引言 現代高壓電氣設備是以高性能、智能化、免維修為發展趨勢。電氣設備從現行的計劃檢修向狀態檢修轉變已成為必然趨勢。高壓斷路器是電力系統中重要且數量巨大的電氣設備，斷路器發生故障造成的損失，遠遠超出斷路器本身的價值[1>。為了提高斷路器工作的可靠性，必須采取相關措施，防患于未然。建立高壓斷路器的狀態檢修環節，可以預測故障先兆，克服定期檢修的盲目性，同時也為制造出智能型的免維修斷路器摸索和積累了資料。本文討論實現高壓斷路器狀態在線監測的原理和技術。 斷路器是非常復雜的電氣設備，斷路器的劣化涉及到熱、電、機械、環境等多方面的因素，雖然對斷路器的故障監測與診斷已有較長時間的研究，但至今仍然沒有一個完善的、成熟的斷路器壽命評估模式[2>。目前的斷路器在線監測模式大多采用檔次不高的單片機作為主控制器，構成獨立的監測裝置。由于單片機的速度、字長、擴展能力等方面的局限性，存在采樣信號較少、采集數據不足、對運動過程缺乏記錄、分析精度不高、計算模型簡單等問題，診斷結論缺乏說服力[2>，同時存在人機交互性不夠友好、聯網能力較差的缺點。 本文認為上述問題的解決應從以下三方面入手： 1） 斷路器監測信號的合理選擇以及先進傳感器的選型與安裝是狀態診斷的前提與關鍵； 2） 選用高性能的CPU作為監測裝置的核心，是決定監測系統性能指標的基礎條件； 3） 改監測裝置為監測系統，采用分布式的體系結構，靈活方便，使得智能性、擴展性大大增強。 本文提出的高壓斷路器狀態在線監測系統是采用分布式結構，其中在線監測單元以TI公司的高性能數字信號處理器DSPVC33作為主控制器，能對斷路器的眾多關鍵參數進行長數據錄波，綜合診斷，具有就地顯示和遠程網絡功能，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 高壓斷路器在線監測項目 特征提取是在線監測的首要環節，盲目采用過多的傳感器采集斷路器的狀態特征既不現實也不經濟[3>。本文立足于在線監測的實用化，僅直接提取關鍵特征，經數學分析推斷出斷路器的狀態和性能。在線監測的主要項目有： 1.1 斷路器觸頭的電磨損 斷路器的每次開斷都會對觸頭產生一定程度的損傷，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。對斷路器觸頭電壽命的診斷，實踐證明僅考慮累計開斷電流和累計開斷次數是不科學的。合理的辦法是依據開斷電流的大小，評估出該次開斷的觸頭磨損量，再累積每次開斷的觸頭燒損量，作為電壽命判別的依據。 各種型號的斷路器都可以得知其額定短路開斷電流下的允許開斷次數，設額定短路開斷電流下允許開斷次數為N，定義一臺全新的斷路器的觸頭相對電壽命（磨損量）為100%。則每次額定短路開斷電流開斷時的相對磨損為1/N，根據不同斷路器的N-Ib曲線，即可求得任意大小開斷電流Ib的對應允許開斷次數Nb，則對應的單次開斷的相對電磨損量為1/Nb，這樣可求出任一次開斷時的相對電磨損量，也可求出該斷路器的相對電壽命L=L1- å（1/Nb），L1為斷路器電壽命的初始值，是一個不大于1的百分數，其值由斷路器的運行歷史決定，新投運的或經過大修后的L1可取為1。根據以上方法和試驗結果，本文采用的電壽命計算曲線可在下表的基礎上插值實現。表中Ib為任一次開斷電流，Ie為額定短路開斷電流，N為額定短路開斷電流下的開斷次數，Qm為對應開斷電流Ib時的觸頭相對電磨損量。 1.2 斷路器的機械壽命監測 高壓斷路器故障統計中，故障概率最高的是操作機構故障。據統計，有40%至60%的高壓斷路器的操作事故是由機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構動作性能的關鍵特征，電流波形中蘊含豐富的信息。圖1所示的是一個典型的斷路器開斷短路電流的跳閘回路電流，T0為分合命令到達時刻，T1為鐵芯開始運行時刻，T2代表鐵芯觸動操作機構的負載后減速或停止運行的時刻，T3可視作開關輔助a接點斷開線圈電路時刻，T0-T1與控制電源及線圈電阻有關，T1-T2的變化表征電磁鐵鐵芯運行機構有無卡澀、脫扣及機械負載變動情況，T2-T3或T0-T3可以反映操作傳動系統運動的情況。通過以上幾個不同特征時間的分析即可診斷斷路器部分機械故障趨勢，包括拒分、拒合等故障。 1.2.2 斷路器開斷過程的時間行程特性曲線 斷路器的時間行程特性曲線中蘊含多種信息，包括分合閘時間、同期性、速度以及行程信號等。這些信號與斷路器的滅弧室性能、燃弧時間以及弧后介質的恢復、合分閘彈簧的性能等相關。 1.2.3 斷路器動作時的振動波形 斷路器在操作時，對應機構中的每一部件的動作在振動信號時間圖上都會有一個振動脈沖，對于不同的操作，各部件的振動脈沖出現的順序是不變的，振動波形具有良好的重復性，因此用振動信號分析斷路器的動作特性是有效的，振動分析法對于斷路器機構的變形、潤滑故障診斷靈敏度高，也是機構和滅弧室磨損、部件故障、裝配失誤等的特征表象[3>。可以在裝置投運時，經若干次規定的例行操作，現場錄取該斷路器的振動波紋做“指紋”，作為診斷的參考。 2 高壓斷路器在線監測的傳感器選型 綜上所述，斷路器工作狀態的檢測可采用電流、行程、振動三種類型的傳感器實現。為了不影響斷路器的正常工作，盡量采用非接觸檢測方法，傳感器在斷路器體外安裝，且無可調整部件，不需現場整定，受環境因素的影響小。 2.1 斷路器觸頭的開斷電流檢測 斷路器觸頭的開斷電流為交流電流量，本文選用穿心型保護CT實現。 輸入信號范圍為0-100A，輸出信號峰峰值為－5V～＋5V。 2.2 分合閘線圈電流檢測 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口安裝，不影響斷路器的二次接線。輸入信號范圍為0-20A，輸出信號為4～20mA的直流電流。霍爾傳感器是基于霍爾效應的原理。所謂霍爾效應是指若在一半導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強度為B的磁場，則在垂直于電流和磁場方向上將產生電勢UH的現象,所產生的電動勢稱為霍爾電壓或霍爾電勢。當霍爾元件的材料和幾何尺寸確定之后，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應強度B，即UH=KHIB，對于確定的霍爾元件而言，KH為常數。霍爾傳感器結構簡單，頻率響應寬，可實現非接觸檢測。 2.3 斷路器動觸頭的行程檢測 動觸頭的行程為直線位移，通過測量連動機構的角位移間接實現。本文采用旋轉式光電編碼器實現。旋轉式光電編碼器的特點是重量輕、力矩小、可靠性高，廣泛用于各種角位移測量的場合。光電編碼器由碼盤、光源和光電元件組成[4>。碼盤有三個碼道組成，最外圈碼道為增量碼道，碼道上分布有相當數量的透光和不透光的扇形區；中間碼道為辨向碼道，扇行區位置與增量碼道錯開半個扇形區；內層碼道只有一條透光的狹縫。使用時碼盤隨被測目標一同旋轉，3對光源和光電元件布置在碼盤的兩側，位置對稱，則外層碼道的光電元件輸出的脈沖數反映了被測目標轉動角度的大小；外層碼道與中間碼道的輸出相位差反映了被測目標的轉動方向；內層碼道的狹縫作為碼盤的基準位置，輸出信號提供一個初始零位信號。增量碼道上扇形區數目的多少，決定了編碼器的分辨力。光源一般采用發光二極管，光電元件一般采用硅光電池或光電晶體管。旋轉式光電編碼器安裝在斷路器連動機構的轉動軸上。 2.4 振動信號檢測 壓電式加速度傳感器是是振動測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、線性動態范圍大、體積小、安裝形式多樣等一系列優點。壓電式傳感器是基于壓電效應的原理。所謂壓電效應是指正壓電效應，當沿著一定的方向對某些電介質加力而使其變形時，內部產生極化現象，在它的兩個表面上產生極性相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態，這種機械能轉化為電能的現象稱為正壓電效應。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量塊組成。由于質量塊產生正比于加速度的慣性力，此力作用在壓電片上，由正壓電效應使壓電片表面產生正比于加速度的電荷。 2.5 開入量 裝置同時檢測斷路器動作的相關節點狀態，并將這些節點狀態和以上各類傳感器的輸出信號相結合，用來分析各種機械性能。 3 高壓斷路器在線監測系統的硬件結構 為了實現狀態檢修的目的，高壓斷路器在線監測系統應具有各種數據采集、信號分析、故障診斷、數據管理等功能，并且具有良好的人機界面，系統中的各功能模塊能夠實時有效地通訊。系統結構如下圖所示。 系統的核心是分布式的斷路器在線監測裝置，該裝置采用模塊化背插結構，包括DSP主控板、MMI模件、模入、開入、開出模件和電源模件。斷路器在線監測裝置安裝在現場，它采集傳感器輸出信號，進行在線分析處理后，將設備狀態實時顯示在液晶面板（MMI）；并通過CAN總線送往上位機（PC），上位機系統調用高級應用算法，實時計算斷路器相關指標并累積歷史數據，給出歷史評價。DSP主控板是以TMS320VC33為核心的智能控制模件，它的任務可分為4個方面：信息采集、處理計算分析、控制輸出以及通訊。由于液晶模塊的驅動與現場顯示任務量較大，故設計中將顯示功能獨立于DSP主控板，由以89C51為核心的MMI模件獨立執行顯示功能。DSP主控板與MMI模件用RS-232連接，采用簡單的主從式串行通訊協議。而DSP主控板與上位機之間的距離較大、傳輸數據量也更大，上位機要根據收到的數據進行更嚴密的推理，所以采用高可靠、實時性強的CAN總線連接。 DSP芯片TMS320VC33是美國TI公司推出的TMS320C3X系列的浮點式數字信號處理器，它是在原來的TMS320C31浮點DSP的基礎上開發一個價格更低的版本，該產品以高速、低功耗、低成本、易于開發為顯著特點。由于采用了內部1.8V，外部3.3V供電，因而功耗比原有型號降低了大約一個數量級，帶有32b的高性能CPU，具有高速的浮點運算能力，能支持高達75MIPS的運行速率，并且帶有34K´32b（1.1Mb）的片內雙靜態RAM。片內存儲器可映射外設，其中包括一個串行口、2個32b定時器和一個DMA；具有程序引導功能，程序可以由低速的EPROM裝人到系統的高速RAM全速運行。DSP主控板以DSPVC33為核心，擴展有存儲器模塊、通訊接口模塊、看門狗電路等。DSP的高速運算能力以及運行速率使得對電流信號的一周波108點高密度采樣、對角位移行程傳感器輸出的高頻脈沖采樣得以實現。 4 裝置的軟件結構簡介 斷路器在線監測裝置的軟件包括DSP主控板軟件和MMI模件軟件。DSP主控板軟件是系統控制的核心，MMI板的軟件依賴于DSP主控板的數據。DSP主控板的程序可劃分為監控程序、通訊程序、采樣程序和計算程序四個主要的功能模塊。監控程序是主循環，采用仿嵌入式實時多任務操作系統的任務調度機制，并對裝置自檢。采樣程序完成對輸入量高速采樣、錄波，生成時鐘等任務。計算程序完成斷路器操作時的各類在線監控指標的捕捉和計算。通訊程序按規約對通訊數據進行封裝，并發送或接收數據。 5 結語 電氣設備在線監測是變電站自動化的拓展功能，斷路器的狀態在線監測是其中的一項主要內容。本文介紹了一種基于高速浮點DSP的斷路器在線監測裝置，介紹了該裝置的監控功能和所采用的傳感技術。該裝置通過檢測故障電流、分合閘線圈電流波形、觸頭行程等信號計算分析高壓斷路器的電壽命、機械壽命并評估斷路器的動作性能。該裝置已投入現場使用，性能穩定，效果良好。