机械振动信号的方式从理论上考虑，对断路器通过安装振动传感器来采集振动信号来判断断路器的状态应该是一种简便且行之有效的方法。但在实际应用中，存在以下缺点：首先，振动传感器的安装就是一个大问题。振动传感器的应用数目和安装位置的确定目前还没有统一的说法；其次，振动信号中包含的干扰信号非常多，对于断路器振动信号的处理方法非常关键，目前这些还都在探索研究中。所以，真正在实际中应用此方法的还不太多。

3)利用辅助开关接点状态信号来确定断路器触头分/合完毕的时刻。由于辅助开关是机械式触点开关，转换速度差，而且很不稳定，因此测量结果有偏差；更何况断路器的辅助触点也是断路器在线监测的一个参数之一。

总之，现有的关于高压断路器分合闸时间的在线检测方法都存在着各自的缺点，实际应用成本高，准确性差，效果不理想。

目前，与高压断路器一起安装在开关柜上的高压带电显示装置在电力系统中已经成为一个不可缺少的电器设备，它包括两个部分：带电容传感器的高压绝缘子和高压带电显示器，电力线路的三相(A、B、C相)都有一个带电容传感器的高压绝缘子，高压带电显示器直接与电容传感器相连，用来监测电容传感器的电压，当电力线路带电时，电容传感器就能通过电场耦合，感应出电压，并通过带电显示器显示电压信号的有无。当断路器通过外部的分/合闸触点进行遥控分/合时，断路器进行触头的分/合，线路上的带电显示器就可以显示出线路的分/合结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种简便易行、准确性高的高压断路器分合闸时间的在线监测方法，有效的进行断路器分合闸时间的在线监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种高压断路器分合闸时间的在线监测方法，由在线监测装置对断路器分闸时间T0、合闸时间T1、分闸不同期时间Ttq0、合闸不同期时间Ttq1进行在线监测，其包括如下步骤：

(1)、对断路器分闸线圈、合闸线圈进行电压信号的遥信采样，记录遥信从无到有(从0变1：0--代表无，没有电压，1--代表有，有电压)的变位时刻，该时刻即为电压信号在分闸线圈、合闸线圈中建立的时刻Tf、Th，并将Tf、Th作为断路器分闸线圈、合闸线圈带电的起始时刻；

(2)、先把电力线路上高压带电显示装置的电容传感器的三相交流电压转换成三相直流电压，再进行三相电压信号的遥信采样，记录三相遥信从有到无(从1变0)的变位时刻以及从无到有(从0变1)的变位时刻，三相遥信从有到无的变位时刻即为三相电压信号的消失时刻Taf、Tbf、Tcf，三相遥信从无到有的变位时刻即为三相电压信号的建立时刻Tah、Tbh、Tch，将最后一相电压信号的消失时刻max(Taf，Tbf，Tcf)作为断路器触头分离完毕的时刻，将最后一相电压信号的建立时刻max(Tah，Tbh，Tch)作为断路器触头接合完毕的时刻；

(3)、计算断路器分闸回路带电的起始时刻Tf与断路器触头分离完毕时刻max(Taf，Tbf，Tcf)的时间差，即得断路器的分闸时间T0：T0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-Tf；计算断断路器合闸回路带电的起始时刻Th与断路器触头接合完毕时刻max(Tah，Tbh，Tch)的时间差，即得断路器的合闸时间T1：T1＝max(Tah，Tbh，Tch)-Th；

(4)、计算电容传感器的三相电压信号消失时刻Taf、Tbf、Tcf的最大时间差，即得断路器的分闸不同期时间Ttq0：Ttq0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-min(Taf，Tbf，Tcf)；计算电容传感器的三相电压信号建立时刻Tah、Tbh、Tch的最大时间差，即得断路器的合闸不同期时间Ttq1：Ttq1＝max(Tah，Tbh，Tch)-min(Tah，Tbh，Tch)。

本发明的有益效果如下：

1、通过对高压断路器操作特性的分析，注意到电力系统中的直流控制电源具有稳定的电压(电力系统中规定直流控制电源的范围在额定电压的85％～115％，额定电压为直流220V，也就是说直流控制电源的生产厂家出来的电压必须控制在187V～253V，正常情况下，这个电压要求维持在220V左右)，从而充分利用提供给断路器分/合闸线圈的稳定电压这一有利条件，通过对断路器分/合闸线圈电压信号的遥信采样，得到断路器分/合闸回路带电的起始时刻，克服了以往基于电流信号进行采样所带来的多种弊端，使时间点的确定更加可靠、准确而且精度要求一致(精度要求由电压信号采样频率决定)，在不增加任何成本的基础上，实现了高压断路器分/合闸回路带电时刻的准确的确定。

2、充分利用现有电力线路上与高压断路器一起安装在开关柜上的高压带电显示装置，通过对高压带电显示装置的电容传感器进行三相电压信号的遥信采样，得到断路器触头分/合完毕的时刻，克服了以往测量断路器触头分/合时刻的几种不同方法的弊端，使触头分/合时间的确定变得非常简单、便捷、准确而且精度要求一致(精度要求由电压信号采样频率决定)，在不增加任何装置成本、不需进行复杂的数学运算的情况下，实现了断路器的触头的分/合闸完毕时刻的确定。

3、本发明方法基于电压信号遥信采样，充分利用电力系统的运行设施，使断路器的在线监测技术更加精确、更加方便、成本更加低廉，为断路器的“状态检修”奠定了基础，可以更好的节省电力系统的检修费用，为电力系统安全运行提供技术保障。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例涉及的电路框图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

如图1所示，本发明高压断路器分合闸时间的在线监测方法的实施例，由在线监测装置CPU的定时器触发对断路器分/合闸线圈以及高压带电显示装置的三相电容传感器进行电压信号遥信采样，采样频率为10000Hz，使监测的时间精度为0.1毫秒：

1分/合闸线圈带电时刻的确定

对断路器的分闸线圈、合闸线圈进行电压遥信采样，记录分闸/合闸操作时的分闸/合闸回路遥信变位时刻，也就是分闸线圈、合闸线圈的电压建立时刻Tf、Th，并将Tf、Th作为断路器分闸线圈、合闸线圈带电的起始时刻。

2断路器触头分/合闸时刻的确定

对电力线路上高压带电显示装置的三相电容传感器进行电压遥信采样，记录三相电容传感器电压遥信变位时刻，也就是分闸操作时三相电容传感器电压信号的消失时刻Taf、Tbf、Tcf和合闸操作时三相电容传感器电压信号的建立时刻Tah、Tbh、Tch，将最后一相电容传感器电压信号消失时刻max(Taf，Tbf，Tcf)作为断路器分闸操作时触头分离完毕的时刻；将最后一相电容传感器电压信号建立时刻max(Tah，Tbh，Tch)作为断路器合闸操作时触头接合完毕的时刻。

3断路器分/合闸时间和不同期时间的确定

计算断路器分闸回路带电的起始时刻Tf与断路器触头分离完毕时刻max(Taf，Tbf，Tcf)的时间差，即得断路器的分闸时间T0：T0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-Tf；计算断断路器合闸回路带电的起始时刻Th与断路器触头接合完毕时刻max(Tah，Tbh，Tch)的时间差，即得断路器的合闸时间T1：T1＝max(Tah，Tbh，Tch)-Th；

计算电容传感器的三相电压信号消失时刻Taf、Tbf、Tcf的最大时间差，即得断路器的分闸不同期时间Ttq0：Ttq0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-min(Taf，Tbf，Tcf)；计算电容传感器的三相电压信号建立时刻Tah、Tbh、Tch的最大时间差，即得断路器的合闸不同期时间Ttq1：Ttq1＝max(Tah，Tbh，Tch)-min(Tah，Tbh，Tch)。

如图2所示，实施例中，当外部对断路器进行分/合操作时，首先通过外部的遥控继电器的分/合闸触点对断路器的分/合闸线圈送电，当线圈电流上升到一定值时，推动线圈的磁铁运动，使预先已储能的扭力弹簧释放，转动主轴，带动断路器的触头运动，实现分/合闸功能。线圈受电是整个过程的开始，考虑到电力系统中的直流控制电源具有稳定的电压，是一个稳压源，通过对断路器分/合闸线圈的电压进行监测，就能够有效的知道何时对断路器进行操作，线圈受电的瞬间就作为计算断路器分/合闸时间的起始时刻，判断线圈受电的方法是通过外部遥信来实现的：

在实施例中，根据图2所示，把断路器分/合闸线圈的正受电端分别接入到在线监测装置的遥信输入端，把外部直流控制电源的220V-端接入到在线监测装置的遥信负端；在没有遥控分/合闸操作时，在线监测装置监测到的遥信为0，当外部遥控对断路器进行分/合闸操作时，外部的分/合闸触点导通，外部直流控制电源直接作用到分/合闸线圈，只要直流控制电源的电压大于187伏，在线监测装置在0.1毫秒(10000Hz的采样频率)的时间内检测到遥信信号(为1)，记录遥信变位(从0到1)的时刻；为了防止外部的电力系统磁场信号对在线监测装置的干扰，引起错误的遥信变位，对遥信信号设置了常规的软件去抖处理。这样，当断路器进行分闸操作时，得到了分闸线圈的电压遥信变位时刻，也就是断路器分闸回路的带电时刻Tf；当断路器进行合闸操作时，得到了合闸线圈的电压遥信变位时刻，也就是断路器分闸回路的带电时刻Th。

在实施例中，结合电力系统的实际应用情况，高压带电显示装置在电力系统中已经成为一个不可缺少的电器设备，电力线路的三相(A、B、C相)都有一个带电容传感器的绝缘子，当电力线路带电时，电容传感器就能感应出电压，这个电压就通过带电显示器显示出来。当断路器通过外部的分/合闸触点进行遥控分/合闸操作时，断路器进行触头的分/合运动，线路上的带电显示器就可以显示出线路的分/合结果。本发明就是充分利用这个有利条件，在不需要增加设施、不需要增加任何成本的情况下，实现对断路器分/合闸时刻的确定和分/合闸不同期时间的测量。具体实现如下：

根据图2所示，以CG系列电容传感器为实施例中的电容传感器，该传感器在电力线路上的电压作用下，感应出40～50V的交流电，这个交流电接入到带电显示器后，就显示出电压的有无结果；由于电容传感器的感应原理，电容传感器的电压直接反应电力线路的电压，几乎没有延时；把电容传感器的三相交流电接入到在线监测装置中，经过在线监测装置的整流、滤波、光电隔离先把三相交流电压转换成三相直流电压，再进行三相电压信号的遥信采样，当电容传感器电压大于40伏时，在线监测装置监测到的遥信为1，否则为0；遥信信号(1或0)直接反应了电力线路上电压的有无，也就是说直接反应了断路器触头的分/合状态。

当断路器进行分闸操作时，断路器的三相触头进行分离运动，在线监测装置以0.1毫秒的采样周期不断的对电容传感器的三路传感器电压的遥信信号进行检测，记录遥信从1变0的变位时刻Taf、Tbf、Tcf，同样，遥信也经过了软件去抖处理；也就是说断路器三相触头分离的时刻分别为Taf、Tbf、Tcf；断路器触头分离完毕的时刻，即最后一相触头分离完毕的时刻，为max(Taf，Tbf，Tcf)。

当断路器进行合闸操作时，断路器的三相触头进行接合运动，在线监测装置以0.1毫秒的采样周期不断的对电容传感器的三路传感器电压的遥信信号进行检测，记录遥信从0变1的变位时刻，Tah、Tbh、Tch，同样，遥信也经过了软件去抖处理；也就是说断路器三相触头接合的时刻分别为Tah、Tbh、Tch；断路器触头接合完毕的时刻，即最后一相触头接合的时刻，为max(Tah，Tbh，Tch)。

断路器分闸时间T0：T0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-Tf；

断路器分闸时间T1：T1＝max(Tah，Tbh，Tch)-Th；

断路器的分闸不同期时间Ttq0：Ttq0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-min(Taf，Tbf，Tcf)；

断路器的合闸不同期时间Ttq1：Ttq1＝max(Tah，Tbh，Tch)-min(Tah，Tbh，Tch)。

Claims (2)

1.高压断路器分合闸时间的在线监测方法，由在线监测装置对断路器分闸时间T0、合闸时间T1、分闸不同期时间Ttq0、合闸不同期时间Ttq1进行在线监测，其包括如下步骤：

(1)、对断路器分闸线圈、合闸线圈进行电压信号的遥信采样，记录遥信从无到有的变位时刻，该时刻即为电压信号在分闸线圈、合闸线圈中建立的时刻Tf、Th，并将Tf、Th作为断路器分闸线圈、合闸线圈带电的起始时刻；

(2)、先把电力线路上高压带电显示装置的电容传感器的三相交流电压转换成三相直流电压，再进行三相电压信号的遥信采样，记录三相遥信从有到无的变位时刻以及从无到有的变位时刻，三相遥信从有到无的变位时刻即为三相电压信号的消失时刻Taf、Tbf、Tcf，三相遥信从无到有的变位时刻即为三相电压信号的建立时刻Tah、Tbh、Tch，将最后一相电压信号的消失时刻max(Taf，Tbf，Tcf)作为断路器触头分离完毕的时刻，将最后一相电压信号的建立时刻max(Tah，Tbh，Tch)作为断路器触头接合完毕的时刻；

(3)、计算断路器分闸回路带电的起始时刻Tf与断路器触头分离完毕时刻max(Taf，Tbf，Tcf)的时间差，即得断路器的分闸时间T0：T0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-Tf；计算断断路器合闸回路带电的起始时刻Th与断路器触头接合完毕时刻max(Tah，Tbh，Tch)的时间差，即得断路器的合闸时间T1：T1＝max(Tah，Tbh，Tch)-Th；

(4)、计算电容传感器的三相电压信号消失时刻Taf、Tbf、Tcf的最大时间差，即得断路器的分闸不同期时间Ttq0：Ttq0＝max(Taf，Tbf，Tcf)-min(Taf，Tbf，Tcf)；计算电容传感器的三相电压信号建立时刻Tah、Tbh、Tch的最大时间差，即得断路器的合闸不同期时间Ttq1：Ttq1＝max(Tah，Tbh，Tch)-min(Tah，Tbh，Tch)。

2.根据权利要求1所述的高压断路器分合闸时间的在线监测方法，其特征是电压信号遥信采样的采样频率为10000Hz，使监测的时间精度为0.1毫秒。

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