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user: 3. 高压断路在线监测系统的实现 3.1. 高压断路器在线监测步骤及要求 由于高压断路器结构的复杂性和故障形式的多样性，目前对高压断路器进行状态识别的研究还比较少，常用的状态识别方法有：阈值比较法和人工诊断法。阈值比较法是以阈值比较和过程统计为基础的简易判断方法，即根据一些简单参数对断路器有无故障及故障严重程度做出判断和区别；人工诊断法即在有经验的专家以及工程技术人员的参与下，对某些特殊类型典型故障的性质、类别、部位和原因做出合理的判断和估计。 本系统对高压断路器的状态监测分为以下四个基本步骤：1) 信号采集高压断路器是机电一体化的开关设备，在运行过程中必然会有光、电、声、热、力等各种物理量的变化，首先选择能表征高压断路器工作状态的多种信号及其相应的传感器，然后由监测装置调理并采集各传感器获取的信号；2) 信号处理及特征参量提取特征参量提取是实现高压断路器状态检修的关键环节，将采集到的信号进行分类处理、加工，提取能表征断路器工作状态的特征参量，特征参量是否满足状态监测的需要依赖于监测装置的数字信号处理能力；3) 状态识别和故障趋势分析将经过信号处理后获得的特征参量与规定的允许参数或判别标准进行比较，从而确定高压断路器的工作状态、是否存在故障以及故障的类型和性质等，同时根据当前监测数据预测状态可能发展的趋势，进行故障趋势分析是，应综合运用专家系统、神经网络、模糊逻辑和人工智能等技术方法制定合理的判别准则和策略，以确保对高压断路器运行状态的准确识别；4) 维修决策根据对高压断路器状态识别和故障分析的结果，决定应该采用的对策和措施，帮助技术人员制定合理的维修计划，从而实现了基于在线监测的高压断路器状态检修。 随着在线监测技术的发展，对于在线监测系统的要求也越来越规范。本文提出的高压断路器在线状态监测系统满足以下要求：1) 系统的投入和使用不应改变和影响电气设备的正常运行；2) 系统能自动地连续地进行监测、数据处理和存储；3) 系统具有自检和报警功能；4) 系统具有较好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度；5) 监测结果具有较好的可靠性和重复性以及合理的准确度；6) 系统具有在线标定其监测灵敏度的功能；7) 系统具有故障诊断能力。 3.2. 断路器在线监测内容 参考国内外同行的研究成果，本文以某变电站N组沈阳高压开关厂生产的 LW12-252型SF6高压断路器为监测对象，并结合无线通信网络和 LW12-252 型断路器的结构特点，采用图1所示的拓扑结构对高压断路器进行在线状态监测。为减少CAN总线通信的数据量，现场监测装置采用以DSP & CPLD为核心设计，可完成一组SF6高压断路器的在线状态监测与故障诊断，其基本结构如图2所示。现场监测装置可连接用于监测高压断路器运行状态的振动温度、位移、开关量、电压电流、SF6气体状态等的传感器，在DSP嵌入式软件的控制下完成高压断路器多项参数的在线监测与故障诊断，监测诊断结果通过CAN总线发送给上位机。现场监测装置利用DSP数据处理能力强的特点，实时处理现场监测数据并将多个测量信号进行融合，把系统运行状态信息转换为设备各功能部件的故障特征信息，大大减少通信数据量以便于系统基于CAN总线的DCS实现。 3.3. 高压断路器主要状态参量监测 3.3.1. 断路器操动机构的角位移监测 高压断路器操动机构的结构如图3所示，在分、合闸的过程中，分、合闸弹簧储能后释放会带动相间拉杆和各相转动轴动作，动触头分、合以实现电力线路的开关。 在图3中的转动轴A、B、C处分别安装图4所示的角位移传感器，监测高压断路器操动机构转动的角位移信号。图4所示为课题组自行研发的高压断路器操动机构在线监测用角位移传感器，由永久磁铁、磁敏元件与检测电路板、联轴器及连接轴、信号输出插座、传感器底座、传感器上盖等组成，通过联轴器连接被测转动轴A、B、C进行非接触角位移检测，检测磁敏元件与电路安装在螺纹连接的传感器上盖与传感器底座形成的圆柱形密封金属壳体内，检测结果以一对互补的占空比与角位移θ成正比的PWM波形输出，可适用于在有效调节范围内、规格不同的旋转轴，有效抑制高压断路器监测现场的强电磁干扰，使监测结果更加准确可靠。 3.3.2. 高压断路器的振动监测 高压断路器的振动信号是一个信息非常丰富的载体，它蕴含高压断路器运行的大量状态信息；对振动信号时域和频域的响应曲线进行分析，可揭示振动过程中的每个振动事件与高压断路器主要机械零部件间运动冲击的对应关系 [ 12 ] [ 13 ] 。因此，通过对高压断路器振动信号进行特征提取、识别振动事件，从而为故障诊断提供数据支持。振动信号一般通过加速度传感器进行采集，本系统采用课题组自行研发的用于高压断路器机械故障监测的振动传感器，其原理电路如图5所示。 图5所示的传感器安装在高压断路器的被监测部位，振动敏感元件(压电晶体)拾取高压断路器运行状 图2. 现场监测装置结构框图 图3 高压断路器操动机构传动原理简图 图4 高压断路器操动机构监测的角位移传感器 图5. 高压断路器振动监测传感器原理电路 态信号并差分输出至电荷放大器的差分输入，电荷放大器的工作电源及其差分输出信号通过引线接头连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动敏感元件、电荷放大器安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部，能有效抑制高压断路器状态监测工况环境的强电磁干扰，使高压断路器运行状态监测结果更加准确可靠。图5中的电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放IC1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和电容C1、C2、C3组成的单电源全差分放大器；C1、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3一起为串联压电晶体提供工作电压，压电晶体的输出端A、C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，电阻R6为振动敏感元件的阻抗匹配电阻，双运放IC1与电阻R1、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻。 高压断路器在同一操作过程中的不同监测位置的振动监测信号有较大差别，在外壳、机构上进行振动监测，要选择适当的传感器安装位置。在图3中，在高压断路器灭弧筒内的动触头传动连杆，其运动状态只有在灭弧筒上有明显反应、而在支架上测不到相应的振动信号，但操动机构铁芯运动的信息在灭弧筒上反应就十分微弱，动触头传动连杆的振动监测传感器应安装在图3中实心方块处，操动机构铁芯的振动监测传感器应安装在图3中实心三角处；图3中实心圆点所处位置为分、合闸弹簧的顶端，当高压断路器分、合闸时，分、合闸弹簧储能后释放能量弹簧会产生很大的运动加速度，实心圆点处比较适合振动信号的获取。 3.3.3. 分、合闸线圈电流监测 高压断路器一般都以电磁铁作为操作的第1级控制元件，而在操动机构中使用的绝大部分是直流电磁铁。当线圈中通过电流时，动铁芯受磁力吸引，使高压断路器进行分闸或合闸。通过监测分、合闸线圈的电流波形，可从中提取高压断路器的分合闸时间、铁芯行程和铁芯卡滞等状态信息，这些信息是诊断高压断路器机械故障的重要依据。本系统对分、合闸线圈电流信号的监测采用霍尔电流传感器，霍尔电流传感器精度高、线性度好，动态性能和电气性能也较好，而且体积小、易于现场安装，不会对高压断路器主系统的正常运行造成影响。 3.3.4. 高压断路器的其它参量监测 前述可知，高压断路器监测在线监测的状态参量较多，不限于上述三种状态参量的监测，对于其他状态参量本系统监测有相对应的监测方式。 对于电压、电流信息的监测通常采用相应电压、电流等级的互感器，本系统监测中取采样周期T为工频周期T0的整数倍，即有T = kT0 (k为正整数)；在线监测高压断路器的绝缘状态，为诊断高压断路器的早期缺陷和事故隐患、控制突发性绝缘事故提供有效信息，本系统采用平衡桥及不平衡桥相结合的监测原理来检测高压断路器对地的绝缘状态，不受馈线对地电容的影响。 真空断路器的真空灭弧室从制造厂排气系统上封离后，其内部的真空状态通常只能在非运行(离线)状态下采取工频耐压法等才可监知是否还在允许范围内；如何在真空断路器处于带电运行(在线)的状态下随时监测其真空度的变化，是目前国内外还没有真正解决的技术难题；本系统采用非接触式微波传感技术，由安装在真空断路器现场的天线传感器检测屏蔽罩周围反馈信号电场的变化，通过无源传感技术检测微波信号来捕捉真空断路器运行状态下真空度异常时的特殊反馈信号，真正意义上实现真空断路器真空度的在线监测。 由于高压断路器触头位于灭弧室中，外界不能直接观察到，所以不能够直接测量到断路器触头的温度；根据热传导原理，导电体通过电流温度升高，和它接触的灭弧室端盖或母线的温度也会升高，通过测量可见灭弧室端盖或母线的温度，由热传导公式即可间接获得断路器触头的实际温度，本系统采用红外温度传感器实现非接触式监测，对断路器本体结构不产生影响，在断路器触头温度测量中可靠性高。 对于SF6断路器的气体密度监测，本系统通过在断路器本体上安装压力、温度及湿度传感器，不仅可以解决SF6气体微水含量的在线监测，而且能够精确的计算出气体的实时密度值，监测SF6气体的微量泄漏。