【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 微處理器，以各種傳感器作為行程傳感器的高壓開關(guān)特性測(cè)量?jī)x測(cè)量精度較以前有較大提高，時(shí)間誤差不大于 ，行程誤差不大于 1mm，速度誤差不大于 ，但是接 線和操作仍較復(fù)雜 。在使用前檢修試驗(yàn)人員必須仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明，但即使這樣，往往在變電站現(xiàn)場(chǎng)中還是出現(xiàn)因檢修試驗(yàn)人員接線或使用不當(dāng)而導(dǎo)致測(cè)量出錯(cuò)或儀器損壞的情況，因此仍需進(jìn)一步改進(jìn)。目前，國(guó)內(nèi)一些單位和廠家仍在改進(jìn)該類產(chǎn)品，以期能用于各種斷路器，以及進(jìn)一步提高測(cè)量精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性等，并進(jìn)一步改進(jìn)操作。 上述 對(duì)高壓斷路器機(jī)械性能的檢測(cè)，主要是在設(shè)備交接及停電期間， 結(jié)合檢修而進(jìn)行的定期預(yù)防性試驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行部件更換或者檢修等工作。這種離線檢修方式是按檢修計(jì)劃來(lái)的，無(wú)論設(shè)備狀況如何都實(shí)施定期檢修，致使有些設(shè)備帶病運(yùn)行卻得不到及時(shí)維修，而有些設(shè)備使用率較低則得到不必要的維修。因此，為了更好的了解斷路器的工作狀況，對(duì) 斷路器的機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是一種很好的途徑。 機(jī)械特性參數(shù)的標(biāo)定 6 眾所周知，分閘速度的降低將使電弧的燃燒時(shí)間增加，從而加速斷路 器觸頭的電磨損降低斷路器的使用壽命；分閘 速度過(guò)高，又會(huì)使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的機(jī)械應(yīng)力和沖擊，從而造成個(gè)別部件的損壞或者縮短使用壽命；斷路器分合閘的嚴(yán)重不同期將造成線路和變壓器的非全相運(yùn)行，從而可能出現(xiàn)導(dǎo)致絕緣損壞的危險(xiǎn)的操作過(guò)電壓、繼電保護(hù)誤動(dòng)作等不利現(xiàn)象。因此，斷路器的機(jī)械特性參數(shù)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。斷路器的機(jī)械特性包括：合閘時(shí)間、分閘時(shí)間、觸頭行程、超行程、合閘不同期、分閘不同期、剛合閘速度、剛分閘速度、合閘最大速度、分閘最大速度、合閘平均速度、分閘平均速度等等。現(xiàn)將某廠生產(chǎn)的 25LW 126 型 6SF 高壓斷路器分合閘型式試驗(yàn)時(shí)所記錄的時(shí)序圖示于圖 、圖 ，從圖上可以清楚的看到斷路器的各機(jī)械特性參數(shù)的定義，為我們求取斷路器的機(jī)械特性參數(shù)提供依據(jù)。 各機(jī)械特性參數(shù)定義如下： 合閘時(shí)間：從合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時(shí)間間隔。 分閘時(shí)間：從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時(shí)間間隔 【 15】 。 觸頭行程：動(dòng)觸頭的起止位置之差的總位移量。 超行程：從所有極觸頭都接觸開始到合閘穩(wěn)定位置為止的位移量之差 。 合閘不同期：從首極合開始到所有極都合為止的時(shí)間之差。 分閘不同期：從首極分開始到所有極都分為止的時(shí)間之差。 剛合閘速度：合閘輔助接點(diǎn)接通后 10ms 內(nèi)的平均速度。 剛分閘速度：分閘輔助接點(diǎn)接通后 10ms 內(nèi)的平均速度。 合閘最大速度：合閘全過(guò)程中的最大速度。 分閘最大速度：分閘全過(guò)程中的最大速度。 合閘平均速度：合閘過(guò)程中中間 80％行程的平均速度。 分閘平均速度：分閘過(guò)程中中間 80％行程的平均速度。 7 為了斷路器機(jī)械特性參數(shù)的求取方便，我們將斷路器合閘、分閘的整 個(gè)動(dòng)作過(guò)程可以 看成是由各個(gè)動(dòng)作過(guò)程連接起來(lái)組成的順序時(shí)間鏈 。各個(gè)動(dòng)作過(guò)程又是順序時(shí)間鏈的子時(shí)間鏈。當(dāng)對(duì)某一臺(tái)斷路器的操作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄時(shí)，設(shè)法捕獲到斷路器各個(gè)有關(guān)部件的動(dòng)作時(shí)刻在順序時(shí)間鏈中所處的相對(duì)位置，那么這臺(tái)斷路器的各時(shí)間參量就一目了然，然后經(jīng)過(guò) 微處理器計(jì)算出各機(jī)械特性參量。為方便說(shuō)明和表示，現(xiàn)將合閘、分閘過(guò)程時(shí)序示意圖示于圖 ，圖 。然后將各機(jī)械特性參數(shù)用圖中的參量點(diǎn)表示出來(lái)。 [16] 8 主觸頭超行程如果不借助振動(dòng)信號(hào)將無(wú)法求取。滅弧觸頭超出主觸頭 長(zhǎng)度即有效滅弧長(zhǎng)度雖然可以通過(guò)標(biāo)定主 觸頭在行程中的位置，用捕獲 [11] 方法求出，但仍然屬于間接求法，無(wú)法直接精確求出。 機(jī)械特性參數(shù)的采集 斷路器機(jī)械特性參數(shù)包括行程、速度和時(shí)間三種參量，而行程又為速 度和時(shí)間的乘積，所以在斷路器的參量求取中，我們至少要知道兩個(gè)量才能得出斷路器的機(jī)械特性參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中我們結(jié)合單片機(jī)的特點(diǎn)，選用時(shí)間和行程（高壓斷路器主軸連動(dòng)桿位移量）兩個(gè)參量。事實(shí)上是單片機(jī)的定時(shí)器配合斷路器分、合閘過(guò)程中的如下輸入信號(hào)： （ 1） 分、合閘命令信號(hào)。 （ 2） 分、合閘電磁鐵線圈回路電流信號(hào)。 （ 3） 高壓斷路器主軸連桿位移量。 （ 4） 觸頭分、合狀態(tài)信號(hào)（由主回路電流間接反映）。 （ 5） 輔助接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)。 根據(jù)以上信號(hào)，在線狀態(tài)下求出斷路器分、合閘機(jī)械特性參數(shù)。 斷路器的分、合閘過(guò)程瞬間即可完成，故此要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性極強(qiáng)。 以某廠生產(chǎn)的 25LW 126 型 6SF 高壓斷路器為例：合閘時(shí)間小于 150ms、分閘時(shí)間小于 30ms、全開時(shí)間小于60ms。所以，為了提高測(cè)量精度和測(cè)量結(jié)果 的有效性，在本設(shè)計(jì)中，狀態(tài)量為中斷方式輸入，沒有延時(shí)；位移量脈沖記錄由高速計(jì)數(shù)器自動(dòng)完成；模擬信號(hào)的采樣頻率為 6000Hz，最大延時(shí)不超過(guò) 。 a、時(shí)間量采集 時(shí)間量采集靠單片機(jī)的定時(shí)器，由分合閘命令信號(hào)觸發(fā)分合閘時(shí)間記錄序列，記下分合過(guò)程中的各個(gè)有效參量點(diǎn)，再根據(jù)前節(jié)的特性參數(shù)計(jì)算公式，算出各機(jī)械參量。 b、位移量采集 [17～ 19] 9 位移量采集是靠光電式行程傳感器 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作原理如下： 把旋轉(zhuǎn) 光柵安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度、行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光柵移過(guò)一個(gè)孔距△ S，產(chǎn)生一個(gè)周期的脈沖信號(hào)即為一個(gè)周期 T(一次光照和一次非光照為一個(gè)周期 )。由于動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度是變化的，所以T 是不等的。這樣，根據(jù)某一行程處的孔距△ｓ和對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)周期 T，即可求得該行程處的平均速度 V，從累計(jì)脈沖數(shù)又可求得行程。當(dāng)斷路器在分合閘過(guò)程結(jié)束之前由于彈力的作用，動(dòng)觸頭有彈跳的過(guò)程，若不采取措施，必然會(huì)將負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)作正方向的脈沖進(jìn)行累加，產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)在一些生產(chǎn)廠家 干脆在合閘時(shí)只測(cè)超程，在分閘時(shí)只測(cè)開距，以回避彈跳過(guò)程。本設(shè)計(jì)中則是既可根據(jù)預(yù)知的斷路器行程長(zhǎng)度設(shè)定 100％行程位置捕獲點(diǎn)，又采用兩路相位相差 90176。的光電斷續(xù)器構(gòu)成光電位移傳感器，根據(jù)兩路輸出信號(hào)的超前滯后關(guān)系，決定分、合閘的運(yùn)動(dòng)方向。旋轉(zhuǎn)光柵是輸入軸角位移傳感器，圓光柵在光電斷續(xù)器中旋轉(zhuǎn)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器輸出 A相、 B相兩路相位差 90度的正交脈沖串，經(jīng)光電隔離和取反后，得到 A 、 A 、 B 、 B 四路方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)電路處理后，得到上升沿窄脈沖信號(hào) A 、 A 、 B 、 B 對(duì)窄脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出兩路加減計(jì)數(shù)脈沖 P +和 P ： P? = AB? + AB? + BA? + BA? () P? = AB? + AB? + BA? + BA? () 公式（ ）、（ ）的目的有兩個(gè)： 將計(jì)數(shù)分辨率提高四倍； 實(shí)現(xiàn) 正、反兩個(gè)方向的計(jì)數(shù)。 P? 和 P? 兩路計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器 AT ﹑ BT 進(jìn)行計(jì)數(shù)。其中 AT 中存放正向移動(dòng)的位移量， BT 中存放反向移動(dòng)的位移量。所以無(wú)論 是分閘還是合閘，無(wú)論合閘過(guò)程中有無(wú)彈跳，該位置傳感器都可以準(zhǔn)確記量位移值。且任一時(shí)刻的計(jì)數(shù)速率就是此時(shí)的速度。 機(jī)械特性參數(shù)的確定 總體方案確定后，要根據(jù)高壓斷路器機(jī)械特性參數(shù)定義，確定在本系 統(tǒng)中如何根據(jù)現(xiàn)有采集量來(lái)求取各種機(jī)械特性參數(shù)的問(wèn)題。需要計(jì)算與轉(zhuǎn)換的有位移量、時(shí)間量、速度量，其中首先要確定的是各動(dòng)作時(shí)刻在分、合閘操作時(shí)間序列中的位置確定各時(shí)間參量，由此配合各序列點(diǎn)位移量確定各位移參量，再由位移量與時(shí)間量算出各速度參量。 a、合、分閘時(shí)間的確定 首先需確定的時(shí) 間量為合、分閘時(shí)間。合閘時(shí)間是從合閘回路有電流 開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時(shí)間間隔；分閘時(shí)間是從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時(shí)間間隔。所以合、分操作起始瞬間的選擇直接影響著高壓斷路器機(jī)械參量的數(shù)值。由于起始的依據(jù)是判合、分閘電磁鐵線圈中有電流通過(guò)，所以啟動(dòng)電流的定值（即門坎值）的大小將影響著測(cè)量精度，也影響著測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定度。從起動(dòng)時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，到電氣主觸頭移動(dòng)到換位點(diǎn)的時(shí)間，即是合、分閘時(shí)間。關(guān)于換位點(diǎn)的確定不同文獻(xiàn)有不同的方法。在本設(shè)計(jì)中合閘換位點(diǎn)取三相有電流時(shí)刻，即滅弧觸頭全合時(shí)刻 ，分閘換位點(diǎn)取輔助接點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)變位時(shí)刻。 b、行程、超行程的確定 在各點(diǎn)時(shí)間量和相對(duì)位移量確定的前提下，行程、超行程以及速度參 量依次可求出。具體作法為：從合閘前的穩(wěn)態(tài)位置到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭合閘行程； 10 從分閘前的穩(wěn)態(tài)位置到分閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭分閘行程。且合閘行程和分閘行程是相等的。事實(shí)上，當(dāng)斷路器型號(hào)選定后，行程參量也就確定了。故此可以 通過(guò)捕獲得到行程全程中任一行程位置點(diǎn)在分、合閘操作中發(fā)生的時(shí)刻。超行程有主觸頭超行程和弧觸頭超行程兩種。主觸頭超行 程幾乎沒有變化，而滅弧觸頭超行程則隨著開斷次數(shù)增多而減小。所以，只有測(cè)量弧觸頭超行程才是有意義的，本文也只計(jì)算弧觸頭超行程。弧觸頭超行程起始于三相弧觸頭合而止于操作穩(wěn)態(tài)位置。即三相弧觸頭全接觸開始到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置的位移量之差。這里的主要問(wèn)題是如何確定超行程的起始點(diǎn)，即如何有效的提取三相觸頭全合信號(hào)。本文采取的方法是在合閘過(guò)程中，從操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)開始判斷三相電流采樣值大小，如果都曾經(jīng)大于某一門坎值則認(rèn)為三相全合，所以門坎值的選取尤為重要。太大則造成起始點(diǎn)選取不精確，太小則降低抗干擾能力。 c、同期性的確定 合閘不同期時(shí)間指的是從首相合到三相全合之間的時(shí)間，可以由首相 有合閘電流到三相有合閘電流之間的時(shí)間之差確定。關(guān)鍵問(wèn)題是：如何有效的提取首相開始有電流和三相全部有電流信號(hào)。另外一個(gè)問(wèn)題是同期時(shí)間極短，如何在這么短的時(shí)間內(nèi)有效的得到上述數(shù)據(jù)。我們的采樣周期為 1/6ms， A/D 工作于中斷方式，采樣到首相合信號(hào)后就一直等待記錄三相合信號(hào)，故可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)量。以 25LW 126 型 6SF 高壓斷路器為例，它的合 閘同期時(shí)間是小于 4ms，分閘同期時(shí)間小于 2ms。這樣長(zhǎng)的時(shí)間里，必將有幾個(gè)采樣點(diǎn)落在該區(qū)間里，故此可以準(zhǔn)確測(cè)量。由于分閘時(shí)的電弧影響，分閘不同期時(shí)間很難確定，這里不再討論。 d、速度的確定 剛合、剛分速度可以由輔助接點(diǎn)變位后 10ms 內(nèi)的平均速度來(lái)反映； 平均速度在已知行程長(zhǎng)度（例如 25LW 126 斷路器的行程為 145mm152mm[10， 11] 情況下，由計(jì)數(shù)器 AT ﹑BT 的捕獲功能 得到行程的 10％和 90％位置，算出該段中間的平均速度即為斷路器的平均速度；然而，最大速度在該電路設(shè)計(jì)情況下無(wú)論如何是無(wú)法知道的。但我們可以從分、合閘特性曲線圖 和圖 可以看出，對(duì) 25LW 126 斷路器來(lái)講，中間 80％斷路器的速度是恒定的，即剛速度、平均速度和最大速度是同一個(gè)速度。而我們可以精確測(cè)得平均速度，故本在線監(jiān)測(cè)裝置只給出平均速度。 機(jī)械故障診斷 對(duì)于電磁鐵操作機(jī)構(gòu)的斷路器，線圈 電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵芯 行程、鐵芯卡滯、線圈狀態(tài) (如匝間短路 )、分合閘線圈的輔助接點(diǎn)狀況與轉(zhuǎn)換時(shí)間。通過(guò)對(duì)分合操作線圈動(dòng)作電流的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行人員可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及鐵芯的運(yùn)動(dòng)有無(wú)卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助依據(jù)。該診斷過(guò)程是由監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成的。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備只是提供 數(shù)據(jù)給監(jiān)控機(jī)，由監(jiān)控機(jī)上運(yùn)行的專家系統(tǒng)軟件來(lái)完成分析過(guò)程。 對(duì)于非電磁操作機(jī)構(gòu)，只有靠機(jī)械特性參數(shù)來(lái)完成診斷工作。分、合閘時(shí)間和分、合閘速度參數(shù)的變化反映機(jī)械機(jī)構(gòu)的卡澀；行程、超行程間接反映斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)工作情況； 滅弧觸頭的剩余長(zhǎng)度反映電磨損；同期反映滅弧觸頭的平整度及燒損情況。 觸頭電壽命在線監(jiān)測(cè) 在觸頭電壽命監(jiān)測(cè)方面，以往對(duì)電磨損的監(jiān)測(cè)是以記錄累計(jì)開斷電流 ()I 或累計(jì)電弧能 11 量 ( 2It)為依據(jù)的。事實(shí)上，同一斷路器在同樣的外部條件下先后兩次開斷同樣大小的電流值，其燒損程度也不可能相同，而且，開斷電流相差很大時(shí)，斷路器觸頭的燒損機(jī)理不同，燒損相差更大。因此，用累計(jì)開斷電流來(lái)判斷觸頭燒損量是不 夠的；另外電磨損雖然取決于電弧能量，但還與觸頭分?jǐn)嗨俣鹊扔嘘P(guān)，且電磨損與電弧能量沒有比例關(guān)系。因此要對(duì)斷路器觸頭電磨損、電壽命監(jiān)測(cè)作進(jìn)一步研究，對(duì)斷路器觸頭進(jìn)行電壽命監(jiān)測(cè)需要解決電壽命的概念和工程實(shí)施方法問(wèn)題。另外，大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，從斷路器累計(jì)電磨損的角度考慮，雖然燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)單次開斷是隨機(jī)的，但對(duì)多次開斷，其平均燃弧時(shí)間則是趨近的 (20 次開斷與 30 次開斷的平均燃弧時(shí)間有幾乎相同的標(biāo)準(zhǔn)差 )。即隨機(jī)因素對(duì)燃弧時(shí)間分散性的影響從累計(jì)的角度來(lái)考慮可以忽略不計(jì)，也就是說(shuō)，斷路器的電磨損可以僅用開斷電流作參照量。 本文采用觸頭累積磨損量作為判斷電壽命依據(jù)的高壓斷路器觸頭電 壽命監(jiān)測(cè)和診斷方法?；谠摲椒ㄩ_發(fā)的裝置與傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更能準(zhǔn)確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實(shí)施。 分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法