環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測設(shè)計

徐銘輝 翟停停 蔣成博 郭亞楠 徐子炎

摘 要：【目的】對配電網(wǎng)系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究，滿足電力系統(tǒng)設(shè)備智能化、數(shù)字化功能需求?！痉椒ā糠治霏h(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案及元器件構(gòu)成，分析傳感元件融合開關(guān)，選擇非直接嵌入方式感知數(shù)據(jù)，對適合機(jī)械特性監(jiān)測的傳感器規(guī)格進(jìn)行選型設(shè)計。【結(jié)果】完成適用于環(huán)網(wǎng)開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的傳感器選型，實現(xiàn)傳感器與本體融合設(shè)計?！窘Y(jié)論】該融合方案滿足環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備傳感器測量曲線狀態(tài)數(shù)據(jù)需求，為環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜工程設(shè)計人員對機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測設(shè)計提供思路。

關(guān)鍵字：智能化；機(jī)械特性；在線監(jiān)測；傳感器

中圖分類號：TM591? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0006-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.001

Abstract： [Purposes] The on-line monitoring technology of mechanical state of ring network switch equipment in distribution network system is studied to meet the intelligent and digital functional requirements of power system equipment. [Methods] This paper analyzes the design scheme and component composition of on-line monitoring system for mechanical state of ring network switch equipment， studies the fusion switch of sensing element， selects the indirect embedding method? to sense data， and designs the sensor specifications suitable for mechanical characteristic monitoring. [Findings] The sensor selection suitable for the ring network switch operating mechanism is completed， and the fusion design of sensor and body is realized. [Conclusions] The fusion scheme meets the needs of the sensor measurement curve state data of the ring network switch equipment， and provides ideas for the engineering designers of the ring network switch cabinet in the online monitoring design of mechanical characteristics.

Keywords： intelligence; mechanicalcharacteristics; online monitoring; sensors

0 引言

在配電網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域中，環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于城市配電網(wǎng)中，存在點多面廣、運行環(huán)境復(fù)雜、運維困難等問題。設(shè)備智能化、數(shù)字化是能有效解決該問題的一種措施，機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測可有效判斷操動機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)［1］，其性能的可靠性將直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。據(jù)統(tǒng)計，有一半以上的配電斷路器故障是由機(jī)械特性不良造成的［2］，由拒分、拒合、分閘速度變小、合閘彈跳變大等造成的損失（如引起其他電力設(shè)備的損壞或電力系統(tǒng)停電）要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過斷路器自身價值。因此，應(yīng)采用相關(guān)手段對機(jī)械狀態(tài)特性進(jìn)行有效監(jiān)測［3-4］，確保開關(guān)斷路器操動機(jī)構(gòu)能健康穩(wěn)定運行，保證配電系統(tǒng)安全可靠。

1 開關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測要求

具備工程應(yīng)用條件的環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備在出廠時，要對操動機(jī)構(gòu)進(jìn)行壽命測試（測試開關(guān)機(jī)構(gòu)的分合閘速度、分合閘時間、合閘彈跳、分閘反彈、行程及超程等），要分合50次不出現(xiàn)參數(shù)異常變化［5］。這些參數(shù)必須在技術(shù)要求范圍內(nèi)，才能判定該開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性合格。某環(huán)網(wǎng)柜出廠機(jī)械性能試驗數(shù)據(jù)和項目見表1。在線狀態(tài)測試要同時滿足出廠離線狀態(tài)測試要求，為達(dá)到預(yù)期效果，環(huán)網(wǎng)開關(guān)要融合多種傳感設(shè)備，根據(jù)開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的特點，可在分閘線圈、合閘線圈、儲能電機(jī)、分閘彈簧、合閘彈簧、超程彈簧、運動大軸上預(yù)留傳測位置。一般情況下，機(jī)構(gòu)所用的彈簧比較穩(wěn)定，其發(fā)生失效、疲勞的可能性較小，綜合考慮配電領(lǐng)域的成本、融合難度等，可暫緩對其進(jìn)行在線監(jiān)測。本研究對分閘線圈、合閘線圈、儲能電機(jī)、運動行程進(jìn)行實時監(jiān)測，再加上其他信息，可實現(xiàn)對開關(guān)機(jī)械特性的在線監(jiān)測。

2 機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測設(shè)計

對環(huán)網(wǎng)開關(guān)操動機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計時，要考慮機(jī)構(gòu)關(guān)鍵可監(jiān)測零部件的主要功能，做到有的放矢，還要注意傳感器與開關(guān)本體的融合不影響其本體性能。根據(jù)數(shù)據(jù)類型和傳感器結(jié)構(gòu)特點來選擇傳感器，才能實現(xiàn)傳測信息高精度、高可靠。

2.1 環(huán)網(wǎng)開關(guān)的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測單元

環(huán)網(wǎng)開關(guān)操動機(jī)構(gòu)中使用傳感器測量的重要數(shù)據(jù)單元可分為兩部分。一是電氣信號部分。當(dāng)分閘回路導(dǎo)通時，分閘線圈上的電產(chǎn)生電磁力，動鐵芯運動撞擊操動機(jī)構(gòu)的分閘掣子，分閘掣子的半軸機(jī)括擊發(fā)［6］，分閘彈簧和超程簧（又稱觸頭壓力簧）釋放力量完成分閘，分閘過程中可實時監(jiān)測分閘線圈電流信號的情況（線圈電流流過時間、大小、峰谷值時刻等）；合閘電磁鐵與分閘電磁鐵的工作原理一樣，需要實時監(jiān)測的參數(shù)也相差無幾；儲能電機(jī)是操動機(jī)構(gòu)的能量基礎(chǔ)［7］，儲能回路導(dǎo)通后，電機(jī)轉(zhuǎn)動傳遞給合閘彈簧后使其儲能，電機(jī)在儲能過程中的電流狀態(tài)、儲能時間、電流幅值等可實時監(jiān)測；開關(guān)主回路通斷是指在合閘、分閘過程中主回路的導(dǎo)通情況，可從環(huán)網(wǎng)開關(guān)的電流互感器二次側(cè)來監(jiān)測數(shù)據(jù)，可監(jiān)測開關(guān)分閘、合閘的關(guān)鍵時間節(jié)點。二是機(jī)械行程信號部分，主要是開關(guān)的行程情況，可用傳動大軸的轉(zhuǎn)動角度及觸頭的直線位移來表征，一般的觸頭直線位移傳感器安裝不方便，且距離高壓回路比較近，將測量到的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為傳感器觸頭直線位移是比較不錯的方法。某環(huán)網(wǎng)柜操動機(jī)構(gòu)如圖1所示。

2.2 機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測傳感器選型設(shè)計

由2.1可知，用于在線監(jiān)測感知開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的傳感器有三類，即直流電流感知傳感器、交流電流感知傳感器、位移信號感知傳感器［8］。用穿心式霍爾傳感器來獲取直流電流信號，可用來監(jiān)測分合閘線圈、儲能電機(jī)，分合閘線圈在開關(guān)正常情況下的額定運行時間在50 ms內(nèi)，其峰值電流約為4.5 A，儲能電機(jī)正常儲能時間約為15 s、峰值電流約為13.5 A。交流傳感器主要用于檢測開關(guān)柜電流互感器二次側(cè)電流，檢測范圍為0～10 A。為檢測其精確性，采樣精度要稍微高一點，所有傳感器的驅(qū)動電源電壓為48 V，滿足環(huán)網(wǎng)柜直流電源要求。角位移傳感器作用在旋轉(zhuǎn)大軸上，某環(huán)網(wǎng)開關(guān)分合閘一次，旋轉(zhuǎn)角度在50°內(nèi)。機(jī)械特性傳感器選型參數(shù)規(guī)格和數(shù)量見表2。

2.3 機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測傳感器與本體融合設(shè)計

對開關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測進(jìn)行設(shè)計時，首先，保證傳感器能與開關(guān)本體融合，且不影響其本身的電氣性能、機(jī)械性能［9］，采用非嵌入或非侵入的方式。其次，傳感器與開關(guān)設(shè)備的使用壽命匹配也是亟須解決的問題。為滿足電子傳感設(shè)備與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備使用壽命統(tǒng)一的要求，在保證傳感器傳測量精度可靠的前提下，要滿足可更換和易更換的要求。因此，圍繞上述兩個關(guān)鍵點對機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測傳感器位置進(jìn)行設(shè)計。①電氣信號部分。分合閘線圈、儲能電機(jī)用傳感器采用的是穿心式設(shè)計，電氣回路穿過霍爾傳感器，且不影響電氣回路的功能，同時為了不影響分合閘、儲能回路電源擾動，霍爾傳感器采用獨立電源設(shè)計。針對主回路電流互感器二次側(cè)電氣信號測量，根據(jù)實際工程情況，要在現(xiàn)場安裝環(huán)網(wǎng)柜的電流互感器。因此，主回路監(jiān)測電流信號采用開啟式卡扣交流霍爾傳感器。②行程信號監(jiān)測部分。根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)及操動機(jī)構(gòu)的布置方式，可分為兩種結(jié)構(gòu)。一種為接觸式結(jié)構(gòu)，即角位移傳感器與旋轉(zhuǎn)大軸通過聯(lián)軸器連接在一起，大軸旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)生角位移信號，該方式較為直觀和簡單，但在大軸旋轉(zhuǎn)次數(shù)較多時，會引起松動，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)信號誤差較大，另外在拆卸時也會遇到困難。另一種為非接觸式結(jié)構(gòu)，非接觸式角位置傳感器不與旋轉(zhuǎn)大軸直接接觸，避免大軸轉(zhuǎn)動引起安裝不牢而產(chǎn)生誤差，也方便拆卸和安裝。因此，設(shè)計方案采用非接觸式角位移傳感器，在大軸外圍設(shè)計裝配工裝，既滿足工程項目過程中的拆卸要求，又滿足傳感器更換需求。傳感器融合設(shè)計安裝如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測處理方法

通過傳感器來實時測量操動機(jī)構(gòu)在工作中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)擬合處理成精度較高的目標(biāo)曲線，提取目標(biāo)曲線中的關(guān)鍵參量，進(jìn)行綜合評估和判斷。判斷依據(jù)《3.6 kV-40.5 kV智能交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備》（NBT 42044—2014）中的相關(guān)參數(shù)［10］，選取分合閘速度、合閘電流值和時間、儲能電機(jī)時間和電流值、行程曲線等。

3.1 環(huán)網(wǎng)開關(guān)分合閘速度、分合閘線圈電流值和時間監(jiān)測

分合閘速度曲線是通過角位移曲線折算出直線位移，結(jié)合交流霍爾傳感器開斷點信號，精準(zhǔn)擬合出的。以合閘曲線為例，與離線試驗裝備測試的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示，可判斷分合閘速度異常情況。A點為移開6 mm距離時的位置，B點為觸頭閉合點，C點為主回路電流剛接通位置?？赏ㄟ^角位移傳感器來計算A點位置，并標(biāo)定時間TA，C點位置時刻即TB點確定時間，結(jié)合AB信號可計算出運動距離LAB。合閘速度見式（1）。

V合的大小只要在表1的范圍內(nèi)，即可判斷該開關(guān)操動機(jī)構(gòu)合閘狀態(tài)正確，反之則有可能存在故障情況。分閘曲線亦然，對標(biāo)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

分合閘線圈電流曲線為馬鞍形，電磁鐵在吸合過程中，分合閘線圈中的電流會不斷變化，線圈的電流波形中含有很多信息，如鐵芯運動機(jī)構(gòu)有無卡滯、脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動情況和線圈的狀態(tài)（如電阻是否正常）及與鐵芯頂桿連接鎖門和閥門的狀態(tài)。開關(guān)分合閘線圈電流中也包含很多開關(guān)機(jī)械狀態(tài)的信息。分合閘電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖4所示，分合閘線圈電流曲線如圖5所示。

由圖5可知，t0為執(zhí)行分/合命令時刻，線圈開始通電，是整個分/合動作的起始點；t1為鐵芯開始運動時刻，但實際上鐵芯始動時刻要略早于t1；t2為鐵芯停止運動的時刻；t3為斷路器的輔助觸點切斷時刻，電流開始減小，直到t4時刻電流減為0，整個動作結(jié)束。此外，波形中的i1、i2、i3為t1、t2、t3時刻的電流值，既反映出電源電壓、線圈電阻及電磁鐵鐵芯的運行速度，也可用來分析動作。根據(jù)開關(guān)分/合閘線圈電流的錄波信息，分析分合閘的時間t1、t2、t3及對應(yīng)時刻的電流，判斷開關(guān)操作機(jī)構(gòu)是否正常、是否存在卡阻及性能下降現(xiàn)象，如對比標(biāo)準(zhǔn)曲線t2時間前移為t2'，可初步判斷是由分合閘半軸卡滯造成的，具體問題還要具體分析。

3.2 儲能電機(jī)電流信號監(jiān)測

彈簧操動機(jī)構(gòu)斷路器功能的實現(xiàn)在很大程度上取決于儲能電機(jī)的工作狀態(tài)［11-12］。當(dāng)斷路器完成合閘動作后，儲能回路接通，彈簧開始做功，以儲存分/合閘所需的能量。儲能電機(jī)的電流信號波形如圖6所示。

由圖6可知，T1時刻，儲能電機(jī)接到上電指令，電機(jī)開始無負(fù)載啟動；T2時刻，電機(jī)無負(fù)載轉(zhuǎn)動，這是因為儲能電機(jī)的電能還未轉(zhuǎn)化為彈簧機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，電流從T2時刻開始趨于平穩(wěn)；T3時刻，儲能電機(jī)開始釋放能量，拉動合閘彈簧做功，彈簧的剛度狀態(tài)和儲能軸的潤滑度可根據(jù)這一段曲線得到。對比標(biāo)準(zhǔn)曲線，繪制其曲線的包絡(luò)線，如果電流測量的誤差不大于±2.5%、時間測量誤差不大于0.5 s/次，儲能電機(jī)狀態(tài)正確，反之則發(fā)生故障。

4 結(jié)語

對環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的操動機(jī)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測進(jìn)行設(shè)計，完成適用于環(huán)網(wǎng)開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的傳感器選型，實現(xiàn)傳感器與本體融合設(shè)計，該融合方案既能精準(zhǔn)監(jiān)測開關(guān)在動作過程中的狀態(tài)參量，又不影響開關(guān)本體的電氣、機(jī)械性能，基本滿足開關(guān)機(jī)械操動機(jī)構(gòu)的需求，對傳感器測量曲線的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)解釋，為環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜工程機(jī)械特性在線監(jiān)測方面的設(shè)計提供思路。

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收稿日期：2022-11-22

基金項目：平高集團(tuán)有限公司科技項目“基于狀態(tài)感知數(shù)據(jù)邊緣處理的12kV開關(guān)柜和環(huán)網(wǎng)柜研究”（PGKJ2020-043）。

作者簡介：徐銘輝（1988—），男，本科，工程師，研究方向：配電網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)。