CN203705604U - 高压断路器状态在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高压断路器状态在线监测系统，包括：传感器组、主控制器和人机交互显示器，所述主控制器分别与所述传感器组和人机交互显示器连接，所述传感器组用于检测高压断路器的分合闸线圈电流、动触头行程信号和储能电机工作电流，所述主控制器用于采集所述传感器组检测到的信号并进行存储分析以及由所述人机交互显示器进行显示，本实用新型在安装时对现有高压断路器结构的改动较小、具有便于安装等特点。

Description

高压断路器状态在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及电力设备的监测技术领域，尤其涉及一种高压断路器状态在线监测系统。

背景技术

随着我国电力事业的迅速发展和电力自动化系统的突飞猛进,电力系统供电设备的人工定期检修越来越不适应电力生产实际的需要，因此实行设备状态在线监测成为必然。

高压断路器是电力系统的重要执行元件，是仅次于发电机和变压器的大型电力设备,正常运行时它完成倒换运行操作,把设备或线路接入电网或退出运行,起运行控制作用;当设备和线路发生故障时能快速切断故障线路,保证无故障部分正常运行,起运行保护作用。但是，高压断路器也是集故障、检修、参数测量频次最多的一种重要电力设备，运行过程中有很高的故障率，易引起电网事故，造成较大的经济损失，因此对其可靠性提出了非常高的要求。

有关统计表明,一半以上的变电站维护费用是花在开关上,而其中60%是花费在高压断路器的小修和例行检修上;另外统计,10%的高压断路器故障是由于不正确的检修所致,高压断路器的大修须完全解体,既费时,其费用也很高,可达整个高压断路器购买成本的1/3至1/2,而且解体和重新装配会引起很多故障,因此,研究开发高压断路器的在线监测系统具有十分急迫的现实意义。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种高压断路器状态在线监测系统，可以实现高压断路器状态的在线监测。

本实用新型提供了一种高压断路器状态在线监测系统，包括：传感器组、主控制器和人机交互显示器，所述主控制器分别与所述传感器组和人机交互显示器连接，所述传感器组用于检测高压断路器的分合闸线圈电流、动触头行程信号和储能电机工作电流，所述主控制器用于采集所述传感器组检测到的信号并进行存储分析以及由所述人机交互显示器进行显示。

进一步，所述传感器组包括：用于检测所述分合闸线圈电流的电流传感器I，用于检测动触头行程信息的位移传感器和用于检测储能电机电流的电流传感器II。

进一步，所述位移传感器为角位移传感器，所述角位移传感器设置在高压断路器的主轴上。

进一步，所述传感器组还包括：用于检测高压断路器中六氟化硫微水密度的微水密度传感器和/或用于检测高压断路器的避雷器的放电次数的放电次数传感器。

进一步，所述主控制器包括：输入接口、中央处理器和存储器，所述输入接口分别与传感器组中的各传感器连接，所述中央处理器分别与所述输入接口、存储器和人机交互显示器连接。

进一步，所述中央处理器包括：处理电路I和比较电路I，所述处理电路I与比较电路I连接，所述处理电路I用于根据采集的分合闸线圈电流生成电流-时间曲线，所述比较电路I用于将处理电路I生成的电流-时间曲线与所述存储器中预存的分合闸线圈电流-时间标准曲线比较，并将比较结果通过所述人机交互显示器显示。

进一步，所述中央处理器包括：处理电路II和比较电路II，所述处理电路II与比较电路II连接，所述处理电路II用于根据采集的动触头行程信号生成行程－时间曲线，所述比较电路II用于将所述处理电路II生成的行程－时间曲线与所述存储器预存的动触头的行程－时间标准曲线比较，并将比较结果通过所述人机交互显示器显示。

本实用新型的有益效果：

本实用新型，由传感器组负责分合闸线圈电流、动触头行程信号和储能电机工作电流的检测，然后由主控制器将这些信息采集起来进行存储分析以及通过人机交互显示器显示，从而工作人员可以通过人机交互显示器显示的这些信息分析高压断路器的工作情况，以确定是否需要对其进行检修，从而实现了高压断路器状态的在线监测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：

图1是本实用新型提供的高压断路器状态在线监测系统的第一实施例的结构示图。

图2是本实用新型提供的高压断路器状态在线监测系统的第二实施例的结构示图。

图3是本实用新型提供的高压断路器状态在线监测系统的第三实施例的结构示图。

图4是本实用新型提供的高压断路器状态在线监测系统的第四实施例的结构示图。

图5是分合闸线圈结构示意图。

图6是分合闸线圈电流特性曲线。

图7是直线位移和角位移的对应关系。

图8是对应关系曲线的多项式拟合。

具体实施方式

请参考图1，是本实用新型提供的高压断路器状态在线监测系统的实施例的结构示图。其包括：传感器组1、主控制器2和人机交互显示器3，其中主控制器2分别与传感器组1和人机交互显示器3连接，传感器组1用于检测高压断路器的分合闸线圈电流、动触头行程信号和储能电机工作电流，主控制器2用于采集传感器组1检测到的信号并进行存储分析以及交由人机交互显示器3进行显示。

本实施例，由传感器组负责分合闸线圈电流、动触头行程信号和储能电机工作电流的检测，然后由主控制器将这些信息采集起来进行存储分析以及通过人机交互显示器显示，从而工作人员可以通过人机交互显示器显示的这些信息分析高压断路器的工作情况，以确定是否需要对其进行检修，从而实现了高压断路器状态的在线监测。

本实施例，可以用于变电站、开闭所、电厂高压断路器的机械性能、触头电寿命及储能状态的监测，通过综合分析在线监测的数据和相关历史数据，诊断出高压断路器当前的工作状态，为电气设备状态检修提供决策依据。该监测系统能及时了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济性。

如图2所示，传感器组1主要包括：用于检测分合闸线圈电流的电流传感器I11，用于检测动触头行程信息的位移传感器12和用于检测储能电机工作电流的电流传感器II13。除此之外，传感器组1还可以包括：用于检测高压断路器中六氟化硫微水密度的微水密度传感器和/或用于检测高压断路器的避雷器的放电次数的放电次数传感器等，以实现更全面、细致的对高压断路器的监测。其中，电流传感器I11可以为霍尔电流传感器；位移传感器12可以为直线位移传感器或者角位移传感器，其为直线位移传感器时安装在动触头上，直接测量动触头的行程；其为角位移传感器时，其安装在高压断路器的主轴上，用于测量主轴的角位移，然后由主轴角位移与动触头直线位移之间的转化关系将其转化为动触头行程；在本实施例中，优选位移传感器为角位称传感器，这是由于：主轴位于低电位，远离高压部分，因此位移传感器安装在主轴上时不存在高电位隔离的问题，并且主轴附近的可用空间很大，十分方便位移传感器的安装，并且这种间接测量的方式支持多种型号的断路器，具有适用面广等特点。

继续如图2所示，主控制器2可以由定制的专用处理器实现，例如为专用的DSP（数字信号处理器），其包括：输入接口21、中央处理器22和存储器23，其中输入接口21分别与传感器组1中的各传感器连接，用于采集各传感器检测到的信号，中央处理器22分别与输入接口21、存储器23和人机交互显示器3连接，用于将输入接口21接收到的信号进行存储、分析以及显示。需要说明的是，由传感器采集到的信号到输至输入接口21这中间需要对传感器采集到的信号进行诸如：电流电压转换、滤波、模数转换等操作，以使信号具有较好的纯净度且适合中央处理器22处理，这可以在传感器和输入接口21之间设置信号调理电路实现，显然这对于本领域技术人员而言并不会感到陌生。

如图3所示，中央处理器22可以包括：处理电路I221和比较电路I222，其中处理电路I221用于根据采集的分合闸线圈电流生成电流-时间曲线，比较电路222用于将处理电路I221生成的电流-时间曲线与存储器23中预存的分合闸线圈电流-时间标准曲线比较，并将比较结果通过人机交互显示器显示。需要说明的是，处理电路I221生成电流-时间曲线后，也可以由人机交互显示器直接显示，本领域技术人员通过观察电流-时间曲线完全有能力辨别高压断路器操作机构的状态；当然，这一分析过程也可以直接由处理电路I自动实现分析，即根据测得的电流波形计算操动机构启动时间、线圈通电时间等；或者由比较电路将其与标准曲线相比判断操作机构是否正常工作，即根据高压断路器自身参数范围，比较判断操动机构是否出现铁芯空行程、弹簧卡涩、匝间短路等故障。

如图4所示，中央处理器22包括：处理电路II223和比较电路II224，其中处理电路II223用于根据采集的动触头行程信号生成行程-时间曲线，比较电路II224用于将处理电路I生成的行程-时间曲线与存储器23预存的动触头的行程-时间标准曲线比较，并将比较结果通过人机交互显示器显示。其中，可以以高压断路器出厂试验曲线或检修后试验曲线作为标准曲线，根据用户规程规定确定曲线的上下限，依此绘制出断路器行程-时间曲线的包络线，既完成包络线的设定。以此包络线作为行程-时间曲线的上下限值。当陆续几次运行曲线都开始偏离标准曲线时且有增加趋势时，系统提出预警，提示设备状态有一定风险，当曲线超出该包络线范围，则系统将报警以提请运行人员注意：该断路器机械特性异常。

为了便于本领域技术人员更好的重现本实用新型，下面补充分合闸线圈电流特性和断路器动触头行程测量原理。

一、合分闸线圈电流特性的分析

断路器在每次合、分闸过程中，直流线圈的电流随时间变化，变化波形中蕴藏着极为重要的信息。铁心及合、分闸线圈是操作机构中的重要组成部分，是控制断路器动作的关键性元件。当线圈通过电流时，在铁心内部产生磁通，动铁心受磁力吸引，带动机械装置，使弹簧释放能量进而使断路器合闸或分闸。铁心及合、分闸线圈的结构示意如图5所示。

在图中1为铁心、2为线圈、3为顶杆，4为铁轭。合、分闸线圈等值为一个电阻R和一个电感线圈L。从能量角度看，合、分闸线圈的作用是把来自电源的电能转换为磁能，并通过铁心的运动，再转化为机械能输出。

上述变化过程可以用图6中的典型合、分闸线圈电流特性波形说明：这一波形根据铁心的运动，可以分为五个阶段：

(1)阶段I，t=t0～t1线圈在t0时刻通电，到t1时刻铁心开始运动。t0为断路器合、分闸命令下达时刻，是断路器合、分动作计时起点。tl为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁心开始运动的时刻。这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心静止。这一阶段的时间与控制电源电压及线圈的电阻有关。

(2)阶段II，t=t1～t2铁心运动，电流下降。t2为控制电流的谷点，代表铁心已经触动操作机械的负载而显著减速或停止运动。

(3)阶段III，t=t2～t3铁心停止运动，电流又呈指数上升。

(4)阶段IV，t=t3～t4这一阶段是阶段III的延续，电流达到近似的稳定。

(5)阶段V，t=t4～t5电流开断阶段。此阶段辅助开关分断，在辅助开关触头间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。

分析电流波形可知，t0～t1时间电流可以反映线圈的状态，t1～t2时间电流的变化表征铁心运动结构有无卡涩、脱落、释放机械负载变动的情况。t2一般是动触头开始运动时刻。从t2以后机构通过传动系统带动动触头合、分闸的过程，即动触头运动的过程；t4为断路器的辅助触点切断的时刻；t0～t4时间电流的变化可以反映机械操作机构传动系统的工作情况。

通过对线圈电流的检测可以了解断路器机械操动机构的变动情况。线圈电流波形上Il、I2、I3三个电流值分别反映电源电压、线圈电阻及铁心运动的速度信息，也可作为分析动作的参考。因此，实际记录每一次开关操作过程线圈电流的波形，分析上列有关参数可诊断断路器机械操动系统的重要信息。根据测得的电流波形计算操动机构的启动时间、线圈通电时间等，并可根据断路器自身参数范围比较判断操动结构是否已有铁心空行程、弹簧卡滞等故障。通过对线圈电流特性的分析，为实际合、分闸线圈电流的在线监测提供理论的参考。

二、断路器触头行程测量原理。

断路器触头行程测量要求在很短的分、合闸时间内进行对触头行程数据测量采集，对传感器以及信号处理电路的要求较高。

考虑到断路器在分合闸过程中，动触头的行程与主轴转动角度之间有一定的对应关系，因此测得主轴的角位移曲线,即可间接得到动触头的直线位移曲线。断路器的主轴处于低电位，远离高压部分,因此不存在高电位隔离的问题。而且一般情况下主轴附近的可用空间很大,能够方便地安装角位移传感器。这种间接测量的方式对多种型号的断路器都适用。

在此基础上,选用了一种精密的导电塑料电位器作为角位移传感器,将其安装在操动机构的主轴上,传感器的转轴与断路器的主轴通过连接件紧固连接，该传感器有很高的测量线性度和分辨率,此外还具有机械寿命长、启动力矩小、抗冲击能力强、价格低廉等优点,因此完全满足断路器机械特性在线监测的要求。

角位移传感器的工作原理和普通的旋转式电位器相同,给两端加固定参考电压U_Ref后,输出电压Us就随滑动抽头位置的改变而成比例变化。假设角位移传感器的有效电气转角为A,安装完成后输出的起始电压为U₀，则被测主轴的转角Δθ为:

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{(U_s-U_0)\·A}{U_{\mathrm{ref}}}---\left(1\right)$

为了确定动触头直线位移和主轴角位移之间的对应关系,在离线情况下同时使用直线位移传感器和角位移传感器进行了对比测量。实验中将直线位移传感器的滑动端固定在与动触头相连且同步运动的绝缘拉杆上,连续进行了10次分合闸操作。用双通道示波器同时读取2个传感器的输出,得到直线位移和角位移的对应关系,见图7。

由图7可以看到,10次测量得到的对应关系曲线基本吻合,主轴角位移和动触头直线位移的对应关系一直保持良好。断路器的合闸过程可以分为3个阶段（以图7（a）中A,B两点为界）第1阶段从合闸脱扣器脱扣,触头开始运动到动静触头关合瞬间为行程区间；第2阶段为超程段,触头弹簧被压缩；第3阶段为过冲段,机构经缓冲作用最终停止在合闸位置。分闸过程也分为3个阶段（以图7（b）中A,B两点为界）：第1阶段从分闸脱扣器脱扣到触头刚分瞬间；第2阶段从触头开始运动到主轴拐臂与油缓冲器接触瞬间；第3阶段油缓冲器作用,为分闸反弹阶段。此外,由于分闸缓冲器的缓冲作用,分闸操作与合闸操作的对应关系有所不同。在分闸缓冲段,主轴受缓冲器的作用很快接近停止,而此时动触头由于惯性还会产生持续的振荡现象。这时主轴角位移和动触头的直线位移之间不再有确定的对应关系。然而对于真空断路器机械特性而言,更关心的还是行程区间这一段的运动情况,因为该段反映了断路器的合/分闸速度、最大合/分闸速度、刚分速度等,能够在一定程度上体现断路器的机械性能。

为了将得到的对应关系应用到在线监测系统中,需要确定主轴角位移和动触头直线位移之间的解析表达式。对图2的离散数据点采用最小二乘法进行拟合,用拟合多项式的系数作为表达式的量化值存储到监测系统的软件中,过程如下:p(x)＝b₁+b₂x+…+b_nx^n-1，(m＜n)    (2)

$\frac{\mathrm{\δQ}}{{\mathrm{\δb}}_i}=0,Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[P\left(x\right)-y]}^2---\left(3\right)$

式中：（x，y_i），i=1,2…,n为原始数据；b₁，b₂…,bn为拟合多项式的系数；P（x）为拟合多项式；m为多项式的阶数。增加m可以提高曲线拟合的精度,但同时增加了计算的复杂程度。因此,应根据实际情况选择合适的值。图8为不同阶数的多项式拟合形成的对应关系曲线（m=2,4,8,16,20）。可以看到,m=20时,拟合曲线足以反映对应关系的局部细节情况,见图8中局部放大部分。

由动触头的直线位移曲线可算出触头开距、合闸速度、分闸速度等机械特性参数。通常情况下,分合闸速度用某一行程区间内动触头的平均速度来表征。针对VS1型真空断路器的机械性能要求,合闸速度按关合点前11mm内的平均速度计算。分闸速度按刚分点后6mm内的平均速度计算。由于角位移曲线中不包含触头关合刚分时刻的信息,为了计算各个机械特性参数,还需要在线确定触头的关合/刚分时刻。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高压断路器状态在线监测系统，包括：主控制器和人机交互显示器，其特征在于：还包括：传感器组，所述传感器组包括：用于检测所述分合闸线圈电流的电流传感器I，用于检测动触头行程信息的位移传感器和用于检测储能电机电流的电流传感器II，所述主控制器由定制的专用处理器实现，所述主控制器包括：输入接口、中央处理器和存储器，所述输入接口分别与所述传感器组中的各传感器连接，所述中央处理器分别与输入接口、存储器和人机交互显示器连接，所述中央处理器包括：处理电路I、比较电路I、处理电路II和比较电路，所述处理电路I、处理电路II的输入均与所述输入接口连接，所述比较电路I的输入与所述处理电路I的输出连接，输出与所述人机交互显示器连接，所述比较电路II的输入与所述处理电路II的输出连接，输出与所述人机交互显示器连接。 

2.如权利要求1所述的高压断路器状态在线监测系统，其特征在于：所述位移传感器为角位移传感器，所述角位移传感器设置在高压断路器的主轴上。 

3.如权利要求1所述的高压断路器状态在线监测系统，其特征在于：所述传感器组还包括：用于检测高压断路器中六氟化硫微水密度的微水密度传感器和/或用于检测高压断路器的避雷器的放电次数的放电次数传感器。