断路器运行状态在线监测系统设计

断路器运行状态在线监测系统设计

彭勇

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摘要：在配电网系统领域中，环网开关设备被广泛应用于城市配电网中，存在点多面广、运行环境复杂、运维困难等问题。在线监测系统设计可有效判断操动机构的健康状态。本文主要对断路器运行状态在线监测系统设计进行论述，详情如下。

关键词：断路器；运行状态；在线监测

引言

断路器是有着强大辅助支撑功能的器件，通过合理控制电路的中断和延续，可以保障设备稳定运转，避免发生异常事件，从而为厂区电器集中使用提供一定的安全保障。为了更加稳定高效地监测断路器运行状态，需要设计在线监测系统。

1在线监测系统外围电路设计

为了准确得知断路器触头的开闭时间节点，需要拟合出触头开闭的特性曲线。通过旋转光电编码器可以及时监测触头的开闭，在断路器触头开闭的瞬间，编码器中的码盘会同步运行，此时外部光穿过码盘被接收元件接收，然后信号电路中会出现间断式的信号源，通过对信号源的处理，可以模拟出触头开闭的特性曲线。根据特性曲线的走向能判定断路器触头的运动形式，结合时钟电路，可以计算出触头的开闭速度，为在线监测提供稳定的支撑。断路器的运行电路通过I/O控制输出开关，结合数模转换模块能够优化结构，对于外接部分进行调整，使芯片接入方式能够满足适用要求。在线监测系统使用的非正交多址接入结构通过多个引脚控制，能够同时控制多个传感器数据的采集和输出，提升传感效率，进而提升在线监测的准确性。

2大容量发电机出口断路器GCB在线监测系统策略

近几年国内多个电站出现发电机出口断路器（以下简称GCB）在合闸时出现单相接地故障，在对其中一个GCB灭弧室进行解体检查时发现，断口间绝缘子及支持绝缘子破碎，内部操作机构连杆动力传动销断裂、连杆已经脱开，初步分析该台GCB在日常分合闸过程中，断路器内部操作机构旋转绝缘子局部破损、机械性能和绝缘性能下降造成间歇放电，进而出现单相接地故障，在GCB跳闸后无法灭弧，电弧持续燃烧，最终导致灭弧室解体。其主要原因是因为灭弧室内动主触头推动连杆轴销在设计时，其两侧间隙裕度不足，在连杆、衬套等部件磨损后，轴套破裂导致轴销产生位移与内部铸件碰撞，导致轴销的锁定螺钉断裂，造成轴销脱落，最终导致内部烧毁的事故。这些GCB均具有以下缺点∶1、未安装压力释放装置（即防爆膜）；2、装配的SF6气体密度继电器，仅具备低压报警和低压闭锁功能，无实时压力监测功能；3、GCB未设计灭弧室温度和压力在线监测装置。在线监测系统由3部分组成，第1部分为传感器组件；第2部分为现地服务器；第3部分为监控主机。传感器组件：传感器组件分为红外测温传感器和SF6气体压力传感器。红外传感器布置于断口绝缘子上方，断口绝缘子里面也是断路器动主触头的部位，用于观察断路器外壳温度，监视断路器运行工况。SF6气体压力传感器布置在B相断路器下方原密度继电器位置，在密度继电器与气管接口之间安装一个三通阀组，在另一个接口上安装压力传感器，由于三相断路器气室联通，可以实时监测灭弧室内部压力。              现地服务器：传感器组件产生的数据传输到现地服务器上，现地服务器再将所有数据实时传输到监控主机。同时现地服务器会将传输的数据进行预处理，当接收到的数值超过阈值时，将传输报警信号给监控主机。监控主机：监控主机接收现地服务器传输的数据，运行人员监屏时可看到现场实时数据，当现地服务器输出报警信号时，监控主机可及时提醒运行人员设备的异常状态。同时监控主机也会对现地服务器传输的数据进行分类存储。

3基于线圈电流信号及动态时间规整的高压断路器状态评估方法

高压断路器是电力系统中重要的组成部分，能够在电力系统正常模式或异常模式(短路、异步模式、设备过载)下改变电网拓扑结构。因此，高压断路器的运行状态直接影响到电网的安全稳定运行，有必要对高压断路器的运行状态进行监测以延长断路器的使用寿命。目前，断路器的状态维护策略主要分为预防性维护和预测性维护。预防性维护要求在预定的时间间隔对断路器进行检修，以防止部件故障。由于检修时间间隔的确定与部件的实际状况无关，因此在下一次检修之前，零件可能早已损坏。由此可得，预防性维护不一定会带来断路器可靠性的提高。预测性维护策略通常分析断路器动作过程采集到的状态信号，如线圈电流，振动信号，动触头行程等来预测断路器的状态。由于预测性维护策略更适用于智能化的应用场景，因此，近年来，基于机器学习的预测性维护策略得到了广泛研究。基于机器学习的状态维护方法通过学习状态监测信号中的特征以建立诊断模型来评估断路器状态，其中人工神经网络、支持向量机，随机森林等智能算法被广泛应用。然而，机器学习算法均需大量样本进行模型训练以保证其状态识别的准确性。由于断路器本身工作特性的制约，且其种类繁多，使得实际工况下所采集的数据有限，测试样本较少，这就限制了机器学习方法在实际工况中的应用。基于线圈电流信号及动态时间规整法的高压断路器状态评估方法。其诊断流程具体步骤如下：1)采集断路器合闸过程中的控制线圈电流信号，然后应用平滑处理算法对信号进行预处理；2)将处理后的电流信号作为输入参数输入DTW，其中，以一组正常信号作为基准向量，以待检测信号作为测试向量；3)根据DTW输出的最优匹配路径，对断路器的运行状态进行评估。

4基于边缘云的在线监测系统模型构建

在线网控制中心设置的设备主要有服务器集群、磁盘阵列、大屏显示系统、网络安全设备、工作站、打印机、云平台交换机等设备组成。为了减轻边缘云节点到云中心之间的数据传输压力，在线路控制中心设置边缘云节点，主要设备有网络安全设备、后备线路服务器、工作站、云桌面，与传统控制中心不同的是，这些设备均由云平台提供，最大限度地发挥了边缘云的优势，降低了建设及运营成本。监测数据的存储及主要计算功能主要由边缘云节点实现，只将计算结果及核心数据上传到云中心，减轻了从边缘云节点到云中心之间数据传输的压力。当云中心设备或平台通信主干网络出现故障时，在线监测系统将通过线路控制中心的后备服务器实现降级运行，待故障解除后，再将数据恢复到云中心。车站级主要负责数据采集和上传，采集到的数据通过光纤环形网络上传至线路控制中心。在线监测系统的监控对象主要包括供电、机电、通信、车辆、信号等专业的设备以及隧道、桥梁、结构等专业的基础设施。针对各类设备设施不同的监控需求，设置相应传感器，结合其他系统的既有数据，共同构成在线监测系统的数据源，通过资源优化，从数据源头打破专业壁垒，形成跨专业的、开放的数据平台。

结语

在智能变电站中，当断路器智能终端出现故障时，会影响到区间的继电保护和自动设备跳闸等功能。为了保证电网的安全、稳定运行，相关人员应从设计之初就正确地解决保护设备跳闸和机械跳闸之间的协调问题。在验收期间，继电操作人员要认真地排查试验，以保证防跳回路能够有效动作和可靠运行，保障断路器设备的正常使用。

参考文献

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