广西电网有限责任公司南宁供电局 广西南宁 530029
摘要: 简要介绍通过力传感器及位移传感器实时监测在线工作断路器弹簧操作机构弹簧的拉力或压力，监测系统的计算机在得到这些实时数据后，自动进行数据的归档、整理及分析，实时监控弹簧挠度的变化情况，从而及时发现问题弹簧并提示操作人员进行处置，降低断路器故障率，提升电网运行安全。
关键词: 弹簧机构；弹簧；拉力；压力；力传感器
0 引言
高压开关设备是电力系统中重要的控制和保护设备，在电力系统中用来实现高压线路的关合、开断、保护、调节和控制，把电力设备或线路投入或退出运行，或者将发生故障的电力设备或线路从电网中快速切除，以保证电网中无故障部分正常运行。
统计资料表明，采用弹簧操作机构的高压断路器占比90%以上，弹簧操作机构的机械故障（包括操动机构及控制回路）占全部故障的70%~80%，其他灭弧、绝缘故障占有较小比例，发热故障比例更低。因此开展断路器弹簧操作机构状态监测，包括操动机构储能、控制回路监测显得尤为重要。为了降低弹簧操作机构断路器的故障率，本文将对弹簧操作机构智能监测技术方法进行介绍和探讨。
1.国内外弹簧机构研究水平的现状和发展趋势
统计资料表明，采用弹簧操作机构的高压断路器占比90%以上，弹簧操动机构是高压断路器的重要组成部分，其由储能单元、控制单元、和力传递单元组成。弹簧操动机构结构简单，可靠性高，分合闸操作采用两个螺旋压缩弹簧实现。储能电机给合闸弹簧储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸弹簧一释放，储能电机立刻给其储能，储能时间不超过15s（储能电机采用交直流两用电机）。运行时分合闸弹簧均处于压缩状态，而分闸弹簧的释放有一独立的系统，与合闸弹簧没有关系。这样设计的弹簧操动机构具有高度的可靠性和稳定性。
长期以来，只是在检修期间，通过人工试验的方式，来发现弹簧的问题。这不仅工作量大，效率低，而且人为误差也大，更大的问题则是不能及时发现有隐患的弹簧，给电力安全运行带来不可靠因素。因此对弹簧操作机构智能监测方法进行研究应用对断路器安全稳定运行具有较大的现实意义。
2 弹簧操作机构智能监测方案
1）弹簧性能的测量
根据物理学，一个弹簧被压缩或拉伸后，其产生的作用力计算如下：
作用力(N)=弹簧刚度（kg/mm）*压缩量（mm）*g (1)
弹簧刚度=线径*1000/C3 *工作圈数
C=弹簧系数
g=重力加速度
弹簧刚度实质上反映的就是弹簧性能。
由此可见，当一个弹簧做成后，弹簧在被拉伸或压缩后，其作用力只和弹簧的刚度和被压缩量有关。而刚度只和弹簧的系数有关。理论上，一个弹簧成型后，其系数就固定了，就是说弹簧的刚度对具体的某一个弹簧来说是个常数。但实质上，由于弹簧长期处于非自然的状态而导致金属疲劳，或金属腐蚀等等原因，这个刚度随着时间的延长而变小。换而言之，在同样的压缩量不变的情况下，随着弹簧使用时间的延长，其作用力将逐渐减小。
在断路器弹操机构做好后，弹簧的拉伸或压缩量因此就固定好了，但因为弹簧长期被拉伸或压缩，其刚度将逐渐变小，反映在弹簧上，其作用力将逐渐减少。
由公式(1)可以得到：
弹簧刚度（kg/mm）=作用力(N)/（g压缩量(mm)）
由此测得作用力的变化，就可以直接反映出弹簧刚度的情况，从而可以判断出弹簧的性能。
2）弹簧压力测量传感器
利用弹簧压力测量传感器安装于弹簧的固定一头，对弹簧弹力进行测量。作为一个理想的压力测量传感器，其具有如下性能和特征：
①强抗电磁干扰能力；
②使用寿命长，长期稳定性好；
③灵敏度高，测量线性度好；
④使用范围宽、湿度温度系数小；
⑤响应时间短；
⑥迟滞回差小；
⑦能在有害气氛的恶劣环境中使用；
⑧可以连续在线工作；
⑨器件的一致性和互换性好。
压力测量回路如下：
3）对开关每次脱扣消耗的时间记录分析。
开关柜弹操装置每次脱扣消耗的时间是指，从脱扣开始到主回路断开的这个时间过程。记录这个时间，对开关柜的安全运行有着重要的意义。
从这个消耗时间的变化，不仅能发现弹簧性能之问题，而且还能及时发现弹操装置中其他设备的问题，如弹操装置中轴承、圆柱销等等问题。它能间接地反映出整个弹操机构可能存在的问题。
其测量的时序如下：
上述2个波形分别被送往高精度专用计时器，由计时器测得此2波形的上升沿的时差，然后送至计算机，由计算机进行记录分析，对可疑的分闸时间进行报警处理。
上述消耗时间，计时器的分辨率需要达到毫秒级。
4）跳合闸回路及储能电机状态监测
采用电气智能监测单元实现对储能电机、跳合闸回路的完整性及跳合闸母线电压等运行状态的监测。并将监测数据上传系统。
5）对得到的压力、时间、电气参数、设备状态进行综合甄别、报告、存档
选取能抗强电磁干扰的工业计算机，对各个检测点收集上来的数据进行甄别、报告以及存储，配合专家管理系统对监测数据进行分析判断，及时发现弹簧机构存在的安全隐患。
3 结束语
通过力传感器及位移传感器实时监测在线工作弹簧的拉力或压力，监测系统的计算机在得到这些实时数据后，自动进行数据的归档、整理及分析，实时得到弹簧挠度的变化情况，从而及时发现问题弹簧并提示操作人员进行处置，可以降低断路器故障率，提升电网安全稳定运行水平。
参考文献
[1] 《高压交流断路器》DL/T 402-2016
[2] 中国南方电网电气设备检修预试规程
[3] 《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（DL/T 593-2016）
[4] 《圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数》（GB/T2089-94）
论文作者:罗传胜
论文发表刊物:《中国电业》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/15
标签：弹簧论文; 机构论文; 断路器论文; 刚度论文; 操作论文; 作用力论文; 时间论文; 《中国电业》2019年第06期论文;