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(méi)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(kāi)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(kāi)斷電流和累計(jì)開(kāi)斷次數(shù)是不科學(xué)的。合理的辦法是依據(jù)開(kāi)斷電流的大小，評(píng)估出該次開(kāi)斷的觸頭磨損量，再累積每次開(kāi)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(kāi)斷電流下的允許開(kāi)斷次數(shù)，設(shè)額定短路開(kāi)斷電流下允許開(kāi)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(kāi)斷電流開(kāi)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(kāi)斷電流Ib的對(duì)應(yīng)允許開(kāi)斷次數(shù)Nb，則對(duì)應(yīng)的單次開(kāi)斷的相對(duì)電磨損量為1/Nb，這樣可求出任一次開(kāi)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(kāi)斷電流，Ie為額定短路開(kāi)斷電流，N為額定短路開(kāi)斷電流下的開(kāi)斷次數(shù)，Qm為對(duì)應(yīng)開(kāi)斷電流Ib時(shí)的觸頭相對(duì)電磨損量。 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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)輔助a接點(diǎn)斷開(kāi)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可以反映操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況。通過(guò)以上幾個(gè)不同特征時(shí)間的分析即可診斷斷路器部分機(jī)械故障趨勢(shì)，包括拒分、拒合等故障。 1.2.2 斷路器開(kāi)斷過(guò)程的時(shí)間行程特性曲線 斷路器的時(shí)間行程特性曲線中蘊(yùn)含多種信息，包括分合閘時(shí)間、同期性、速度以及行程信號(hào)等。這些信號(hào)與斷路器的滅弧室性能、燃弧時(shí)間以及弧后介質(zhì)的恢復(fù)、合分閘彈簧的性能等相關(guān)。 1.2.3 斷路器動(dòng)作時(shí)的振動(dòng)波形 斷路器在操作時(shí)，對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)中的每一部件的動(dòng)作在振動(dòng)信號(hào)時(shí)間圖上都會(huì)有一個(gè)振動(dòng)脈沖，對(duì)于不同的操作，各部件的振動(dòng)脈沖出現(xiàn)的順序是不變的，振動(dòng)波形具有良好的重復(fù)性，因此用振動(dòng)信號(hào)分析斷路器的動(dòng)作特性是有效的，振動(dòng)分析法對(duì)于斷路器機(jī)構(gòu)的變形、潤(rùn)滑故障診斷靈敏度高，也是機(jī)構(gòu)和滅弧室磨損、部件故障、裝配失誤等的特征表象[3>?？梢栽谘b置投運(yùn)時(shí)，經(jīng)若干次規(guī)定的例行操作，現(xiàn)場(chǎng)錄取該斷路器的振動(dòng)波紋做“指紋”，作為診斷的參考。 2 高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)的傳感器選型 綜上所述，斷路器工作狀態(tài)的檢測(cè)可采用電流、行程、振動(dòng)三種類型的傳感器實(shí)現(xiàn)。為了不影響斷路器的正常工作，盡量采用非接觸檢測(cè)方法，傳感器在斷路器體外安裝，且無(wú)可調(diào)整部件，不需現(xiàn)場(chǎng)整定，受環(huán)境因素的影響小。 2.1 斷路器觸頭的開(kāi)斷電流檢測(cè) 斷路器觸頭的開(kāi)斷電流為交流電流量，本文選用穿心型保護(hù)CT實(shí)現(xiàn)。 輸入信號(hào)范圍為0-100A，輸出信號(hào)峰峰值為－5V～＋5V。 2.2 分合閘線圈電流檢測(cè) 分合閘線圈電流為直流電流量，本文選用霍爾電流傳感器，安裝方式為傳感器鐵芯開(kāi)口安裝，不影響斷路器的二次接線。輸入信號(hào)范圍為0-20A，輸出信號(hào)為4～20mA的直流電流。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的原理。所謂霍爾效應(yīng)是指若在一半導(dǎo)體薄片的兩端通以控制電流I，并在薄片垂直的方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上將產(chǎn)生電勢(shì)UH的現(xiàn)象,所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電壓或霍爾電勢(shì)。當(dāng)霍爾元件的材料和幾何尺寸確定之后，霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即UH=KHIB，對(duì)于確定的霍爾元件而言，KH為常數(shù)?；魻杺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)寬，可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。 2.3 斷路器動(dòng)觸頭的行程檢測(cè) 動(dòng)觸頭的行程為直線位移，通過(guò)測(cè)量連動(dòng)機(jī)構(gòu)的角位移間接實(shí)現(xiàn)。本文采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的特點(diǎn)是重量輕、力矩小、可靠性高，廣泛用于各種角位移測(cè)量的場(chǎng)合。光電編碼器由碼盤、光源和光電元件組成[4>。碼盤有三個(gè)碼道組成，最外圈碼道為增量碼道，碼道上分布有相當(dāng)數(shù)量的透光和不透光的扇形區(qū)；中間碼道為辨向碼道，扇行區(qū)位置與增量碼道錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇形區(qū)；內(nèi)層碼道只有一條透光的狹縫。使用時(shí)碼盤隨被測(cè)目標(biāo)一同旋轉(zhuǎn)，3對(duì)光源和光電元件布置在碼盤的兩側(cè)，位置對(duì)稱，則外層碼道的光電元件輸出的脈沖數(shù)反映了被測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大?。煌鈱哟a道與中間碼道的輸出相位差反映了被測(cè)目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；內(nèi)層碼道的狹縫作為碼盤的基準(zhǔn)位置，輸出信號(hào)提供一個(gè)初始零位信號(hào)。增量碼道上扇形區(qū)數(shù)目的多少，決定了編碼器的分辨力。光源一般采用發(fā)光二極管，光電元件一般采用硅光電池或光電晶體管。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器安裝在斷路器連動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。 2.4 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè) 壓電式加速度傳感器是是振動(dòng)測(cè)量的主要傳感器形式。和其它類型的傳感器相比具有靈敏度高、頻率范圍寬、線性動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、安裝形式多樣等一系列優(yōu)點(diǎn)。壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的原理。所謂壓電效應(yīng)是指正壓電效應(yīng)，當(dāng)沿著一定的方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生極性相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電式加速度傳感器的主要部件包括殼體、壓電片和緊壓在壓電片上的質(zhì)量塊組成。由于質(zhì)量塊產(chǎn)生正比于加速度的慣性力，此力作用在壓電片上，由正壓電效應(yīng)使壓電片表面產(chǎn)生正比于加速度的電荷。 2.5 開(kāi)入量 裝置同時(shí)檢測(cè)斷路器動(dòng)作的相關(guān)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并將這些節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和以上各類傳感器的輸出信號(hào)相結(jié)合，用來(lái)分析各種機(jī)械性能。 3 高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的目的，高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有各種數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、故障診斷、數(shù)據(jù)管理等功能，并且具有良好的人機(jī)界面，系統(tǒng)中的各功能模塊能夠?qū)崟r(shí)有效地通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。 系統(tǒng)的核心是分布式的斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置采用模塊化背插結(jié)構(gòu)，包括DSP主控板、MMI模件、模入、開(kāi)入、開(kāi)出模件和電源模件。斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置安裝在現(xiàn)場(chǎng)，它采集傳感器輸出信號(hào)，進(jìn)行在線分析處理后，將設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在液晶面板（MMI）；并通過(guò)CAN總線送往上位機(jī)（PC），上位機(jī)系統(tǒng)調(diào)用高級(jí)應(yīng)用算法，實(shí)時(shí)計(jì)算斷路器相關(guān)指標(biāo)并累積歷史數(shù)據(jù)，給出歷史評(píng)價(jià)。DSP主控板是以TMS320VC33為核心的智能控制模件，它的任務(wù)可分為4個(gè)方面：信息采集、處理計(jì)算分析、控制輸出以及通訊。由于液晶模塊的驅(qū)動(dòng)與現(xiàn)場(chǎng)顯示任務(wù)量較大，故設(shè)計(jì)中將顯示功能獨(dú)立于DSP主控板，由以89C51為核心的MMI模件獨(dú)立執(zhí)行顯示功能。DSP主控板與MMI模件用RS-232連接，采用簡(jiǎn)單的主從式串行通訊協(xié)議。而DSP主控板與上位機(jī)之間的距離較大、傳輸數(shù)據(jù)量也更大，上位機(jī)要根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更嚴(yán)密的推理，所以采用高可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的CAN總線連接。 DSP芯片TMS320VC33是美國(guó)TI公司推出的TMS320C3X系列的浮點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理器，它是在原來(lái)的TMS320C31浮點(diǎn)DSP的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一個(gè)價(jià)格更低的版本，該產(chǎn)品以高速、低功耗、低成本、易于開(kāi)發(fā)為顯著特點(diǎn)。由于采用了內(nèi)部1.8V，外部3.3V供電，因而功耗比原有型號(hào)降低了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，帶有32b的高性能CPU，具有高速的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能支持高達(dá)75MIPS的運(yùn)行速率，并且?guī)в?4K´32b（1.1Mb）的片內(nèi)雙靜態(tài)RAM。片內(nèi)存儲(chǔ)器可映射外設(shè)，其中包括一個(gè)串行口、2個(gè)32b定時(shí)器和一個(gè)DMA；具有程序引導(dǎo)功能，程序可以由低速的EPROM裝人到系統(tǒng)的高速RAM全速運(yùn)行。DSP主控板以DSPVC33為核心，擴(kuò)展有存儲(chǔ)器模塊、通訊接口模塊、看門狗電路等。DSP的高速運(yùn)算能力以及運(yùn)行速率使得對(duì)電流信號(hào)的一周波108點(diǎn)高密度采樣、對(duì)角位移行程傳感器輸出的高頻脈沖采樣得以實(shí)現(xiàn)。 4 裝置的軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置的軟件包括DSP主控板軟件和MMI模件軟件。DSP主控板軟件是系統(tǒng)控制的核心，MMI板的軟件依賴于DSP主控板的數(shù)據(jù)。DSP主控板的程序可劃分為監(jiān)控程序、通訊程序、采樣程序和計(jì)算程序四個(gè)主要的功能模塊。監(jiān)控程序是主循環(huán)，采用仿嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，并對(duì)裝置自檢。采樣程序完成對(duì)輸入量高速采樣、錄波，生成時(shí)鐘等任務(wù)。計(jì)算程序完成斷路器操作時(shí)的各類在線監(jiān)控指標(biāo)的捕捉和計(jì)算。通訊程序按規(guī)約對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。 5 結(jié)語(yǔ) 電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)是變電站自動(dòng)化的拓展功能，斷路器的狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)是其中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。本文介紹了一種基于高速浮點(diǎn)DSP的斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置，介紹了該裝置的監(jiān)控功能和所采用的傳感技術(shù)。該裝置通過(guò)檢測(cè)故障電流、分合閘線圈電流波形、觸頭行程等信號(hào)計(jì)算分析高壓斷路器的電壽命、機(jī)械壽命并評(píng)估斷路器的動(dòng)作性能。該裝置已投入現(xiàn)場(chǎng)使用，性能穩(wěn)定，效果良好。