【正文】 ，是保證設(shè)備安 全可靠運行的關(guān)鍵，也是對傳統(tǒng)的離線預(yù)防性試驗的重大補充和新的發(fā)展在變、配電系統(tǒng)（該系統(tǒng)電力元件主要包括：變壓器、高壓斷路器、互感器、輸電線等）中高壓斷路器所導(dǎo)致的非計劃停電和事故，無論是次數(shù)還。 [1] 是造成的停電時間，都占據(jù)總量 60％以上 。高壓斷路器在線監(jiān)測為實現(xiàn) [2~4]] 由計劃檢修到狀態(tài)檢修 的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件。長期以來的計劃檢修，盲目解體拆卸，浪費了大量的人力物力和財力，同時也造成了停電損失，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備壽命的降低。目前，電力系統(tǒng)各運行單位正致力于高壓斷路器由 計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，不再以投入年限和動作次數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，而是以設(shè)備的實際狀態(tài)為維修依據(jù)。電力設(shè)備的檢修要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，在線監(jiān)測勢在必行。 高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)將為 GIS （ GAS INSULATED METAL ENCLOSED SWITHGEAR）“氣體絕緣金屬封閉開關(guān)”的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。 GIS 的廣泛應(yīng)用又推動了在線監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展。 另外，高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，將推動智能化高壓斷路器的 進程，將來，智能化高壓斷路器將是一個發(fā)展趨勢。 綜上所述，該課題的目的 和意義在于： (1) 為高壓斷路器由計劃檢修到狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件，最大化地節(jié)省不必要 的檢修開支和停電時間，提高供、電配電可靠性。 (2) 為 GIS 的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為智能化高壓斷路器做前導(dǎo)工作。 電力設(shè)備在線監(jiān)測 電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展史 早在 1951 年，美國西屋公司的約翰遜（ John ）針對運行 中的發(fā)電機因槽放電[5]導(dǎo)致電機損壞現(xiàn)象，提出并研究了在電機運行條件下對槽放電現(xiàn)象進行監(jiān)視。限于當(dāng)時的技術(shù)條件，無法抑制來自線路的干擾，最后只得將電機從線路上 斷開，即在離線條件下進行檢測，但這種在線監(jiān)測基本思想則一直沿用至今。 60 年代美國率先開發(fā)在線監(jiān)測技術(shù)，成立了龐大的研究機構(gòu)，每年召開 1－ 2 次學(xué)術(shù)交流會議。 70年代加拿大、日本、前蘇聯(lián)等國家的在線監(jiān)測技術(shù)開始起步，并得到迅速發(fā)展。其中加拿大于 1975 年研制成功油中氣體分析的在線監(jiān)測裝置；日本于 70年代末研制成功油中氫氣的監(jiān)測裝置、 80 年代研制了變壓器局部放電的監(jiān)測裝置；前蘇聯(lián)的在線監(jiān)測技術(shù)也發(fā)展較快，特別是電容性設(shè)備絕緣監(jiān)測和局部放電的在線監(jiān)測方面，有較強的技術(shù)實力。 我國在線監(jiān)測技術(shù)起始于 80 年代，在短短的二十年里得到了迅速發(fā)展。各單位相繼研制了不同類型的監(jiān)測裝置。主要有：各省電力部門研制的電容性設(shè)備監(jiān)測裝置（主要監(jiān)測介質(zhì)損耗、電容值、三相不平衡電流）；電力系統(tǒng)的一些研究所除電容性設(shè)備的監(jiān)測外還研制了各種類型的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校則開始了絕緣診斷技術(shù)的研究。 1985 年以后，國家先后將一些諸如：“電力設(shè)備運行中局部放電數(shù)字化監(jiān)測裝置和相應(yīng)的微機系統(tǒng)”、“大型氣輪發(fā)電機故障在線監(jiān)測系統(tǒng)”項目列入“七五”和“八五”攻關(guān)項目。隨后，機械部、電力部也先后將諸如“大電機絕緣在線 監(jiān)測技術(shù)的研究”、“在線局部放電抗干擾”列入重大科技項目，標(biāo)志著我國的電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)進入全速發(fā)展階段。總之，隨著計算機技術(shù)、信號處理、人工智能和測試技術(shù)的日趨完善，在短短的幾十年時間里 2 在線監(jiān)測技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)展望 從以上國內(nèi)外發(fā)展情況的總體來看：多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的功能比較單一， 例如：僅對一種設(shè)備或多種設(shè)備的同類參數(shù)進行監(jiān)測；沒有很好的將診斷技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)結(jié)合起來；分析診斷也僅限于超標(biāo)報警，具體詳細的分析診斷基本上由試驗人員完成。故此今后在線監(jiān) 測技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)是： （ 1）多功能多參數(shù)的綜合監(jiān)測和診斷，即同時可進行多個狀態(tài)的監(jiān)測。 （ 2）對變電站的整個電氣設(shè)備進行集中監(jiān)視和診斷。 （ 3）提高監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性和靈敏度。 （ 4）在不斷積累監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)展人工智能技術(shù)，建立 人工神經(jīng)網(wǎng)和專家系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)診斷自動化。 在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求 隨著在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，對在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求也越來越規(guī)范。一 般情況下，對于在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求如下： （ 1）系統(tǒng)的投入和使用不應(yīng)改變和影響電氣設(shè)備的正常運行。 （ 2）系統(tǒng)應(yīng)能自動地連續(xù)地進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和存儲。 （ 3）系統(tǒng)應(yīng)具有自檢和報警功能。 （ 4）系統(tǒng)應(yīng)具有較好地抗干擾能力和合理的監(jiān)測靈敏度。 （ 5）監(jiān)測結(jié)果應(yīng)具有較好的可靠性和重復(fù)性以及合理的準(zhǔn)確度。 （ 6）系統(tǒng)應(yīng)具有在線標(biāo)定其監(jiān)測靈敏度的功能。 （ 7）系統(tǒng)應(yīng)具有故障診斷能力。 高壓斷路器在線監(jiān)測 高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展史 與變壓器、發(fā)電機、電容性設(shè)備相比，高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)起步 較晚。從某種意義上講“ GIS 技術(shù)”和“狀態(tài)維修 ”概念促進了高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中由于高壓斷路器的造價與變壓器、發(fā)電機等電力元件相比較為便宜，且其故障時所造成的危害不如電容性設(shè)備嚴(yán)重，因此雖然在變電和配電系統(tǒng)中，它所造成的非計劃停電和事故無論從時間和數(shù)量上都遠遠高于其它電力元件，但直到 90 年代以后高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)才逐漸發(fā)展起來。這主要是因為現(xiàn)在的電力系統(tǒng)事故已經(jīng)不再單純的以其對電力系統(tǒng)的危害來衡量它造成的經(jīng)濟損失。如果按我國權(quán)威部門指出的非計劃停電所造成的直接損失、間接損失、社會損失的比例為 1： 4： 6 來估計損失的話，設(shè)備費用反而 只占很小一部分。從這種意義上講，加強對諸如高壓斷路器等高事故電力元件的在線監(jiān)測是減少損失的最佳途徑。隨著供電電壓的不斷提高，高壓斷路器對介質(zhì)有了特殊要求，油、真空、 SF6 高壓斷路器的出現(xiàn)使得高壓斷路器的現(xiàn)場維修較為困難，“狀態(tài)維修”的概念就是在這種情況下產(chǎn)生的。目前，國家依然推行的是計劃性預(yù)防檢修。由于檢修技術(shù)水平和現(xiàn)產(chǎn)場條件等原因，解體拆裝有時甚至對正常高壓斷路器造成損害，同時也降低了其利用率和可靠性。隨后有人提出狀態(tài)維修的概念，用狀態(tài)維修替代計劃性維修。狀態(tài)維修克服了計劃檢修的盲目性，同時也最大化的節(jié)省 了維護費用。狀態(tài)維修的前提是對高壓斷路器的狀態(tài)預(yù)知，高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)為狀態(tài)檢修提供狀態(tài)預(yù)知的技術(shù)支持，狀態(tài)檢修的廣泛應(yīng)用也推動在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。 GIS 技術(shù)是本世紀(jì) 60 年代中期才出現(xiàn)的一種新型電器裝置。 GIS 具有占地面積小、維 3 護工作量少、故障率低、不受環(huán)境條件影響以及運行性能可靠等優(yōu)點，已經(jīng)得到國內(nèi)外電力部門的公認，目前已成為高壓配電裝置的一個發(fā)展方向（我國第一套 110KV的 GIS 于 1971年研制成功， 1973 年投入運行）。 GIS 技術(shù)的應(yīng)用，使得其核心電力元件――高壓斷路器的檢修更加困難，所以必須對 其中的高壓斷路器進行在線監(jiān)測才能做到“應(yīng)修必修”和維修量最小、維修費用最低。 GIS 技術(shù)的廣泛應(yīng)用成了高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的另一股推動力。 90 年代美國、日本開始研究斷路器的在線監(jiān)測，美國學(xué)者率先給出斷 路器壽命與開斷電流的關(guān)系，提出“滅弧觸頭電壽命”的概念，“全工況跳合閘回路完整性監(jiān)視”的概念也是同期提出的，此時的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進行的。隨著研究的深入，都先后生產(chǎn)了自己的高壓斷路器在線監(jiān)測裝置，不過都存在著只能對其中的一個或幾個狀態(tài)進行監(jiān)測的問題，檢測結(jié)果的適用性和部分項目 的檢測手段仍然很不理想。 1992 年吉林電業(yè)局曾立項“斷路器機械性的監(jiān)測”和“ GIS 局部放電特高頻在線監(jiān)測”， 1995 年清華大學(xué)高壓教研室研制了 CBA1 高壓斷路器參數(shù)測量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測合、分閘電流、行程曲線及振動信號。綜上所述，斷路器在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展起步較晚，“ GIS 技術(shù)”和“狀態(tài)維修”概念促進了高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。短短的十幾年時間里 斷路器在線監(jiān)測技術(shù)得到了較快的發(fā)展。 國內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀 目前，高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)進入一個 新的發(fā)展階段，一些新 理論、新技術(shù)、新檢測手段正在被開發(fā)、運用。國內(nèi)外在斷路器在線監(jiān)測項目方面正在做或已經(jīng)做的工作主要有以下幾個方面： （ 1）記錄分合閘操作的行程、時間特性曲線，提取機械運動參數(shù)，并借 之判斷機械故障。 （ 2）高壓斷路器的機械振動信號包含豐富的信息，受到國內(nèi)外普遍重視。 （ 3）合、分閘線圈回路線路完整性監(jiān)測。 （ 4）測量靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻以檢測觸頭的燒損情況。 （ 5） SF6 壓力檢測。 （ 6）絕緣監(jiān)測。 （ 7）人工智能與計算機結(jié)合的專家系統(tǒng)。 顯然，檢測手段一直是在線監(jiān)測技術(shù)的核心工作，目前、國內(nèi)外都在 致力于檢測手段的開發(fā)和研究。以局部放電為例：國外最新技術(shù) IMS （ ION MOBILITYSPECTROMETER）“離子遷移頻譜儀 ”， [6～ 9] 已經(jīng)在巴西投入試運行，它能對局部放電進行較為精確的檢測。相同領(lǐng)域，國內(nèi)正在發(fā)展一種超高頻法，旨在對局部放電進行定位和監(jiān)測，目前尚未投入實際應(yīng)用。其它檢測項目方面的情況類似。另外，在參量檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及診斷結(jié)果的有效性等方面還有待于進一步提高，部分項目的監(jiān)測仍無法實現(xiàn)或無應(yīng)用前景 。 論文主要工作及取得的成果 在該論文中，我們主要完成以下工作： （ 1） 通過對機械特性參數(shù)的在線監(jiān)測來判斷斷路器的工作狀態(tài)。 （ 2） 基于斷路器廠家提供的斷路器額定短路電流開斷次數(shù)，計算每次 分閘對應(yīng)的觸頭電壽命損耗，并用此法來預(yù)測觸頭電壽命。 （ 3） 用斷路器殼體溫度、環(huán)境溫度和負荷電流來間接反映主觸頭溫度 和主觸頭的導(dǎo)電狀況的方法，并給出了諸參量之間的關(guān)系表達式，給出主觸頭回路電阻的計算公式。 （ 4） 在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)上，我們選用了美國 TI公司最新推出的一種 功 能強大的單片機 MSP430[10， 11]。在系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮到由于該單片機的低供電電壓（ ）給 4 設(shè)計帶來的特殊問題。以該單片機為核心，構(gòu)造硬件電路對斷路器的各參量進行采集、處理和運算實現(xiàn)上述各功能，并用匯編語言實現(xiàn)之。 （ 5） 在通訊模塊設(shè)計中根據(jù) RS485 通信芯片 MAX1480B[12， 13]的特殊結(jié) 構(gòu)，解決了不同工作電壓的芯片 MAX1480 與 MSP430 的接口問題，并給出了 MAX1480 與 MSP430 直接聯(lián)接的接線方案。 5 第 2 章 在線監(jiān)測方案設(shè)計 機械特性在線監(jiān)測 高壓斷路器依靠其機械部件的正確動作來完成其職能，因而每個組成 部件的機械牢固性極為重要。國際大電網(wǎng)會議對高壓斷路器可靠性所做的兩次世界范圍的調(diào)查和我國電力科學(xué)院對高壓開關(guān)事故的統(tǒng)計分析均表明，高壓斷路器故障 80%是機械的原因 [14]。且大多數(shù)故障是操作機構(gòu)的問題，如拒分、拒合或不能開斷。隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，停電事故給生產(chǎn)、生活帶來的影響及損失也越來越大，保證電力設(shè)備的安全運行越來越 重要。因此，對高壓斷路器實施狀態(tài)診斷或?qū)崟r在線監(jiān)測，及時了解其運行狀況，掌握其運行特性及變化趨勢，對提高電力系統(tǒng)運行可靠性極為重要。 機械特性在線監(jiān)測的必要性 高壓斷路器在安裝投入或檢修后，為保證其安全運行，按規(guī)程要求必 須進行機械參數(shù)測試。其參數(shù)包括：分、合閘時間、分、合閘同期性、開距、超程、剛分、合速度、平均速度和最大速度等。 在早期的傳統(tǒng)的測試方法中，檢修試驗人員使用電秒表、同步燈、光 線示波器、電磁振蕩器和轉(zhuǎn)鼓測速儀等進行測試。這些設(shè)備運輸困難，而且這些方法不但占用 現(xiàn)場面積大，測試時接線復(fù)雜，讀取記錄的數(shù)據(jù)要進行人工處理和計算，而且測量的誤差大，檢修工作的時間長。 80年代末 90 年代初，通過模擬數(shù)字電路技術(shù)的運用，先后研制投產(chǎn) 了集箱式斷路器機械特性測試儀。這類儀器綜合了上述部分儀表的測量功能，簡化了試驗接線和操作，且有攜帶方便等優(yōu)點；但它仍然采用傳統(tǒng)的技術(shù)和試驗方法，由可控硅直流電源測速器控制電路、門控電路及計時顯示電路和同期燈等幾部分組成，存在自動化程度低、測量誤差大和功能不 強等缺點。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展及微機技術(shù)在國內(nèi)外的廣泛應(yīng)用， 90 年代開始出現(xiàn)微機型高壓開關(guān)機械特性測試儀。國外在這方面的研究較早，目前已有功能齊全、抗干擾性能高的成熟產(chǎn)品，如美國 DOBLE 公司開發(fā)研制的 TR3000 型數(shù)字式斷路器試驗系統(tǒng)。國內(nèi)先是出現(xiàn)了以Ｚ 80 單板機作微處理器的產(chǎn)品，繼而出現(xiàn)了以 MCS51 系列單片機作微處理器的產(chǎn)品，現(xiàn)在也有采用 MCS96 系列單片機作微處理器。以Ｚ 80 單板機作微處理器的微機系統(tǒng)測速誤差大、導(dǎo)電桿總行程和導(dǎo)電桿超行程測量精度低、達不到對速度、行程、超行程的測量精度，隨著 MCS51 系列單片機的出現(xiàn)而逐漸被淘汰。 90 年代中出現(xiàn)的以 8031 單片機作