摘要：在我国全方面推进智能电网建设的背景下，针对电力系统设备运行工况自动化监测与调控技术的研究成为了行业热点内容。高压断路器作为电网继电保护系统的核心部件之一，在电网运行环节提供的控制与保护作用至关重要。结合当前智能电网设备自动化监测技术的应用，加强高压断路器在线监测和故障诊断技术的研究与应用，能够更为有效的获得设备的动态特征，及时采取针对性措施进行调控能够进一步提升电网的稳定性与可靠性。本文在阐述高压断路器在线状态监测目标信号的基础上，分析了高压断路器在线监测与故障诊断的要点内容，着重研究了高压断路器在线状态监测系统功能单元与功能电路，旨在提供一定的参考与借鉴。
关键词：高压断路器;在线状态监测;故障诊断;电路
0前言
现阶段，电力系统高压断路器在运行过程中产生的故障较为多样，且成因复杂，传统的设备状态检测通常针对特定信号量进行监测，难以获得设备的整体性特征，不能有效适应当前电力系统综合自动化技术应用的实际需求，在高压断路器出现故障的情况下借助单一信号量特征不能真正反映设备的实际运行条件。因此，为了进一步提升高压断路器设备的监测效果，需要采取更为全面、详细以及动态化的在线监测。
1高压断路器在线状态监测目标信号
1.1分、合闸线圈电流信号
分、合闸是高压断路器的核心控制动作，通过内部电磁铁电流磁通量变化作用机构。内部线圈流通电流值决定了电磁铁对于铁芯的驱动作用，铁芯吸合力足够大的情况下，将接通操作电路，完成高压断路器分、合闸作用。因此，分、合闸线圈电流信号可以作为高压断路器控制动作的表征信号，可以借助电流值的测量判断断路器的故障类型，如:操动机构卡涩、铁芯阻滞、机构行程过长等相关问题。
1.2高压断路器储能电机电流信号
电网系统中应用的高压断路器储能元件通常为储能弹簧，在电流导通条件下，储能电机会运转动作，带动储能弹簧拉动，形成形变储能。针对高压断路器储能构件状态的检测方法主要包含以下两种:(1)借助压力传感器测量储能弹簧压力条件，针对断路器合闸条件下的弹簧状态进行评估;(2)借助电流传感器测量储能电机电流信号，通过电流信号间接评估弹簧状态。上述两种方法中，压力传感器的应用局限性较大，需要介入断路器设备结构，对于高压断路器的工作状态有着直接的影响，因此，当前通常采用储能电机电流测量的方法获取储能弹簧的状态特征。
1.3高压断路器三相触头位移信号
三相触头位移信号是当前最为重要的在线监测目标信号，此项参数直接关系着断路器分、合闸速度、时间、同步性以及行程等关键指标。图1为典型的断路器行程－时间曲线。针对高压断路器三相触头位移信号进行的信号测量，可有效评估设备以下几方面故障内容:
图1 典型的断路器行程－时间曲线
(1)分闸不同期:在高压断路器当中，A，B，C三相中各相出头分离动作之间存在一定的差异，这种差异就是分闸不同期。在分闸不同期时间差过长的情况下，首开相与末开相之间的电流分部条件不均匀，分闸动作过程中首开相承担的电流符合过大，而末开相则可能存在燃弧时间过长而导致的开断性能下降问题;
(2)超程:高压断路器超程问题指的是动静触头接触后机构继续运行超出接触位置的动作。超程条件过小，触头存在烧损问题的条件下将难以保证接触压力，并且初始分闸速度将大幅下降，降低高压断路器开断与热稳定性，极端条件下将会形成合闸弹振。而在超程过大的情况下，机构合闸动作出力过大，设备做功条件将难以保证合闸动作的可靠性;
(3)开距:开距指的是高压断路器分闸条件下，动静触头之间的最小距离。开距条件与断路器的性能相关，合理增加开距能够提升设备绝缘水平，而合理减小开距则能够增加设备机械寿命。
1.4高压断路器温度信号
高压断路器在运行过程中，承载着系统的负荷电流，尤其在电路发生故障的情况下，更需要承载过载与短路等异常电流，这部分异常电流值较大，通过断路器时，将在内部电阻元件中形成发热效应，形成温度上升，并进一步加大电阻而产生电能热损耗。在温度过高的情况下，高压断路器及开关柜附属设施将可能形成绝缘击穿与热损坏等严重事故。针对高压断路器温度信号的测量通常通过红外线测试设备获取，以断路器触头与其他部分的温度在规定的范围值。表1为高压断路器触头等温度极限条件。
2高压断路器在线监测与故障诊断
2.1在线监测与故障诊断的基本过程
现有的高压断路器在线监测与故障诊断系统流程如图2所示。各基本单元特征如下:
图2 在线监测诊断系统框图
(1)信号变送:高压断路器在线监测环节的信号变送，其信号获取由相应传感器完成。高压断路器工作条件下的多种目标信号并未可直接测量点电信号，借助传感器实现原始信号与可测量电信号之间的转化，以此表征断路器元器件的工况条件，信号传送至后续单元进行处理;
(2)信号的采集及预处理:传感器传递出的电信号在测量前，需要进行一定的信号调制，通过放大、过滤以及隔离等方法，实现信号噪声的处理，提高信噪比，获得便于分析处理的信号。在完成信号采集与预处理后进行采集、转换与存储，以此保证数据采集设备工作过程的精确性;
(3)信号传输:前期信号采集及预处理后，高压断路器元件信号通过信息传输通道传送到后续单元进行处理;
(4)数据的处理和诊断:信号接收设备接收到采集设备传输的信号后，对信号进行二次处理，通过滤波、平滑处理等方法进一步提升信噪比，便于数据和信息的诊断处理。诊断系统对数据进行计算、比较以及分析后，对设备状态进行评估，对设备故障进行诊断。
以上在线监测与故障诊断过程通常划分为3大部分，在上图1中体现为信号变送系统、信号采集系统以及处理和诊断系统。其中，信号变送系统靠近高压断路器现场，数据采集系统在设备附近，而处理和诊断系统则在主控室内。
2.2高压断路器故障诊断方法分析
(1)基于解析模型的方法
基于解析模型的高压断路器故障诊断，主要通过观测器与滤波器获取相应参数，借助等价方程与参数模型形成故障诊断体系，基于判断标准对设备信号参数模型结果进行评级，实现设备故障评估与诊断。基于解析模型的高压断路器诊断方法适用于较为复杂的电力系统，呈现出较为明显的滞后性、强耦合性以及参数时变等特性。
(2)基于知识的方法
基于知识的高压断路器故障诊断是建立在解析模型方法基础之上的故障诊断形式，这种方式更具开放性，不按照特定的标准评估设备工况，从面向对象的角度按照设备症状与定性模型对高压断路器设备状况进行诊断。当前基于知识的高压断路器故障诊断依然处于发展与成熟阶段，在部分复杂故障诊断中发挥的特殊的作用，而日常应用依然存在一定的不足。
(3)基于信号处理的方法
基于信号的高压断路器故障诊断，主要是通过数值计算对断路器工况信号进行综合性的分析，借助计算机或专业处理设备进行信号综合、变换、估值与识别，按照信号处理结果判定设备故障条件。这一方法的应用基础为传感器技术与信息处理技术，具有较高的综合性诊断特征。当前主要应用的诊断方法包括:傅里叶分析法(FFT)、小波分析法、谱分析法和相关分析法等。
3基于高压断路器在线状态监测系统研究
3.1高压断路器在线状态监测系统功能单元
高压断路器在线监测系统的基本功能单元主要包括以下几类:传感器、单片机系统、数据通讯系统、上位机监测控制系统等。各功能单元具体特征如下:传感器:将高压断路器内部构件监测目标信号转换成电气量;
单片机系统:在线监测系统中，单片机系统根据传输信号完成基本的控制动作，主要功能包括A/D转换模块、MCU，SPI接口、UAＲT接口等。
通讯系统:线监测系统中进行信息传输通过现场总线技术完成，现场总线实现单片机系统和上位机系统之间的数据传输，常见的现场总线通讯系统有ＲS－485和CAN。上位机:经过通讯系统接口接受下位机上传的信息，通过编码进行设备工况判断，并根据诊断结果进行系统报警，并通过通讯接口向下位机发送命令、时钟、定值、数据等。高压断路器在线状态监测系统硬件详细的框图如图3所示。
图3 高压断路器在线状态监测系统硬件组成
3.2高压断路器在线状态监测系统功能电路
(1)分、合闸线圈电流的采集电路
图4 线圈电流信号的滤波电路
高压断路器分、合闸线圈电流的采集电路的关键器件为电流传感器，采集电路的电流信号(0－1OOmA)，通过测量电阻Ｒ，将电流信号转换成O－5V的电压信号，经二阶有源滤波电路低通滤波后被送入单片机A/D转换引脚，进行数据采集。采集电路数据处理后，通过通讯总线进行传输完成单片机与上位机之间的信息传递，最后由上位机测绘出与分、合闸线圈电流相关的波形数据曲线，并进行分析。图4为分、合闸线圈电流的采集滤波电路。
(2)动触头行程信号的采集
动触行程信号采样通过位移传感器进行采集，采用微电子技术将电测回路全部封装于壳体内，装置采用DA高精度系列传感器，根据不同形式的断路器选择不同测量范围的传感器［13］。比如lOkV真空断路器的行程一般不大于20mm，即可选择DA－20型LVDT传感器。
(3)三相主回路相电流的采集电路
高压断路器合闸计算以及分闸不同期问题的判定，以三相主回路相电流的采集为标准，合闸计算时间以三相主回路均有电流为标准。采样模式为交流，一次侧电流CT输出通过传感器变换形成±5mA的弱电信号，借助电位调节器获得输出幅值为0－2V的双极交流电压信号。该信号经滤波放大及电压提升电路滤波放大后变换成了适合单片机处理的0－4V单极性信号。
(4)开关量的输入信号采集
开关量信号输入由键盘和转换接点位置两部分构成，当中的键盘输入可通过单片机进行，而转换接点位置信号则需要通过隔离装置进行。转换接点实际变位量需要与单片机的检测环节相互隔离，为了保证整个装置采集工作的可靠性，采用光电祸合器以隔离输入回路中的辅助接点与单片机的采集电子元件。输出信号接至单片机中断引脚。断路器的辅助接点与单片机的接口电路如图5所示。
图5 断路器的辅助接点与单片机的接口电路
(5)实时采样转换与数据存储扩展
高压断路器信号采样需要保证较高的实时性，需要动态化获取高压断路器合、分闸线圈电流、触头行程、三相相电流等特征进行数字化模拟，并存入存储设备。设备工况参数采样过程以时间为顺序，全面展示高压断路器性能条件波形。
在此过程中，高压断路器在线监测系统工作过程中采集到的信息规模较大，单纯依靠系统内置的单片机存储空间难以满足数据存储需求，需要通过外部拓展进行存储。通常高压断路器在线监测系统在扩展外部数据存储器需占用单片机的I/O接口，可对单片机外部数据存储器的扩展通过采用静态ＲAM来实现，选用2片6264芯片扩展ＲAM。
4结语
综上所述，电网智能化建设对于电力系统设备运行与调控提出了新的要求，借助在线监测技术实现系统的动态化、实时性状态检测与控制成为了电力输配送工作的主要内容与形式。在当前的高压断路器运行环境中，采用在线监测技术能够及时有效的获取设备状态信息，对可能存在的故障与隐患进行准确的分析评估，确保不同工况条件下的线路与设备的正确切投，为电力系统提供更为有效的保护。
参考文献：
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论文作者:陈钢
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/22
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