10KV柱上断路器弹簧操作机构健康状态监测研究

10KV柱上断路器弹簧操作机构健康状态监测研究

孙士娇1

(1.济南职业学院, 山东 济南 250000 ) 

摘要：为实现柱上断路器安全可靠分合闸动作，利用柱上断路器内部弹簧操作机构工作特性，研究设计一种弹簧操作机构故障监测的方法及装置，通过测量分析弹簧操作机构的储能、分合闸电压电流波形，结合储能弹簧应力与分合闸触头受力情况，在线实时监测柱上断路器弹簧操作机构故障状态。研究表明，弹簧操作机构所用电压电流能够直接反映柱上断路器健康状态。

关键词：可靠性弹簧操作机构；故障监测；储能;分合闸

中图分类号：TM452

0   引言

柱上断路器弹簧操作机构是装在断路器内部的执行机构，用于分断、闭合断路器。弹簧操作机构通过电机转动，带动弹簧储能，储能弹簧经过脱扣板的触发，从而控制断路器分断与闭合，断路器的正常工作依赖弹簧操作机构的可靠性与稳定性。弹操机构长期工作，极易发生故障造成线路瘫痪[1-2]。当前，针对柱上断路器所用弹簧操作机构异常问题的检修， 需要进行母线线路断电。为解决以上问题，设计一种柱上断路器故障状态的实时在线监测方法迫在眉睫，旨在提高配电自动化的高速发展。

1  弹操机构结构分析与故障检测方法

1.1弹簧操作机构结构分析

以CTB型弹簧机构结构为例进行分析，通过图1.1弹操机构机械结构图分析储能、分合闸过程。合闸过程：使用储能手柄或供给电源，使手动或电机匀速转动齿套时，均可使齿轴转动，并带动主齿轮旋转。通过合闸弹簧的拉伸，实现机构能量存储。弹簧储能完成后，在合闸挚子的保持下，实现机构合闸准备工作。当合闸信号启动，可使用手动合闸或对机构的合闸脱扣器提供电压，推动脱扣板，解除储能保持，在合闸弹簧能量释放时，推动凸轮转动，继而推动输出拐臂动作。合闸操作完成后，分闸挚子扣住半轴，使断路器保持在合闸位置。当弹操机构位于合闸状态时，再次启动弹簧储能系统，储能弹簧再次被拉伸后，合闸挚子再次保持，同时合闸半轴与输出拐臂之间的联锁来锁住合闸挚子，致使弹簧保持在储能状态。分闸过程：在弹簧操作机构与断路器箱体装配完成并合闸后，手动拉动断路器箱体上的分闸手柄，通过拨动分闸半轴的脱扣杆，推动分闸半轴转动或者外部给分闸线圈提供电压，推动分闸半轴上的脱扣杆，使断路器处于分闸位置。过阈值调节电路实现高开低关的方式控制驱动电路电压，进而驱动MOS管；通过内部感应驱动电路、光耦、LED指示灯，点亮电流互感器开路告警指示灯，用于现场故障指示，经过光耦隔离把信号传递到主控端，主控可以连接控制平台，把故障信号传送到平台，实现故障信息的远传。

图1.1 CTB型弹操机构结构图

1.2弹操机构故障检测方法

柱上断路器弹簧操作机构的检修是对线路运行中的断路器机械状态进行在线测量，通过各种测量特征信号对断路器操作机构的运行状态分析，状态检修具有很强的针对性与实时性，及时发现高压断路器操作机构缺陷，对缺陷部位进行针对性的检修工作，对于异常的断路器可采取缩短检修周期或立即停电处理的策略；对于评价结果为正常状态的断路器，检修周期可以适当延长，有效避免断路器“无病也修”现象，减少了计划停电时间与事故停电时间，节省了检修所需的人工、耗材、工具等成本。同时，状态检修还能对未完全传化成故障的缺陷进行反映，对缺陷进行提前预防处理，使故障在初始阶段被消除，进而提升操作机构分合闸的可靠性与电网线路的安全性[3-4]。

操作机构为断路器主要故障机构，对于高压断路器操作机构的状态检修常用监测特性主要有弹簧储能电机操作电流电压特性、机械振动信号特性、触头行程与时间特性、分合闸线圈电压电流特性。柱上断路器设备的分合闸过程通过电动机为分合闸弹簧进行能量存储，经过弹簧能量的释放，带动传动机构动作，进而推动动触头动作来完成，通过分析可以了解，弹操机构分合闸过程中电机与操作机构的运动有着紧密关系。因此电机电压电流在一定程度上反映了开关设备操作机构的机械运动状态。本文针对弹操机构的储能电机电压电流特征和分合闸线圈电压电流特征进行研究。

2  弹操机构故障检测硬件方案设计

2.1 信号测量方案

弹簧操作机构长期暴露于室外，易锈蚀、润滑油失效、运动部件受外力作用，导致机构动作时摩擦力增大，电机堵住或者机械卡滞等原因都可能促使断路器动作电流发生变化，电流的增大、机械的长期磨损都会造成断路器出现故障，因此使用动作电流作为测量特征，可以实现弹簧操作机构的故障判断，储能电机启动电流相对较大，弹簧拉伸前期，电机电流基本恒定，随着弹簧行程增加，电机动作电流增加。信号采集前端使用模拟电路，选用16位A/D转换芯片替换传统的12位A/D转换芯片。

前端模拟信号采集，采用霍尔电流传感实现I/V转换，原边和副边之间实现输入电流与输出电压信号的隔离，霍尔传感器可用于测量直流，交流，脉冲及各种不规则波形的电流。霍尔传感器可以将操作机构的储能，分合闸电流信号转换成小电压信号，测量范围25A/2V，该型号霍尔传感器既能满足过流采集，又不会影响正常采集的采样精度。霍尔传感器的输出电压信号经过运放跟随电路输出，运放跟随电路起到提升小信号负载能力，运放输出信号经过RC低通滤波后送到ADC芯片进行数据采集。

图2.1 弹操机构分合闸电流特性图

2.2 电压电流硬件采集设计

用于分合闸输出操动机构的操动电源穿心经过霍尔传感器，同时结合CPU操作判断所采集的是分闸还是合闸信号，霍尔传感器采用5V电压供电，其输出的模拟信号经过抗混叠滤波、幅值调整等信号调理电路后，直接接入到ADC中,通过MCU进行算法计算。测量原理图如下。

图2.2 分合闸电磁铁信号采集测量原理图

图2.3 储能电机电流采集测量原理图

电压信号采集采用隔离运放方式，首先把需要采集的直流24V电压使用电阻分压的方式得到小电压，然后把小电压输入隔离运放芯片，隔离运放芯片输入输出两侧做电源隔离处理，实现信号1:1隔离传输，输出到单片机的ADC采集引脚，单片机根据分压电阻反推出电压值，实现电路见下图。

图2.4 储能、分合闸线圈电压监测原理图

3  弹操机构健康状态监测

3.1故障判断算法

对测量的分合闸、储能录波数据，进行测量波形分析，通过对断路器分合闸和储能状态进行判断，得出断路器储能和分合闸是否异常的结论，判断方法：分析弹操机构的储能、分合闸录波波形，对比断路器弹操机构正常工作状态下的储能、分合闸波形，通过拟合对比，分析波形是否有明显异常。弹操机构储能电机堵转导致异常电流波形与机构正常储能动作时的波形对比。弹操机构的弹簧寿命达到极限时，弹簧发生塑性变形，致使操作机构的储能电流变小，通过对比分析此种故障电流与正常驱动电流波形，实现对弹操机构弹簧寿命的预判，实时通知现场运维人员，实现及时维护或者更换，避免事故的发生，进而提升配电网线路的可靠运行[5]。

3.2数据录波与采样

弹操机构储能电机的启动电流时间相对较短，为了实现全范围数据采样，高度还原电机电流波形，对于电机电流使用每秒1000点进行录波采样。电机电流超过设定上限后启动电压电流数据录波，因10kV断路器弹操机构的实际储能动作时间为7s左右，所以录波启动后12s结束录波。

柱上断路器弹操机构的分合闸动作时间为30ms左右，同样为了实现波形的高还原度，对分合闸电流采样使用每秒5000点，鉴于分合闸信号是脉冲非稳定性信号，通过测试试验，合理的信号带宽约为2.5KHz。为了准确分析录波数据，根据采样定理，采样频率是2倍的信号频率，采样频率设置为5KHz。分合闸电流超过设定上限值后启动数据录波，为实现动作电流的完整采样，电流启动录后500ms结束录波。             

采用上述采集算法实现弹操机构分合闸、储能电流电压录波数据、时间获取，试验录波数据见下图。

图3.1 分合闸电磁铁操作电压、电流数据波形

3.2 储能电机操作电压、电流数据波形

4  结论

以CTB型弹簧机构结构为例对储能电源录波与分合闸动作录波进行研究，首先，对弹操机构的内部机械结构与电气原理图进行分析，确定需要测量的储能、分合闸电压电流参数；其次，搭建硬件实现电路，实现对电压电流原始数据的采集，把采集的数据传送到馈线终端；最后，通过代码实现原始数据格式转换，经过转换的储能分合闸电压电流即可上送主站，通过仿真软件模拟主站，可视化采集的储能、分合闸电压、电流、时间。通过分析所采集数据，实现柱上断路器弹操机构故障状态的识别与判断。

参考文献

[1].周国伟,董建新,肖珊珊,等.高压断路器弹簧操动机构典型故障应力分析[J].浙江电力,2018,37(12):93-99

[2].赵莉华,张浩,景伟,等.基于线圈电流的高压断路器操作机构性能研究[J].四川大学学报,2015,47(05)

[3].李鹏飞,周文俊,曾国,等.高压断路器合闸弹簧动态特性及储能状态检测方法[J].电工技术学报,2016,31(03):104-112.

[4].豆龙江. 断路器弹簧操作机构故障机理分析及诊断方法研究[D].华北电力大学(北京),2019

[5].赵莉华,冀一玮,吴月峥,等.基于电机电流的高压断路器弹簧操作机构的LM-BP故障诊断算法[J].电测与仪表:1-11.

作者简介：

孙士娇(1988 -)，女，孙士娇，山东济南人，助教，研究方向为机电一体化方向。