真空断路器在线监测系统研究

【关键词】真空断路器 机械特性 在线监测 断线监测

真空断路器是中压输配电网络中最为关键的执行器，断路器的常见故障包括拒分、拒合、绝缘、开断故障，导致故障的原因主要包括3个方面：

（1）控制系统异常，控制回路断开或脱扣器运动异常，储能系统运行异常；

（2）机械结构异常，机构失灵、卡涉；

（3）一次绝缘部件异常，真空度下降，绝缘部件性能降低，导致击穿。

断路器故障对电力系统的稳定运行具有非常重要的影响，如果在需要断路器动作时，断路器不能按照要求正常动作，导致的后果一般是灾难性的，会带来巨大的物质、经济损失。为此，国内外的电力主管部门对断路器系统的在线监测一直比较重视；近年来，由于电子、软件和传感器技术的发展，断路器的在线监测系统也日趋成熟，功能、精度和性能也得到了较大的提升。断路器系统是一个复杂的机电耦合的系统，对其进行全面监测和诊断涉及的技术非常广泛；在低压侧，断路器有储能回路、分合闸脱扣回路，在高压侧有活动连接、真空绝缘结构、环氧绝缘结构；此外，还具有复杂的机械系统，不但瞬时运动速度高，力和力矩大，而且对运动精度要求高。为了全面监测断路器的运行状态，需要通过对多种物理参数的实时测量和在线分析计算，才能准确反映和预测设备的运行状态，才可为断路器的操作、检修提供可靠的、全面的技术依据。

综合国内外对断路器系统的研究成果，目前对断路器系统地监测和诊断主要包括如下方面：

（1）控制回路的连续性监测，实时监视控制回路的连接线和控制电源是否正常，在控制回路断开时，可以提前发出报警提示。目前的技术方案主要是在控制回路的适当位置并联一个高阻抗的支路，使一个较小的电流穿过整个控制回路（分闸、合闸和储能），如果控制回路断开，电流不能形成回路，即可发出报警信息；上述监测电路设计的关键在于选择合适的电流和并联接入点。监测电流的幅值应足够小，不能导致电执行器产生动作。

（2）控制回路的波形监测，即在断路器每次动作时（分闸、合闸、储能），记录和分析控制回路的电流和电压信号，分析电信号的波形以判断控制电路及所控制的驱动装置（脱扣线圈或储能电机）是否工作正常；目前发展成熟的技术主要针对直流的控制回路具有显著效果，可以识别出脱扣机构的摩擦力、驱动力，线圈的阻抗、感抗等参数，也可以对比历次动作波形之间的差异并预测以后的动作趋势。针对储能机构，可以识别驱动电机、储能机构、储能弹簧的异常状态。

（3）机构的运动特性监测，通过配置适当的位移、力和振动传感器等，可以测量出断路器动作过程中的分/合闸速度、开距离、动作时间、行程、振动频谱等参数。如果配置力传感器，还可以测量断路器机构中关键位置的作用力（如合闸状态下的闭合力等）。

（4）真空度监测，主要通过放电现象、电场梯度变化、离子电流、气压等方式直接或间接地判断真空灭弧室内的真空状态，目前还没有真正成熟、稳定、准确的测量方案。相关技术都在发展过程中。

（5）绝缘监测，主要监视断路器一次回路绝缘部件的绝缘性能，目前提出的方案包括泄漏电流法、局部放电法，由于断路器绝缘部件结构复杂，相关的监测系统较难实现准确性和实用性的良好结合。

（6）活动连接部位的可靠性监测，目前较为成熟的方案是通过监测断路器上下触头的接触未知的温度，从而间接地反映上述未知的接触电阻。所采用的技术多种多样，其中包括光纤测温法、声表面波测温法、红外测温法、一次回路取电和无线通信的接触式测温法等。上述方案各有优劣，适用性与断路器的实际结构有很大关系。

针对国内外与断路器在线监测有关的各项技术，从技术成熟度、技术复杂性和准确性三方面可总结如表1所示。

1 真空断路器在线监测系统的结构

在综合分析国内外断路器监测系统结构、功能和实现方案基础上，本文提出如图1所示的在线监测系统的结构。该结构直接集成了目前成熟稳定的监测技术方案，并具有较好的可扩展性，可以根据用户需求集成、扩展新监测功能。

在上述结构中，系统核心由两个STM32系统组成，控制回路波形采集和分析单元主要实现位移、力、控制线圈电流波形的采集和实时分析。断路器监测系统对电流波形和曲线的采样频率要求较高（一般10KHZ以上），同时还需要实时分析和计算波形参数，从采集的波形数据中得到分、合闸时间、分合闸速度、开距、超行程等参数，需要通过电压和电流波形分析控制回路的当前状态；为了完成上述的计算和分析任务，数据处理单元需要配置较大的数据缓冲区，完成一系列较为复杂的分析算法。为了使波形监测和分析过程不影响外部的通信、人机接口操作的实时性，所以系统中配置了专用的控制回路波形采集和分析单元。在分析和计算完成后，控制回路波形采集和分析单元通过并行接口将曲线和分析计算结果发送到主监测单元，并由主监测单元存储或显示。

主监测单元完成人机接口管理，监视和响应用户操作；实现数据的存储和读取；同时完成与其他IED装置或上级系统的通信，通过网路将状态参数和曲线传输到上级系统。

为了保证系统具有良好的可扩展性，可以根据用户的特殊需求接入真空监测单元、振动分析单元等功能模块，在主监测单元上配置了一路RS422/RS485通信接口，支持符合上述接口和标准MODBUS协议的监测单元的接入。

2 数据采集流程设计

为了实现可靠的状态监测，断路器动作过程中，数据处理单元需要同时采集到3组位移数据、3组触头的接触力数据、1组分闸和合闸数据。

为了快速准确地识别出断路器系统是否有动作以及动作的方式（分闸或合闸）；数据处理单元需要一直采集和监视上述通道的数据，并根据一定的判据识别出动作开始的信号，并从动作开始时刻起，持续地截取一段时间内的波形数据。时间内的长度应当完整覆盖断路器的一次动作过程，即应大于从断路器控制回路得电到完成控制动作的时间。

在动作判据的选择方面，控制回路的波形数据在电动操作方式下可以作为有效的依据，当控制回路出现了一定幅值的电流波形时可以确认断路器正在执行某种动作。但是上述判据在手动分合闸时是无效的，此时应采用触头位移或位移变化作为判据较为可靠。

此外，在断路器动作曲线的捕获过程，不论采用何种判据，在判据有效时，断路器的动作已经开始了一段的时间，为了获取完整的动作曲线，应当在监测到有效判据时将此前一段时间的动作波形补回。

断路器数据采集采用STM32的DMA中断方式实现，设置采样频率为10KHZ，多通道同步数据采集，截取波形数据的时间长度为120毫秒（其中前20毫秒为监测到动作触发信号后补回的数据）。断路器数据采集相关的处理流程如图2所示。

上述流程中，DMA初始化过程的程序如下：

3 信号分析和处理流程设计

在完成数据采集后，监测系统必须实时计算和分析采集的波形数据。断路器动作过程中位移和控制电流曲线的基本关系如图3所示。但是在图3中，刚分刚合点的位置是无法直接测量的，需要以力传感器为基础，通过信号处理的方法才能确定其位置，这也是断路器机械特性监测的难点之一。

分析处理模块的流程如图4所示。系统首先分析控制线圈电流波形，获取控制回路波形的初始上电时刻，以该时刻作为断路器控制动作的初始时刻。然后依次分析断路器三相的力传感器波形信号，从波形数据中提取出断路器刚分、刚合时刻（该信号分析方法有频域法、时域分析法、微分分析算法等多种方式）。在确定了断路器各相刚分、刚合时刻后，监测系统可以从位移曲线以刚分、刚合时刻为基础，计算分/合闸时间，触头的超行程和总行程。由于本系统中集成了高精度的力、位移和电流传感器，所以可以通过软件算法完成控制回路的状态分析（以分合闸线圈电流为基础），可以直接测量出断路器合闸时的接触压力。

4 CPU单元间数据的并行传输

在如图1所示的监测系统结构中，控制回路波形采集和分析单元采集的数据和分析结果应传输到主监测单元显示、存储或对外传输。为了保证断路器发生动作后数据能以较少的延迟传输到主监测单元，在两个CPU单元间设置了由4根数据线和2根控制线（一根数据有效线，一根数据反馈线）组成的并行传输接口。在数据传输过程中，每次传送4位有效地数据。在发送数据前，波形采集和分析单元读取反馈控制线的状态，如果反馈控制线未翻转，表示前一次发送的数据还没有被取走，不能传输数据；否则，波形采集和分析单元将4位数据放在数据总线上，并使数据有效控制线为高电平，同时使时钟控制线出现一个上升沿。主监测单元通过时钟上升沿触发读取信号中断并读取数据，在数据读出后将反馈控制线状态翻转表示数据已经取走。数据发送侧监测到反馈控制线的翻转表示发送结束并可以开始下一次传输过程。

5 结束语

本文主要分析和设计了中压真空断路器的在线监测系统。为了适应不同用户的监测需求，提出了一种兼顾灵活性和可扩展性的整体架构。

文中对实现上述架构中核心的电路设计和信号分析处理算法模型进行了分析。根据本文研制的断路器监测系统实物如图5所示；监测系统具有可靠性高、实时性强、可扩展性好的特点。上述监测系统在国内广泛使用的多种中压真空断路器中得到了应用，其中包括VS1、VD4（ABB公司）、3AE（西门子公司）等。先后有多个大型工程中有批量的应用，实际工程应用实践表明本文提出的方案具有良好的技术性能。

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