对高压断路器机械特性带电检测装置的分析

对高压断路器机械特性带电检测装置的分析

马海 张伟

国网宁夏电力有限公司检修公司 宁夏银川 750011

摘要：城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加，对电力系统的安全性和可靠性的要求越来越高。电力系统运行中，高压断路器可以起到系统的控制和保护作用，电站的性能安全性与可靠性关系到整个系统的整体运行。高压断路器各类故障中，机械故障比较常见，比如操纵机构故障与控制回路故障。本文就对高压断路器机械特性带电检测装置展开探讨。

关键词：高压断路器；机械特性检测；检测装置

引言

断路器的可靠性在很大程度上取决于其机械操动系统的可靠性。在高压断路器故障中，机械故障（包括操纵机构和控制回路）占全体故障的80%以上，其他灭弧、绝缘故障则占比较小，发热故障比例更低。因此，产品出厂检修和用户检修试验都把机械特性参数的测试作为重要试验项目。

1高压断路器的作用

高压断路器在电力系统中主要起保护作用，同时还承担着电网正常运行的重任。在正常情况下，断路器能可靠地接通和断开电路;在电路发生故障的情况下(如:短路、过载、欠压等)，能迅速地切断故障电流，保护发电机、变压器、线路等元件，使其不被损坏，提高了电力系统运行的可靠性。

2带电检测技术的应用

带电检测是在设备运行时使用特殊的检测设备或仪表装置对待检设备进行检测，其主要目的是发现设备的潜在故障，通过显示故障确定是否需要检修或者更换设备。带电检测技术只检测设备当下时刻的工作状态。带电检测技术可以发现常见的电气设备在运行状态下的所有问题。诸如:局部放电、发热、气体泄漏等可能造成重大事故的隐患。带电检测主要面向的对象是直接用在发电、输电、变电、用电过程中的一次设备。它主要包括发电设备如发电机、变电设备如变压器、保护设备如断路器、接触器、四连杆机构、隔离开关、刀开关等，还有一些电力线路如进线母线、输电线路、电力电缆等其它电力设备等，电压等级包括:110kV,220kV,35kV,110kV等各阶段的电力用户。

2检测装置总体设计

高压断路器机械特性检测装置总体设计框图如图1所示。测试过程中，由上位机实现对检测装置相关参数的设置及修改，向被测试断路器发送分合闸指令。当检测装置接到指令后，通过控制器和驱动电路对断路器进行分合闸操作，同时利用霍尔电流传感器、位移传感器和开关量采集电路实现对断路器机械特性模拟量和开关量信号的采集。所采集的分合闸电流信号、行程位移信号和各触点开合信号通过调理电路、光电隔离电路送入到DSP主控模块，再经串口将数据传输至上位机，由上位机进行信号处理，绘制参数曲线，计算得到检测结果，并进行存储和打印，完成断路器的检测。

图1检测装置总体框图

3高压断路器机械特性带电检测装置的硬件设计

3.1硬件设计概述

在高压断路器带电检测装置中，控制组件被设置在装置的不同区域，检测组件内包含角位移传感器、轴向位移传感器、电流传感器。为了尽可能缩小传感器各方因素引起的数据误差，本研究在角位移传感器内安装了两组传感器，且这两组传感器相互对称设置，分别设置于主轴两个相对位置上，即x轴方向上与主轴相对的y轴正负方位或z轴正负方位。此外，在传感器组内还安装了角位移传感器，两个传感器的相位角保持90°的差距。结合上文高压断路器带电检测装置总体设计的控制单元，数据存储单元中包含了快速存储器。它能够在最短时间内存储系统控制参数，但快速存储器要展开频繁的读写工序，只要检测装置工作，快速存储器就要不断的存储数据。本文研究中使用磁性随机存取存储器进行核心数据的存储，从而保证数据读取的及时性，维护数据稳定，保护数据安全。在装置设计中还安装了固定存储器，它能够对检测模块获取的数据进行固定存储，其中涉及到较大数据量，固定存储器无需频繁进行读取操作。这样的设计方式有利于降低装置运行成本。

3.2模块设计分析

（1）分合闸线圈电流采集模块。断路器分合闸线圈电流含有丰富信息，通过对线圈电流信号的采集记录电流—时间特性曲线，能够计算出线圈通电时间、铁心启动及运动时间等参数，反映操动机构的工作状态，可以分析出铁心运动机构有无卡滞、脱扣、释放、机械负载变动等情况。分合闸线圈电流信号通过霍尔电流传感器检测，变比为1：1000。断路器分合闸线圈的电流信号经电流传感器由大电流转换为小电流信号，经电阻将电流信号转换为电压信号，经钳位保护电路传入DSP的模拟量采集通道，实现线圈电流信号采集。（2）行程位移信号采集模块。断路器依靠其动触头的位移来实现分合闸，通过对动触头位移信号的采集记录其行程—时间曲线，进而提取断路器多种机械特性参数，如行程、超程、分合闸时间、刚分刚合速度、有无弹跳等，还可据此绘制动触头速度—时间曲线。位移信号通过位移传感器检测，文中选用直线位移式传感器，测量范围0~50mm，可将机械位移信号转换为电压信号，能够真实反应行程特性。信号经限压保护电路和二阶有源低通滤波电路后进入DSP的AD采样通道，采样率为10kHz。（3）断口状态输入模块。该高压断路器机械特性带电检测装置在某种采样频率下可以对触点进行信号采样，记录端口跳变时刻，了解分合闸时间是否存在同期性特点。为了确保信号的准确采集，保证高压断路器不受电压干扰，在信号与输入引脚间使用光电耦合器，实现此处的光电隔离。

3高压断路器机械特性带电检测装置的软件设计

3.1高压断路器带电检测装置的PC机软件设计

以LabVIEW作为上位机的软件开发与设计环境，立足于虚拟仪器的设计实现，采用图形化语言完成系统的编程。在虚拟仪器编程技术的应用下，系统界面更加生动形象，PC机软件系统中包含通讯、测控、数据管理以及结果显示模块，各模块带有不同的功能。通讯模块能够完成串行通信协议，接受来自装置下位机的数据，并解码分析数据；测控模块能够对装置分合闸等操作触发信号命令；数据管理模块中包含对数据的存储、回放和打印，其中数据回访能够将历史波形数据再次展现；结果显示谋爱中包含波形、触点和装置检测结果的数据显示，以便人们了解高压断路器的当前运行状态。

3.2下位机软件设计

下位机程序以CCS软件为开发环境，采用C语言编程。主要实现数据通信、数据采集和测控功能。系统上电后程序进入初始化阶段，在完成各功能模块设置后进入程序主循环，循环等待上位机通过串口发送的指令，在接收到上位机指令后判断指令内容，如果不是分合闸指令则返回指令内部并再次等待新指令；若是分合闸指令则向下执行采样程序，首先使能ADC模块，启动采样，每组数据中包括分合闸线圈电流信号、动触头行程位移信号、触点开合信号。为使数据方便处理且出图美观，需进行数据预采样，预采样后结合当前分合闸信息执行分合闸触发指令，之后继续采样，采满1500组数据（150ms数据）后禁止ADC模块，停止采样。因串口上传速度有限，将有效数据缓存至外扩RAM中，后通过SCI子程序上传至上位机。

结语

本文基于断路器的机械特性，研发出一种高压断路器检测装置，通过对检测装置的硬件分析和软件分析，使系统上位机与下位机的功能得到优化和完善，在系统采样工序中，不断完善采样流程，确保得到的数据信息真实准确。

参考文献

[1]郭皎，王毅，张明志.高压断路器机械特性检测装置的研究[J].电子设计工程，2018，25（21）：86-89+95.

[2]赵媛.高压断路器机械特性带电检测技术与论断方法的研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[3]胡晟炜.基于DSP的高压断路器机械特性检测装置研究[D].西安：长安大学，2019.