摘要：高压真空断路器机械特性的在线监测，是实现断路器预知性维修的前提，是保证其安全可靠运行的关键，也是对传统离线预防性维修的重大补充和新的发展。现代检测技术的快速发展为真空断路器机械特性的在线监测提供了可靠而有效的方法。基于此，本文主要对高压真空断路器机械状态监测系统研制机械分析探讨。
关键词：高压真空断路器；机械状态；监测系统研制
1、前言
电力系统的运行状态和负载性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器，要保证电力系统的安全运行，对它的要求也是多方面的，能否使断路器保持稳定工作，将对电力系统运行产生至关重要的影响。而进行高压真空断路器机械状态监测系统的研制，则能对断路器的运行情况进行有效掌握，从而通过及时检修确保设备稳定工作，继而更好的促进我国电力事业的发展。
2、 机械特性参数的定义
真空断路器分合闸速度，尤其是断路器合闸前、分闸后的动触头速度，对断路器的开断性能有至关重要的影响。分闸速度的降低将使电弧的燃烧时间增加，加速了断路器触头的电磨损、 降低断路器的使用寿命，而且不利于正常开断；分闸速度过高，使操动机构承受过大的机械应力和冲击，造成结构部件的损坏或者缩短其使用寿命；断路器分合闸的严重不同期将造成线路和变压器的非全相运行，可能出现操作过电压、继电保护误动作等不利现象，导致绝缘损坏。
高压真空断路器的机械特性主要包括：合(分)闸时间、触头行程、开距、超行程、合(分)闸不同期、合(分)闸平均速度、刚合(分)速度、合(分)闸最大速度、触头合闸弹跳时间、触头分闸反弹幅值等。真空断路器的机械特性参数是保证断路器正常工作的重要依据，从真空断路器动触头的行程-时间曲线、合(分)闸线圈电流-时间曲线结合刚合、刚分位置信号可以确定机械特性参数。
为了更好地理解真空断路器的机械特性，现使用合、分闸机械特性测试时的信号波形示意图来标明主要特性参数，如图 1、图 2 所示。
.png)
图1 合闸机械特性示意图 图 2.分闸机械特性示意图
从图上可以清楚地看到机械特性参数的定义，为实际求取断路器的机械特性参数提供理论依据。主要机械特性参数定义如下：
1) 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间隔。
2) 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间隔。
3) 触头行程：动触头的起止位置之差的总位移量。
4) 触头开距：断路器处在分闸位置时，动静触头之间的距离。
5) 触头超行程：合闸操作时，从所有极触头都接触开始到合闸稳定位置为止的位移量。
6) 合闸不同期：从首极合开始到所有极触头都合为止的时间之差。
7) 分闸不同期：从首极分开始到所有极触头都分为止的时间之差。
8) 刚合速度：动触头在合闸过程中与静触头刚接触时的速度。
9) 刚分速度：动触头在分闸过程中与静触头刚分离时的速度。
10) 合闸最大速度：合闸全过程中的最大速度。
11) 分闸最大速度：分闸全过程中的最大速度。
12) 合闸平均速度：合闸过程中从触头开始运动到刚合位置点内的平均速度。
13) 分闸平均速度：分闸过程中从触头刚分位置点到分闸位置内的平均速度。
14) 合闸弹跳时间：在合闸过程中动静触头接触后由于弹力而反复弹跳，从弹跳开始到最终达到稳定的这段时间。
15) 分闸反弹幅值：分闸过程中，由于缓冲器的作用，动触头存在惯性，还会运动到最高点，而后返回到平衡点，形成一个振荡过程，振幅为分闸反弹幅值。
3、系统结构分析
从结构设计上来看，高压真空断路器机械状态监测系统应由三部分构成，即传感器、DSP硬件电路和系统管理软件。利用传感器，则可以进行高压真空断路器机械状态参数的采集。而通过硬件电路，则能将采集得到的数据利用CAN总线传输至上位机，通过运行管理软件，完成数据的分析、处理与显示。从硬件电路组成上来看，系统应该由信号采集模块、AD转换模块、控制模块、信号处理模块等模块构成。利用传感器完成模拟信号量采集后，还要利用AD转换模块将模拟量转化为数字量，然后利用信号处理模块进行信号处理。根据监测结果，上位机则能对断路器机械位置的工作状态进行判断，然后发出相应的控制指令，以实现断路器故障提醒。
4、系统的设计研制
4.1传感器选型
在系统研制时，还应做好传感器选型。为对高压断路器的机械状态进行监测，还要使用霍尔电流传感器、角位移传感器和振动传感器等多种传感器。在断路器分合闸时，由于触头直线行程与主轴转动角对应，所以可以利用角位移传感器进行动触头直线位移的测量，从而进行断路器行程与时间特性的测量。为确保测量的线性精度，可使用WDD35D一4导电塑料电位器进行角位移的测量。在对分合闸线圈电流进行测量时，可以选用YDG—HSD霍尔电流传感器。该类传感器遵循霍尔磁平衡原理，具有较强抗干扰能力和较好的线性度，并能实现快速响应，可满足系统监测需求…。此外，还要选用ZD24T型传感器作为振动传感器。相较于其他传感器，该传感器具有频率响应宽、灵敏度高和分辨率高等优点。
4.2硬件设计
在系统硬件设计方面，需使用TMS320F2812这一型号的DsP芯片作为信号处理器。该处理器主频为150MHz，拥有e—CAN2．0B接口模块，并拥有16个高速A／D采样通道，可用于进行各种监测信号的接收。利用该芯片完成信号处理后，可以利用CAN总线将数据信息传输至上位机，同时也能利用液晶显示屏进行断路器行程、分合闸时间及速度等信息的实时显示。而利用AD转换电路将传感器输出的线性电阻信号转化为电压信号后，电路容易出现稳压精度降低的问题，要使用稳压管TL431进行系统稳压。从硬件电路运行原理上来看，断路器位移信号由传动机构的运动信号构成，为低频信号，容易受外界环境干扰。因此，还应使用二阶有源巴特沃斯低通滤波器进行干扰信号的滤除。根据断路器机械动作速度、行程等信息，则可以完成机械运动最高频率信号的计算。从控制模块工作原理上来看，就是利用信号处理器通用端口进行控制指令的发出，以通过实现三极管通断控制为继电器施加电压。采取该种方式，就能进行继电器常开触点吸合导通控制，从而进行断路器分合闸动作的控制。
4.3软件开发
在系统软件开发上，还要使用LabVIEW8．5进行上位机管理软件编程。在具体编程过程中，需使用图形模式结构框图进行程序代码的构建，以便为系统编程提供便利。在设计出的上位机管理系统中，可以通过在主界面中进行不同功能的调用进行断路器监测操作。而主界面将与多个界面连接，其中的在线监测界面可显示断路器机械状态参数、振动信号和分合闸信号等信息。通过调用信号分析界面，则可以使用小波分析法和功率谱分析法等多种方法完成采集信号的分析处理。进入系统操作说明界面，则可以了解系统操作步骤。在进行系统下位机软件开发时，还要同时使用c语言和汇编语言进行程序编写。从系统工作流程上来看，系统上电后会先使各模块完成初始化。一旦断路器发生分合闸动作，A／D通道就可以利用中断方式进行机械状态参数的采集，并进行数据处理程序的执行，最后利用液晶模块进行数据显示。与此同时，系统也会将数据上传至上位机，以实现数据的进一步处理。
5、结语
通过观察可以发现，研制出的高压真空断路器机械状态监测系统具有操作简单和人机互动良好等特性，并且能够用于进行断路器机械状态的实时监测，所以能够在一定程度上满足断路器使用需求。但作为一名高中生，笔者的学识和经验都有一定的局限性，因此研制的系统仍然存在性能不稳等问题，还需得到进一步完善。
参考文献：
[1]兰建军，洪智勇，林青瑜等．高压断路器机械参数监测与寿命预估方法研究[J]．东北电力大学学报，2011，(01)：57—60．
[2]毛德梅，汪明珠，王本有等．嵌入式智能高压断路器状态监测系统的研究与设计[J]．皖西学院学报，2013，(02)：47—50
论文作者:叶方军,佟志鹏,吕飞飞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：断路器论文; 机械论文; 触头论文; 速度论文; 信号论文; 特性论文; 传感器论文; 《电力设备》2019年第22期论文;