高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇 濤，梁 凱，李 強(qiáng)，張金波

（1.國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司，河南 商丘476000；2.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

1 引言

GIS高壓隔離開關(guān)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中起到切換線路及保護(hù)作用，要求必須有足夠的開斷距離，其操作性能對電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性有很大影響[1-2]。為了減小體積，目前使用SF6氣體進(jìn)行電氣絕緣，然而由于GIS隔離開關(guān)在生產(chǎn)、加工和安裝等方面可能存在疏漏，慢慢會使SF6氣體發(fā)生泄漏[3-8]，將會導(dǎo)致GIS內(nèi)部絕緣故障。為此，提出了一種GIS高壓隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置。該裝置通過監(jiān)測隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)電流情況，間接獲得電機(jī)輸出的扭矩，通過角位移傳感器獲得機(jī)構(gòu)所處位置，從而判斷隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況。通過SF6氣體泄漏檢測傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測GIS設(shè)備SF6氣體泄漏情況，保障隔離開關(guān)安全運(yùn)行。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段各GIS廠家對隔離開關(guān)的動作狀態(tài)判定依靠的是一種間接判斷，即通過操作機(jī)構(gòu)指示針或指示燈判斷刀閘是否運(yùn)動到位，而不能直接觀察到操作機(jī)構(gòu)動作的具體情況。在判定過程中，隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動和傳動部件材質(zhì)的不良將直接導(dǎo)致誤判，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的電力安全事故。大多數(shù)指示牌裝設(shè)在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部，安裝難度大；而對于安裝位置較高的情況，更增加了位置觀察難度，當(dāng)合閘指示牌發(fā)生傾斜便難以區(qū)分操作機(jī)構(gòu)是否到位[9-11]。如圖1所示為隔離開關(guān)采用指示針標(biāo)定動作狀態(tài)的實(shí)例。

圖1 采用指示針標(biāo)定動作狀態(tài)

3 工作原理

針對傳統(tǒng)式設(shè)計(jì)的不足，在新設(shè)計(jì)中采用電流分析法對GIS隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測，利用角位移傳感器對隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)位置進(jìn)行判斷，最終利用激光原理和雙光束技術(shù)對SF6氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測。

1)電流分析法

采用電流分析法對GIS隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測，需要用到如下公式：

其中，T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；KT為比例系數(shù)；φm為氣隙磁通；I為電機(jī)電流。

設(shè)計(jì)采用20A:1A電流互感器對電機(jī)線圈電流進(jìn)行監(jiān)測，獲得電流-時(shí)間曲線，并繪制+5%包絡(luò)線，如圖2所示。根據(jù)電流-時(shí)間曲線及其包絡(luò)線可判斷隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)是否存在卡澀、斷桿、刀口不到位等故障。

圖2 電機(jī)線圈電流-時(shí)間曲線及包絡(luò)圖

2)角位移傳感器

隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度可以獲得操作機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度。通過角位移傳感器采集的數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確地判斷出隔離開關(guān)所處位置是隔離位、接地位還是中間位

3)激光雙光束技術(shù)

GIS隔離開關(guān)為了減小體積，采用SF6氣體進(jìn)行絕緣。對于SF6氣體緩慢泄漏現(xiàn)象，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，泄漏達(dá)到一定的濃度值時(shí)，會減少隔離開關(guān)絕緣特性，對進(jìn)入該環(huán)境的檢修人員的人身安全與健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。目前SF6氣體泄漏檢測有紫外線電離、高頻振蕩無極電離、電子捕獲和鉑絲熱電子發(fā)射及負(fù)電暈放電等方法，但上述方法需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)，耗費(fèi)人力物力較多。新設(shè)計(jì)中提出一種基于激光原理和雙光束技術(shù)的方法，利用紅外光譜吸收原理，對SF6氣體泄漏進(jìn)行精確測量。SF6氣體泄漏檢測原理如圖3所示。

圖3 激光雙光束技術(shù)檢測示意圖

輸入光強(qiáng)度IIN、輸出光強(qiáng)度IOUT和氣體濃度之間的關(guān)系為:

式中：αm為摩爾分子吸收系數(shù)；C為待測氣體濃度；L為光源到探測器的距離。又有：

將上述兩式取對數(shù)運(yùn)算得:

式中l(wèi)n(Imin/Irin)是定值,因此通過測量Imout和Irout，即可得到待測氣體濃度。

4 硬件設(shè)計(jì)

GIS高壓隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置通過12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7490采集電流信號，其原理框圖如圖4所示。

圖4 整體原理框圖

電流采集電路采用12位AD芯片AD7490，其采用頻率為1M。為保證芯片采樣與實(shí)際隔離開關(guān)動作的同步性，使用微處理器控制AD7490片選信號CS，在機(jī)構(gòu)動作時(shí)，可以瞬間打開AD7490進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，采用AD780芯片為AD7490芯片提供一個(gè)穩(wěn)定的5 V基準(zhǔn)電壓，保證采樣基準(zhǔn)電壓不會波動。由于電流互感器二次側(cè)輸出為交流電流信號，為此需要通過整流濾波及采樣電阻將交流電流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，且二者之間存在一一對應(yīng)關(guān)系，滿足AD芯片采集的要求。SF6氣體傳感器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。經(jīng)過微處理器的處理運(yùn)算，可最終換算出氣體濃度值。

圖5 SF6氣體傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖

為保證在線監(jiān)測裝置接收隔離開關(guān)動作信號與數(shù)據(jù)采集的同步性，隔離開關(guān)分合閘控制命令由中間繼電器輸出端直接與光耦電路輸入端連接。當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行分合閘操作時(shí)，光電隔離電路會同步給微處理器發(fā)送同步低電平信號，此時(shí)微處理器開始采集電流及角位移信息。由于隔離開關(guān)不同廠商分合閘輸出接點(diǎn)不同，為了使在線監(jiān)測裝置能適應(yīng)不同廠家不同接點(diǎn)方式，在設(shè)計(jì)中采用短路帽進(jìn)行選擇接點(diǎn)是常閉觸點(diǎn)還是常開觸點(diǎn)。光耦隔離電路如圖6所示。通過短路帽短接電阻R1或者R2，從而現(xiàn)實(shí)一個(gè)裝置適應(yīng)多種隔離開關(guān)信號輸入。

圖6 光耦隔離電路

5 軟件設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測裝置軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示，通過對光耦信號實(shí)時(shí)檢測分合閘命令，檢測到分合閘命令，即接地位→隔離位信號或者隔離位→接地位信號輸入時(shí)，同步進(jìn)行AD采集，通過對電流信號及角位移信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將電流-時(shí)間曲線和角位移-時(shí)間曲線均繪制在顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲在本機(jī)SD卡中，方便歷史查詢。在線監(jiān)測裝置還可實(shí)時(shí)監(jiān)測SF6氣體濃度，所有數(shù)據(jù)可通過有線或無線方式發(fā)送到后臺監(jiān)控中心。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先對SF6氣體泄漏測量精度進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。采用測量標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的方法，溫度變化對傳感器影響很小。六氟化硫測量范圍為0～1500ppm，精度為±50ppm。將GIS高壓隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置安裝在某供電公司220 kV高壓隔離開關(guān)上進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 電流-時(shí)間及角位移-時(shí)間關(guān)系實(shí)測曲線

圖中深色曲線為電機(jī)電流的包絡(luò)線，為高壓隔離開關(guān)在第一次投運(yùn)時(shí)，使用本裝置采集電流信號的+5%繪制的電流-時(shí)間曲線。若電流-時(shí)間曲線偏離且高于初始電流-時(shí)間曲線,則表明隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)存在卡澀現(xiàn)象，通過行程-時(shí)間曲線可判斷大致機(jī)構(gòu)卡澀的位置；若曲線消失，說明存在線圈斷線現(xiàn)象；若曲線右移，表明運(yùn)動時(shí)間加長會導(dǎo)致速度降低。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，裝置將進(jìn)行故障報(bào)警。

7 結(jié)束語

按照本設(shè)計(jì)制造的GIS高壓隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測裝置，已經(jīng)在某供電公司220kV隔離開關(guān)上投入使用使用，當(dāng)GIS高壓隔離開關(guān)出現(xiàn)機(jī)械故障及SF6氣體泄漏時(shí)，能夠通過通信模塊發(fā)送到后臺監(jiān)控中心進(jìn)行故障報(bào)警。本裝置可實(shí)現(xiàn)高壓隔離開關(guān)故障提前預(yù)警，對保障供電安全具有重要的意義，節(jié)省大量人力物力。