一種基于DSP的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置

0 引言
現(xiàn)代高壓電氣設(shè)備是以高性能、智能化、免維修為發(fā)展趨勢(shì)。電氣設(shè)備從現(xiàn)行的計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變已成為必然趨勢(shì)。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要且數(shù)量巨大的電氣設(shè)備，斷路器發(fā)生故障造成的損失，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出斷路器本身的價(jià)值[1]。為了提高斷路器工作的可靠性，必須采取相關(guān)措施，防患于未然。建立高壓斷路器的狀態(tài)檢修環(huán)節(jié)，可以預(yù)測(cè)故障先兆，克服定期檢修的盲目性，同時(shí)也為制造出智能型的免維修斷路器摸索和積累了資料。本文討論實(shí)現(xiàn)高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的原理和技術(shù)。
斷路器是非常復(fù)雜的電氣設(shè)備，斷路器的劣化涉及到熱、電、機(jī)械、環(huán)境等多方面的因素，雖然對(duì)斷路器的故障監(jiān)測(cè)與診斷已有較長(zhǎng)時(shí)間的研究，但至今仍然沒有一個(gè)完善的、成熟的斷路器壽命評(píng)估模式[2]。目前的斷路器在線監(jiān)測(cè)模式大多采用檔次不高的單片機(jī)作為主控制器，構(gòu)成獨(dú)立的監(jiān)測(cè)裝置。由于單片機(jī)的速度、字長(zhǎng)、擴(kuò)展能力等方面的局限性，存在采樣信號(hào)較少、采集數(shù)據(jù)不足、對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程缺乏記錄、分析精度不高、計(jì)算模型簡(jiǎn)單等問(wèn)題，診斷結(jié)論缺乏說(shuō)服力[2]，同時(shí)存在人機(jī)交互性不夠友好、聯(lián)網(wǎng)能力較差的缺點(diǎn)。
本文認(rèn)為上述問(wèn)題的解決應(yīng)從以下三方面入手：
1) 斷路器監(jiān)測(cè)信號(hào)的合理選擇以及先進(jìn)傳感器的選型與安裝是狀態(tài)診斷的前提與關(guān)鍵；
2) 選用高性能的cpu作為監(jiān)測(cè)裝置的核心，是決定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)條件；
3) 改監(jiān)測(cè)裝置為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用分布式的體系結(jié)構(gòu)，靈活方便，使得智能性、擴(kuò)展性大大增強(qiáng)。
本文提出的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用分布式結(jié)構(gòu)，其中在線監(jiān)測(cè)單元以ti公司的高性能數(shù)字信號(hào)處理器dspvc33作為主控制器，能對(duì)斷路器的眾多關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)數(shù)據(jù)錄波，綜合診斷，具有就地顯示和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)功能，適用于用得較多的少油或多油、六氟化硫（sf6）及真空三大類斷路器。
1 高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目
特征提取是在線監(jiān)測(cè)的首要環(huán)節(jié)，盲目采用過(guò)多的傳感器采集斷路器的狀態(tài)特征既不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)[3]。本文立足于在線監(jiān)測(cè)的實(shí)用化，僅直接提取關(guān)鍵特征，經(jīng)數(shù)學(xué)分析推斷出斷路器的狀態(tài)和性能。在線監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有：
1.1 斷路器觸頭的電磨損
斷路器的每次開斷都會(huì)對(duì)觸頭產(chǎn)生一定程度的損傷，斷路器的觸頭電磨損（又稱電壽命）是斷路器性能的重要指標(biāo)。對(duì)斷路器觸頭電壽命的診斷，實(shí)踐證明僅考慮累計(jì)開斷電流和累計(jì)開斷次數(shù)是不科學(xué)的。合理的辦法是依據(jù)開斷電流的大小，評(píng)估出該次開斷的觸頭磨損量，再累積每次開斷的觸頭燒損量，作為電壽命判別的依據(jù)。 各種型號(hào)的斷路器都可以得知其額定短路開斷電流下的允許開斷次數(shù)，設(shè)額定短路開斷電流下允許開斷次數(shù)為n，定義一臺(tái)全新的斷路器的觸頭相對(duì)電壽命（磨損量）為100%。則每次額定短路開斷電流開斷時(shí)的相對(duì)磨損為1/n，根據(jù)不同斷路器的n-ib曲線，即可求得任意大小開斷電流ib的對(duì)應(yīng)允許開斷次數(shù)nb，則對(duì)應(yīng)的單次開斷的相對(duì)電磨損量為1/nb，這樣可求出任一次開斷時(shí)的相對(duì)電磨損量，也可求出該斷路器的相對(duì)電壽命l=l1- å（1/nb），l1為斷路器電壽命的初始值，是一個(gè)不大于1的百分?jǐn)?shù)，其值由斷路器的運(yùn)行歷史決定，新投運(yùn)的或經(jīng)過(guò)大修后的l1可取為1。根據(jù)以上方法和試驗(yàn)結(jié)果，本文采用的電壽命計(jì)算曲線可在下表的基礎(chǔ)上插值實(shí)現(xiàn)。表中ib為任一次開斷電流，ie為額定短路開斷電流，n為額定短路開斷電流下的開斷次數(shù)，qm為對(duì)應(yīng)開斷電流ib時(shí)的觸頭相對(duì)電磨損量。
表1. 少油斷路器的相對(duì)電磨損公式

表2. sf6斷路器相對(duì)電磨損公式

表3. 真空斷路器相對(duì)電磨損公式

1.2 斷路器的機(jī)械壽命監(jiān)測(cè)
高壓斷路器故障統(tǒng)計(jì)中，故障概率最高的是操作機(jī)構(gòu)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有40%至60%的高壓斷路器的操作事故是由機(jī)械方面的原因造成的[3]。
1.2.1 分合閘線圈電流波形
分合閘線圈電流是表征斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能的關(guān)鍵特征，電流波形中蘊(yùn)含豐富的信息。圖1所示的是一個(gè)典型的斷路器開斷短路電流的跳閘回路電流，t0為分合命令到達(dá)時(shí)刻，t1為鐵芯開始運(yùn)行時(shí)刻，t2代表鐵芯觸動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的負(fù)載后減速或停止運(yùn)行的時(shí)刻，t3可視作開關(guān)輔助a接點(diǎn)斷開線圈電路時(shí)刻，t0-t1與控制電源及線圈電阻有關(guān)，t1-t2的變化表征電磁鐵鐵芯運(yùn)行機(jī)構(gòu)有無(wú)卡澀、脫扣及機(jī)械負(fù)載變動(dòng)情況，t2-t3或t0-t3