【正文】 的檢修開支和停電時間，提高供、電配電可靠性。 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(jī)因槽放電[5]導(dǎo)致電機(jī)損壞現(xiàn)象，提出并研究了在電機(jī)運行條件下對槽放電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視。 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(jī)構(gòu)，每年召開 1－ 2 次學(xué)術(shù)交流會議。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(qiáng)的技術(shù)實力。各單位相繼研制了不同類型的監(jiān)測裝置。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。隨后，機(jī)械部、電力部也先后將諸如“大電機(jī)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(jìn)入全速發(fā)展階段。 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(jìn)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(xì)的分析診斷基本上由試驗人員完成。 （ 2）對變電站的整個電氣設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視和診斷。 （ 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。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。 （ 3）系統(tǒng)應(yīng)具有自檢和報警功能。 （ 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。 （ 7）系統(tǒng)應(yīng)具有故障診斷能力。從某種意義上講“ GIS 技術(shù)”和“狀態(tài)維修 ”概念促進(jìn)了高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。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(jì)損失。從這種意義上講，加強(qiáng)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。目前，國家依然推行的是計劃性預(yù)防檢修。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 具有占地面積小、維 3 護(hù)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(rèn)，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。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(jìn)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。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(jìn)了高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)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(jìn)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。 （ 2）高壓斷路器的機(jī)械振動信號包含豐富的信息，受到國內(nèi)外普遍重視。 （ 4）測量靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻以檢測觸頭的燒損情況。 （ 6）絕緣監(jiān)測。 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。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(jìn)行定位和監(jiān)測，目前尚未投入實際應(yīng)用。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(jìn)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 。 （ 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。 （ 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(qiáng)大的單片機(jī) MSP430[10， 11]。以該單片機(jī)為核心，構(gòu)造硬件電路對斷路器的各參量進(jìn)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 第 2 章 在線監(jiān)測方案設(shè)計 機(jī)械特性在線監(jiān)測 高壓斷路器依靠其機(jī)械部件的正確動作來完成其職能，因而每個組成 部件的機(jī)械牢固性極為重要。且大多數(shù)故障是操作機(jī)構(gòu)的問題，如拒分、拒合或不能開斷。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。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。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(jìn)行人工處理和計算，而且測量的誤差大，檢修工作的時間長。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(qiáng)等缺點。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)。以Ｚ 80 單板機(jī)作微處理器的微機(jī)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(dá)不到對速度、行程、超行程的測量精度，隨著 MCS51 系列單片機(jī)的出現(xiàn)而逐漸被淘汰。在使用前檢修試驗人員必須仔細(xì)閱讀使用說明，但即使這樣，往往在變電站現(xiàn)場中還是出現(xiàn)因檢修試驗人員接線或使用不當(dāng)而導(dǎo)致測量出錯或儀器損壞的情況，因此仍需進(jìn)一步改進(jìn)。 上述 對高壓斷路器機(jī)械性能的檢測，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，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行部件更換或者檢修等工作。因此，為了更好的了解斷路器的工作狀況，對 斷路器的機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測是一種很好的途徑。因此，斷路器的機(jī)械特性參數(shù)對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行意義重大?，F(xiàn)將某廠生產(chǎn)的 25LW 126 型 6SF 高壓斷路器分合閘型式試驗時所記錄的時序圖示于圖 、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)。 分閘時間：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間間隔 【 15】 。 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 。 分閘不同期：從首極分開始到所有極都分為止的時間之差。 剛分閘速度：分閘輔助接點接通后 10ms 內(nèi)的平均速度。 分閘最大速度：分閘全過程中的最大速度。 分閘平均速度：分閘過程中中間 80％行程的平均速度。各個動作過程又是順序時間鏈的子時間鏈。為方便說明和表示，現(xiàn)將合閘、分閘過程時序示意圖示于圖 ，圖 。 [16] 8 主觸頭超行程如果不借助振動信號將無法求取。 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、速度和時間三種參量，而行程又為速 度和時間的乘積，所以在斷路器的參量求取中，我們至少要知道兩個量才能得出斷路器的機(jī)械特性參數(shù)。事實上是單片機(jī)的定時器配合斷路器分、合閘過程中的如下輸入信號： （ 1） 分、合閘命令信號。 （ 3） 高壓斷路器主軸連桿位移量。 （ 5） 輔助接點狀態(tài)信號。 斷路器的分、合閘過程瞬間即可完成，故此要求系統(tǒng)的實時性極強(qiáng)。所以，為了提高測量精度和測量結(jié)果 的有效性，在本設(shè)計中，狀態(tài)量為中斷方式輸入，沒有延時；位移量脈沖記錄由高速計數(shù)器自動完成；模擬信號的采樣頻率為 6000Hz，最大延時不超過 。 b、位移量采集 [17～ 19] 9 位移量采集是靠光電式行程傳感器 來實現(xiàn)的。光柵移過一個孔距△ S，產(chǎn)生一個周期的脈沖信號即為一個周期 T(一次光照和一次非光照為一個周期 )。這樣，根據(jù)某一行程處的孔距△ｓ和對應(yīng)的脈沖信號周期 T，即可求得該行程處的平均速度 V，從累計脈沖數(shù)又可求得行程。現(xiàn)在一些生產(chǎn)廠家 干脆在合閘時只測超程，在分閘時只測開距，以回避彈跳過程。的光電斷續(xù)器構(gòu)成光電位移傳感器，根據(jù)兩路輸出信號的超前滯后關(guān)系，決定分、合閘的運動方向。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動時，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，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路處理后，得到上升沿窄脈沖信號 A 、 A 、 B 、 B 對窄脈沖信號進(jìn)行運算處理，輸出兩路加減計數(shù)脈沖 P +和 P ： P? = AB? + AB? + BA? + BA? () P? = AB? + AB? + BA? + BA? () 公式（ ）、（ ）的目的有兩個： 將計數(shù)分辨率提高四倍； 實現(xiàn) 正、反兩個方向的計數(shù)。其中 AT 中存放正向移動的位移量， BT 中存放反向移動的位移量。且任一時刻的計數(shù)速率就是此時的速度。需要計算與轉(zhuǎn)換的有位移量、時間量、速度量，其中首先要確定的是各動作時刻在分、合閘操作時間序列中的位置確定各時間參量，由此配合各序列點位移量確定各位移參量，再由位移量與時間量算出各速度參量。合閘時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間間隔；分閘時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間間隔。由于起始的依據(jù)是判合、分閘電磁鐵線圈中有電流通過，所以啟動電流的定值（即門坎值）的大小將影響著測量精度，也影響著測量系統(tǒng)穩(wěn)定度。關(guān)于換位點的確定不同文獻(xiàn)有不同的方法。 b、行程、超行程的確定 在各點時間量和相對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。且合閘行程和分閘行程是相等的。故此可以 通過捕獲得到行程全程中任一行程位置點在分、合閘操作中發(fā)生的時刻。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?；∮|頭超行程起始于三相弧觸頭合而止于操作穩(wěn)態(tài)位置。這里的主要問題是如何確定超行程的起始點，即如何有效的提取三相觸頭全合信號。太大則造成起始點選取不精確，太小則降低抗干擾能力。關(guān)鍵問題是：如何有效的提取首相開始有電流和三相全部有電流信號。我們的采樣周期為 1/6ms， A/D 工作于中斷方式，采樣到首相合信號后就一直等待記錄三相合信號，故可以實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測量。這樣長的時間里，必將有幾個采樣點落在該區(qū)間里，故此可以準(zhǔn)確測量。 d、速度的確定 剛合、剛分速度可以由輔助接點變位后 10ms 內(nèi)的平均速度來反映； 平均速度在已知行程長度（例如 25LW 126 斷路器的行程為 145mm152mm[10， 11] 情況下，由計數(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)計情況下無論如何是無法知道的。而我們可以精確測得平均速度，故本在線監(jiān)測裝置只給出平均速度。通過對分合操作線圈動作電流的監(jiān)測，運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動有無卡滯等，為檢修提供一個輔助依據(jù)。在線監(jiān)測設(shè)備只是提供 數(shù)據(jù)給監(jiān)控機(jī)，由監(jiān)控機(jī)上運行的專家系統(tǒng)軟件來完成分析過程。分、合閘時間和分、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； 滅弧觸頭的剩余長度反映電磨損；同期反映滅弧觸頭的平整度及燒損情況。事實上，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，斷路器觸頭的燒損機(jī)理不同，燒損相差更大。因此要對斷路器觸頭電磨損、電壽命監(jiān)測作進(jìn)一步研究，對斷路器觸頭進(jìn)行電壽命監(jiān)測需要解決電壽命的概念和工程實施方法問題。即隨機(jī)因素對燃弧時間分散性的影響從累計的角度來考慮可以忽略不計，也就是說，斷路器的電磨損可以僅用開斷電流作參照量?；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，且易于工程實施。在被開斷電流變化范圍寬、短路電流含有直流分量、短路電流大到一定程度時 CT 會出現(xiàn)不同程度的磁飽和等因素的影響下，恰當(dāng)?shù)倪x擇算法是很困難的。 在這種情況下，我們選擇了最大斜率算法 [20， 21]來計算短路電流值。 a﹑ 最大斜率算法 設(shè)處理后的輸入信號為： u = 2 U sin（ t? +? ） + （ ） 則求導(dǎo)后則為： u′ = 2 ? U cos（ t? +?