張 旭 孔志武 彭躍輝 王巖妹

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，隨著使用年限的增加，斷路器機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑、彈簧疲勞等機(jī)械故障會(huì)逐漸顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響斷路器分合閘的可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械故障占斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的45.7%[1-2]。加強(qiáng)對(duì)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究，對(duì)提高斷路器可靠性具有重要意義[3]。

本文基于CT□-2.6Ⅰ型斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行該型斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)與彈簧壓力傳感器的一體化設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行精密放大，完成對(duì)彈簧壓力的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警。

1 斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)與彈簧壓力傳感器一體化設(shè)計(jì)

斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械零部件較多，傳動(dòng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，且操作功較大，工作時(shí)具有較大的振動(dòng)噪聲，植入壓力傳感器不僅要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、耐用性和校準(zhǔn)的便捷性，還要考慮壓力傳感器與彈簧機(jī)構(gòu)特性匹配，即機(jī)構(gòu)植入壓力傳感器后不應(yīng)影響其分合閘操作[4-5]。本文設(shè)計(jì)的斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)與彈簧壓力傳感器一體化機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)整彈簧形變量，將彈簧壓力值與原設(shè)計(jì)彈簧壓力值保持一致。通過(guò)專業(yè)設(shè)備測(cè)試，一體化機(jī)構(gòu)機(jī)械特性主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，滿足該型號(hào)機(jī)構(gòu)所配斷路器的機(jī)械特性要求。

表1 一體化機(jī)構(gòu)機(jī)械特性主要技術(shù)參數(shù)

圖1 所示為斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)分、合閘彈簧壓力傳感器安裝位置示意圖，合閘彈簧壓力傳感器、分閘彈簧壓力傳感器均固定在其靜端。合閘彈簧一端由合閘彈簧筒支撐，另一端在合閘彈簧拉桿和合閘彈簧壓板的作用下處于壓縮狀態(tài)，合閘彈簧壓力傳感器位于合閘彈簧和合閘彈簧筒之間；分閘彈簧一端由分閘彈簧筒支撐，另一端在分閘彈簧壓桿和分閘彈簧壓板的作用下處于壓縮狀態(tài)，分閘彈簧壓力傳感器位于分閘彈簧和分閘彈簧筒之間。

圖1 斷路器彈簧機(jī)構(gòu)傳感器安裝位置示意圖

2 斷路器機(jī)構(gòu)彈簧壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈簧壓力。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元將壓力傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA 信號(hào)后上傳給智能監(jiān)測(cè)裝置，在裝置內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、狀態(tài)診斷，并將診斷結(jié)果上傳到監(jiān)控后臺(tái)[6]，通信結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

1）壓力傳感器設(shè)計(jì)

壓力傳感器采用高度低、截面小的設(shè)計(jì)方式，使得機(jī)構(gòu)壓桿可以穿過(guò)傳感器，且傳感器的安裝和介入不改變彈簧機(jī)構(gòu)的調(diào)試、檢修和機(jī)械特性。傳感器具有足夠的抗壓、抗振、抗沖擊能力，確保在彈簧最大力值條件下長(zhǎng)期、可靠穩(wěn)定工作[7-8]。

壓力傳感器的線性測(cè)量誤差、重復(fù)性測(cè)量誤差、滯后誤差等參數(shù)依據(jù)JJG 391—2009《力傳感器》檢定規(guī)程設(shè)計(jì)，工作條件依據(jù)Q/GDW 1535—2015《變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)通用技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)[9]。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

2）數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)分、合閘彈簧壓力傳感器感知信號(hào)的采集、處理、傳輸?shù)裙δ?，其設(shè)計(jì)性能滿足表3 要求。

表3 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量誤差為

式中：E為絕對(duì)測(cè)量誤差；M1為數(shù)據(jù)采集單元測(cè)量數(shù)據(jù)；M2為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器測(cè)量數(shù)據(jù)。

3）智能監(jiān)測(cè)裝置選型設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)IED 硬件平臺(tái)采用研華科技MIC—1816 工控機(jī)，MIC—1816 具有集成的數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)調(diào)理功能，可提供數(shù)字I/O，模擬I/O 和計(jì)數(shù)器功能。同時(shí)還支持串行通信端口和其他幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成和快速的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)采用ubuntu12.04，Linux 3.13 內(nèi)核，具有較好的人機(jī)交互能力。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)分合閘彈簧壓力傳感器數(shù)據(jù)接入，實(shí)時(shí)采集、解析分合閘彈簧壓力值，根據(jù)算法模型診斷彈簧疲勞狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警。

系統(tǒng)軟件基于Qt 開(kāi)發(fā)框架。主程序讀取配置文件，根據(jù)所配置模式開(kāi)啟通信線程，成功讀取到通道數(shù)據(jù)后發(fā)送讀結(jié)束信號(hào)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程響應(yīng)并啟動(dòng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，成功存儲(chǔ)后發(fā)送接線信號(hào)，數(shù)據(jù)處理線程響應(yīng)并啟動(dòng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。IedServer對(duì)象在程序運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建，啟動(dòng)協(xié)議棧，采用QList進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，循環(huán)組織報(bào)文實(shí)現(xiàn)制造報(bào)文規(guī)范（MMS）服務(wù)端功能[10-11]。軟件設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用

目前該系統(tǒng)已通過(guò)出廠測(cè)試，測(cè)試初始狀態(tài)為合閘已儲(chǔ)能狀態(tài)，測(cè)試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的壓力值與校驗(yàn)工裝檢定的壓力值誤差在誤差區(qū)間內(nèi)（±500N），分合閘彈簧壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 分合閘彈簧壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

目前系統(tǒng)正在浙江某智能化試點(diǎn)站設(shè)計(jì)試用，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面分別如圖5～圖7 所示。

圖5 分閘儲(chǔ)能狀態(tài)動(dòng)作曲線

圖6 合閘自儲(chǔ)能狀態(tài)動(dòng)作曲線

圖7 分閘未儲(chǔ)能狀態(tài)動(dòng)作曲線圖

4 結(jié)論

本文從電力系統(tǒng)GIS 設(shè)備質(zhì)量提升角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)彈簧壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)彈簧斷裂和疲勞松弛的在線監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，該系統(tǒng)可通過(guò)分析監(jiān)測(cè)壓力值與出廠壓力值變化情況，提前預(yù)警斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)彈簧疲勞狀態(tài)，彌補(bǔ)目前斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)無(wú)法提前預(yù)警的不足，對(duì)于提升斷路器可靠性具有重要意義，符合智能變電站的發(fā)展要求。