（高电压与绝缘技术专业论文）断路器在线状态信息量的提取及软件设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着电力系统的发展，计划检修已不能很好地适应系统经济性和可靠性的要求。 状态检修取代计划检修是一种发展趋势。电气设备的状态检修是根据运行设备当i j i 的“健康状况”而制订检修计划的。因此，需要在线状态监测和诊断技术提供运行 设备当前的状态信息。 统计表明，断路器故障绝大部分是操动机构故障。操动机构故障又分为操动机 构的机械故障和操动机构二次部分的故障。通过在线监测断路器的关键信息量可以 诊断其实时状态。 本文概括了断路器在线监测与诊断系统的结构和功能，在介绍系统硬件功能的 同时给出了下位机主程序和录波中断服务程序的流程图。结合上下位机串口通讯协 议和现场要求选择了i 峪4 8 5 作为通讯接口，通讯速率选择为5 7 6 0 0 b p s 。 断路器动作时下位机对振动信号、分( 台) 闸线圈电流信号、主网路电流信号 以及辅助开关信号各进行1 7 0 m s 的录波。上位机在查询时将存于下位机r a m 内的数 据取上来。计算丌断电流采取分段处理的办法：负荷电流采用傅氏算法，短路电流 采用最大斜率算法。通过对触头电磨损量影响因素的分析，标定了各种断路器相对 电寿命的计算方法。对下位机所录的各种波形进行了关键信息量的分析和提取，确 定了断路器状态诊断的方法。 上位机软件采用v i s u a lc + + 6 0 语言编写。在编写软件之f i ，制订了现场监测 单元i d 号的编订方法，计算了上位机的查询时间，设计了数据库和波形文件格式和 存取方式。在此基础上完成了在线监测与诊断系统的软件系统设计。软件系统设计 在本文中以漉程图的方式给出。最后，本文介绍了断路器在线监测与诊断系统的操 作界面。 关键词：状态检修在线监测与诊断电寿命机械状态动作波形软件设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，s c h e d u l em a i n t e n a n c ec a n ta d a p tt o t h e r e q u e s to ft h es y s t e m i ti s at r e n dt h a tt h es c h e d u l em a i n t e n a n c ew i l lb er e p l a c e db y c o n d i t i o nm a i n t e n a n c e ，w h i c hm e a n st h a tm a i n t a i no rn o td e p e n d so nt h es t a t u so ft h e e q u i p m e n t 。t h e r e f o r e ，t h es t a t u so f t h ee q u i p m e n t m u s tb eg i v e nf i r s t c i r c u i tb r e a k e ra c t sa sb o t hc o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i o ni np o w e rs y s t e m i ti sk n o w n t h a ta l m o s t6 5p e r c e n tf a i l u r e sl i ei no p e r a t i o nf a c i l i t y , i n c l u d i n gm e c h a n i c a la n ds e c o n d a r y f a i l u r e s t h es t a t u so fc i r c u i tb r e a k e rc 锄b ed i a g n o s e dw h e ns o m ep i v o t a ls i g n a l sa l e m o n i t o t e do n 1 i n e 1 ti sd e s c r i b e dt h a tt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fo n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s s y s t e mf o rc i r c u i tb r e a k e ri nt h i sp a p e r i tg i v e sb o t ht h em a i n a n dt h ei n t e r r u p t i o nf l o w c h a r to ft h ef i e l dm o n i t o ru n i t a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a p p r o p r i a t e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n db a u dr a t ea f ec h o s e l l t h ef i e l dm o n i t o ru n i ts a m p l e s17 0 m sw a v e sf o rv i b r a n ts i g n a l ，c u r r e n ts i g n a lo fo p e n ( c l o s e ) w i n d i n g ，m a i nc u r r e n ts i g n a la n da u x i l i a r yc o n t a c t o rs i g n a lw h e n c i r c u i tb r e a k e r o p e n so rc l o s e s s u b s e c t i o ni sa d o p t e dw h i l ec a l c u l a t i n go p e nc u r r e n t i ta l s og i v e st h e f o r m u l a t i o nt ot a l c u l a t et h ee l e c t r i c a le n d u r a n c ef o rd i f f e r e n tc i r c u i tb r e a k e r s b a s i n go nt h e a n a l y s i so fk e yi n f o r m a t i o na b s t r a c t e df r o m t h ew a v e s ，t h es t a t u so fc i r c u i tb r e a k e rc a nb e d i a g n o s e d b e f o r e 。w r i t i n gt h ep r o g r a m ，t h er e g u l a t i o nf o ra r r a n g i n gi dn u m b e ro f f i e l du n i ti s i n t r o d u c e da n dt h eq u e r yt i m ei sc a l c u l a t e d w h a t sm o r e ，t h ef o r m a t i o na n dt h ew r i t i n ga n d r e a d i n gm e t h o df o rd a t a b a s ea n d w a v ef i l e sa l ea l s og i v e n s o f t w a r ed e s i g ni sd e s c r i b e d t h r o u g hf l o w c h a r t sa tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：c o n d i t i o nm a i n t e n a n c e o n - l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s e l e c t r i c a le n d u r a n c em e c h a n i c a ls t a t u s o p e n a n dc l o s ew a v e s o f t w a r ed e s i g n n 独创眭声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：埘刍日蜮 日期 吖年；月 z 日 学位论文授权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文a 保密口可年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：锄b 只哦 指导教师签名： 日期：w o 侔3 月观日 同期：咖乒年；月五胡 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 在线监测与诊断技术是实现状态检修的必然要求 目前，我国变电站电气设备的检修工作主要是按照电气设备预防性试验规程 的要求定期进行预防性试验i m l ，根据试验的结果来判断设备的运行状态，从而确定 是否可以继续投入运行。长期以来，坚持预防性试验对我国电力系统的安全运行起 到了很大的作用。但随着电力系统的大容量化、高电压化和结构复杂化，随着工农 业生产的发展和用电部门重要性的提高，对电力系统安全可靠性指标的要求也越来 越商。这种传统的试验与诊断方法已越来越不适应需要，主要表现在： ( 1 ) 试验时需停电，造成少送电，并给经济生活带来一定的影响。在某些情况 下，由于系统运行的要求，设备无法停电，往往造成漏试或超周期试验，这就难以 及时诊断出缺陷或故障。 ( 2 ) 试验周期长。预防性试验的周期一般为一年，一些发展较快的故障很容易 在两次规定试验之间的时间内发展成为事故。 ( 3 ) 试验时问集中、工作量大。预防性试验往往集中在春季，由于要在较短的 时间内完成大量设备的试验任务，- - n 劳动强度大，二则难以对每台设备都进行十 分仔细的检测和诊断。 ( 4 ) 试验电压低，渗断的有效性值得研究。传统的预防性试验，试验电压一般 在1 0 k v 以下。随着电力系统电压的提高，试验电压与设备运行电压之间的差距越来 越大。由于试验电压低，一些一般性的缺陷不易被发现，而且试验现场的各类干扰 的影响也相应加大影响了试验结果的准确性。 有关统计表明，变电站维护费用6 0 以上用于电气设备的小修和例行检修上， 1 0 的电气设备故障是由于不正确的检修所致，某些电气设备的解体大修，既费时， 费用也很高，可达整个设备的三分之一甚至二分之一，而且解体和重新装配会引起 很多缺陷，出此产生的事故例子更是不胜枚举。况且对于电气部分的哪些部件( 或 重要元件) 运行多长时间需要更换，仍是一个有争议的问题。事实上在目前比较俣 守的计划检修中，时常发生许多部件运行很多年后更新时，性能仍良好的现象。而 由于没有及时发现，某一部件出现缺陷而导致电网事故的情况也时有发生。因此如 华中科技大学硕士学位论文 粜能够了解设备的状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，傲到麻修则修，就 可以显著提高电力系统的可靠性和经济性。 基于以上原因，单靠传统的预防性试验和定期检修已不能满足电力系统飞速发展 的要求。为了确保电力系统的安全运行，最大限度地降低事故率，迫切需要实行电 气设备的状态检修【3 6 】。电气设备的状态检修是根据先进的状态监测和诊断技术提供 的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备的故障，在故障发生之前进行捡修的 种检修方式。即根据设备的健康状态来安排检修计划，实施设备检修。 近年来，人们已经发现，依靠设备的在线监测与诊断技术，实现设备的状态检 修，可以达到电力系统的下述要求： ( 1 ) 产品的质量问题使运行可靠性受到影响，采用在线监测可以在运行中及时 发现发展中的事故隐患，防患于未然。 ( 2 ) 逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备停电时问，节约试验费用。 ( 3 ) 对老化设备或已知有缺陷、有隐患的设备，用在线监测随时监视其运行情 况，一旦发现问题及时退出，最大限度地利用其剩余寿命。 随着传感技术、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、专 家系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中的应用，使基于设备 状态监测和先进诊断技术的状态检修研究得到发展，成为电力系统中的一个重要研 究领域。 1 2 断路器状态的在线监测 在电力系统的一次设备中，就单台设备而言，断路器是仅次予发电机、变压器的 大型电力设备，但就需用数量和所占电站设备的投资大小而言，它又排在二者之 前。它在电力系统中起着控制和保护的双重作用，它的动作可靠性直接关系到系统 的安全与稳定，许多重大设备损坏或系统列解而导致的停电事故都因断路器操作的 失常所致1 7 1 。鉴于断路器在电力系统中的重要性，必须通过种种手段对f 在运行中的 断路器进行健康水平的评估或诊断，进而有针对性地采取措施，最大限度地延长其 检修周期及使用寿命，增强其运行的可靠性。因此，对断路器健康状态的在线监测 与诊断是电力工业不可回避的重大课题。同时，也只有在对运行中的大量断路器实 施在线监测与诊断。摸索和积累大量第一手资料后才能制造出智能型带诊断功能的 免维修断路器。雨推行状态检修的关键在于采取在线监测与诊断技术对设备健康状 2 华中科技大学硕士学位论文 况进行监测与诊断。 c i g r e 于1 9 8 8 1 9 9 1 年对1 9 7 81 9 9 1 年投运的6 6 k v 及以上单压式s f 6 断路器 进行了可靠性调查，结果表明i 叫：在断路器的所有故障和异常中，因操动机构故障 造成的失效占总失效数的6 4 8 ，其中，操动机构机械故障占4 3 8 ，二次电气控制 和辅助回路故障占2 1 。应该说明的是操动机构包括两部分，一是机械部分，二是 包括控制机械部分进行分( 合) 闸操作的控制回路和辅助回路，如接线端予、接触 器、辅助开关、分( 合) 闸线圈、微动开关、马达、气体继电器、安全阀等二次元 件，简称二次部分。1 9 8 9 1 9 9 7 年全国电力系统对11 0 、2 2 0 、3 3 0 k v 和5 0 0 k v 的 s f 6 断路器共统计故障4 5 8 台次，其中机构故障3 0 4 台次。结果也表明i l0 j ：目前断路 器主要故障为操动机构故障，包括机械和二次部分。 操动机构的状态获取是十分复杂的。出现某一种故障，机构的状态特征可能很 多，同时。当机构的某一状态特征发生变化时，引起故障的原因或故障点也可能不 是唯一的f l 。目前用于诊断断路器操动机构状态的方法主要是采用信号比较法：当 某一表征信号与正常情况有变化时，就有可能发生了故障。而对引起故障原因的具 体类型和部位则还需要经验加以理论分析。实现断路器操动机构在线监测的方法很 多，如铁谱分析、红外线分轭、系统动态响应特性的测试分析、系统压力的动态测 试分析、元件壳体的振动信号分析、超声波分析等掣幢4 引。这些方法原理各异，现 场实现难度和成本也不同。因此如果要获取操动机构所有的状态特征既不现实，其 经济性也是电力部门不能接受的。如果能可靠地将断路器操动机构概率最大的故障 监测到，或者按照概率因素分配监测系统资源和重要性权重，这样既可以显著提高 设备可靠性，又可以降低监测系统的复杂性，节省费用，其性价比也大大提高。 1 2 1 断路器= 次部分的监测 当前断路器二次部分问题最多的是【1 5 4 9 l ：分( 合) 闸线霞烧毁、一次线接地或 接点接触不良、转换开关失灵、分( 合) 闸电磁铁卡涩、分( 含) 闸线圈最低动作 电压过低引起偷跳等。高压断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一级控制元件- 以直流为控制电源，直流电磁线圈即为分( 合) 闸线圈。分( 合) 闸线圈电流中包 含着重要的信息，可用作故障诊断的依据之一。监测分( 合) 闸线圈电流等信号， 还可以同时监测二次囡路的电压u 是否正常 根据二次回路动作时的最大稳定电流r ( 如果电流可以达到它的最大值) ，可以求出吲路电阻，据此可以监测回路的连接 是否可靠，有无断线、接地、转换开关失灵、分( 合) 闸线圈烧毁等问题。通过对 华中科技大学硕士学位论文 电磁铁启动电流i d 的监测，还可以监测最低动作电压u 。讯。如果加上打压电动机的 电流信号，则又可以监测电动机的工作状况和打压次数。 需要说明的是：辅助开关动作时间和主触头动作时间之间有着一定的配合关系。 断路器合闸之前，辅助开关b 触头必须闭合，保证断路器的正确动作：合闸完成 后，b 接点应可靠断开，以保证合闸线圈不被烧毁。合闸操作中，分闸回路a 接点一 般控制在断路器主触头接通后数毫秒接通，目的是使断路器一旦接到分闸命令能可 靠分闸。辅助开关的切换与主触头的运动存在一一定的配合关系，可通过监测辅助开 关切换时间来监测运行中不好直接测量的合( 分) 时问。 对于每台断路器，其分( 合) 闸电流曲线有独特特征。通过上述各量的监测， 可以综合判断断路器二次部分的主要故障。 1 2 2 断路器机械部分的监测 断路器在动作时，会产生振动信号，对应机构中每一部件的动作，在振动信号 时f c i 】图上都会有一个振动脉冲，如图i - l 所示。任何一个操作中，脉冲出现的频 率是变化的，但脉冲的出现顺序是相对不变的。对于同一断路器同种状态下的重复 操作过程，外部振动信号在一定的范围内是稳定的。对于同一位置测得的相同情况下 的操作，其振动信号具有一定的相似性，而每台断路器的不同相或相同类型同批次的 断路器其对应的振动信号也具有相似性。机械振动波形是由一系列衰减的正弦波组合 而成的，外部振动响应的幅值与冲击力的大小成正比，振动的频率比及衰减的时问常 数与断路器的机械结构有关【1 9 - 2 ( i 。因此用振动信号分析断路器的特性是可行的。 02 0卸鞫 i o o 1 2 0 f ，n l _ 图i - i某弹簧机构的振动信号图 振动分析法对断路器机构变形、润滑、检修错误调整、内部部件工作不正常等故 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = 4 = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一= = = ： 障的渗断灵敏度高。一般地，传感器应装在关键部件( 故障率商、重要性商) 的扳 动源附近，反映的时间概念清晰，受其他下扰小，信号传输可靠。该位置的信号重 复性、稳定性要好。大量的试验表明，在灭弧室、操动机构的垂直方向或者二者之 问的位置安装传感器能满足要求。 通过对滤波后的振动信号数据的分析处理，可以获得机构的状态信号。通过与机 构的参考特征信号相比，可诊断机构的变形、磨损、润滑和部件故障，还可以监测 断路器灭弧室的磨损、装配失误等故障。 1 2 3 液压机构压力的监测 液压机构管路多，密封件多，接头多，管径尺寸复杂，密封翻使用的材料质量 不稳定。受气温影响大。制造工艺水平参差不齐，加上液压工作压力高。使得很多 液压机构存在不同程度的渗漏现象【2 1 】。由于渗漏引起的频繁打压、油气混合、压力 异常等造成的开关闭锁、高压油管爆管等事故也时有发生，严重影响电网的安全运 行。对于机构的渗漏，可以通过监测断路器操动机构关键部位的压力和渗漏来解 决。在关键渗漏部位安置压力传感器和油化学感应传感器，在压力异常时发出报 警。需要指出的是：要解决渗漏问题，关键在于改善密封加工的工艺水平和选用合 适的性能优良的材料。 1 2 4 小结 以上监测对象之间并不是孤立存在的，根据断路器故障概率统计和重要性确定 监测对象和方法，同时考虑到现场信号采集的方便性，结合各种监测量进行综合分 析。得出尽可能接近断路器的真实状态的结论。这样的在线监测与诊断系统的应用 可以显著降低故障率，也便于运行部门接受其经济性和方便性。实践和统计分析表 明，采用合理可靠的在线监测手段比常规试验和检修更能提高设备的可靠性。不仅 可节约检修费用，减少停电时间，而且可提高整个电网的经济效益。分析和实践表 明，采用机械振动信号、分( 合) 闸线圈电流信号、辅助丌关的触点信号以及其他 多种信号相结合的综合监测方法，可以方便而又成本低廉地在线监测断路器操动机 构的机械故障和二次部分的主要故障。 1 3 已有工作基础及任务要求 断路器在线监测与诊断系统采用下位机分散采集、上位机集中控制的结构模式， 华中科技大学硕士学位论文 可以对电厂或者变电站的各种类型断路器进行触头 乜寿命、机械状态、开断次数和 丌断电流等各种信息的监测。在整个系统中，每台断路器配装个现场监测单元 ( 一f 位机) ，下位机主要负责对所监测断路器的相关的信息进行采集，下位机的设 计、制板和调试工作已经完成。本文将完成下位机上传数据的处理及卜位机软件设 计部分的工作。系统结构和硬件部分的相关介绍见第2 章。 断路器在线监测与诊断系统要求上位机通过串口通讯将f 位机采集的各种信息取 上来，对信息进行分析处理，结合处理的结果诊断出断路器的当前运行状况。需要 上位机能够实时显示断路器的实时电流、丌断次数、累计刀：断电流、累计j 1 ：断次 数、剩余电寿命、机械状态等实时信息。提供断路器运行的历史记录、检修记录、 检修同志、开断记录、警示汜录以及动作波形的查询方法。当断路器有动作时，上 位杌必须给出准确的动作信息。当诊断出断路器有异常或者故障时，必须给出明显 的瞀示信息。此外，还需要上位机系统具备数据库各份和数据远传的功能。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 断路器在线监测与诊断系统的功能结构及硬件介绍 2 3 系统结构和主要功能 2 1 1 系统结构 断路器在线监测与诊断系统融合机械振动信号、分( 合) 闸线圈电流信号、断 路器开断电流与开断次数、辅助开关信号等多种信息量进行综合分析，根据分析的 结果诊断断路器当前运行的健康状态。能适用于少油或多油、s f 6 及真空三大类不同 电压等级的断路器。能同时对一个变电站所有断路器的触头电寿命及主要机械故障 和辅助电路进行实时监测与诊断，并给出明确的状态诊断信息。 断路器在线监测与诊断系统采用分散采集、集中控制的方式。从结构上可分为 两层：底层为现场数据采集单元。在断路器没有动作时，对主回路电流等相关量进 行采集；当有动作时，采集断路器动作时的信息( 如振动信号、实时电流、分( 合) 线 圈电流信号、辅助开关信号、储能电机打压信息等) 并进行存储，在上层查询时将 采集结果上传给上层；上层为上位机系统，它对现场单元上传的采集数据进行相应 的处理，并实现处理结果的存储、显示、打印等功能，实现对整个变电站所有断路 器的管理。颤路器在线监测与诊断系统结构图如图2 - 1 所示： 断路器1 的传感器 数据采 集单元1 断路器n 的传感器 2 1 2 系统主要功能 ( 1 ) 电寿命渗断功能 数据采 集单元n 显示器li 打印机 r 4 8 5 1 芝 图2 - l 系统结构图 7 华中科技大学硕士学位论文 记录断路器的开断电流和开颤次数。根据断路器电寿命的标定方法，计算触头 累计磨损量，监测触头的电寿命。当某台断路器电寿命达到闽值时给出警示信息。 ( 2 ) 机械状态诊断功能： 当断路器有动作时，能分析机械振动信号、分( 合) 闸线圈电流信号、主回路 电流信号以及辅助触头信号的波形，并与所录波形“指纹”进行比较，依波形的相 似性程度给出该断路器各种状态的判断。同时还可以监测储能电机打压情况。 ( 3 ) 显示信息功能： 当断路器动作时，迅速显示动作断路器的运行编号、相别、动作时刻、开断电 流( 开断时显示) ，并存储所有动作信息以备查询。可以很方便地查询任一台断路 器的历史记录( 动作记录或动作波形) 和当| i 状态。当断路器的状态发生异常或者 故障时，在操作界面上给出明确的警示信息并将该信息存于数据库以备查询。 ( 4 ) 统计功能： 可以记录各断路器累计开断次数和累计开断电流，并在主界面上予以显示。永 久保存断路器最近1 0 0 次开断电流大小与刀：断时刻( 年、月、闩、时、分、秒) ， 并永久保存总的累计开断电流值。 ( 5 ) 打印功能： 可随时召唤打印运行情况、历史记录、检修记录、检修日志等相关报表和各种 操作波形。 ( 6 ) 数据远传功能： 可从本地计算机上将断路器监测与诊断系统的数据库下载到远程终端上，更新 远程终端上原有的数据库文件和系统显示界面上的各参数。 2 2 硬件系统介绍 断路器在线监测与诊断系统采用分散采集、集中控制的方式。整个系统中，现 场监测单元( 下位机) 分散地安装于各台断路器机构箱或附近其他合适地方。全站 用一台工控机作为主站接收现场监测单元上传的数据，负责所有断路器的状悉监测 和设备管理。每台断路器配装一个现场监测单元，主站和现场监测单元之间采用微 机与单片机的串口通讯来实现采集数据和控制命令的传送。现场监测单元实时采集 各路传感器的信号，其输入信号有断路器的三相开断电流( 可作累计开断容量计算 之用) 、辅助触头的开关量信号以及动作时分( 合) 线圈的动作电流、操作过程中 华中科技大学硕士学位论文 的振动信号等。该单元需配装振动传感器( 加速度传感器) 和霍尔传感器。断路器 既有三相联动的，也有分相动作的，因此加速度传感器、霍尔传感器等传感器的数 目视具体情况而定。下位机将采集的相关信息存储于片内r a m 中，每台下位机均通 过通讯电缆连接于数据总线上，以备上位机查询。上位机采用轮询的方式给各个断 路器的监测单元发送查询命令，将已存储在下位机r a m 中的数据或波形通过通讯电 缆依次取上来，在上位机系统中对这些信号进行分析处理，给出断路器的状态信 息。 2 2 1 各种信号量的采集 断路器在线监测与诊断系统下位机采集振动信号、分( 合) 闸线圈电流信号、主 回路电流信号、辅助开关信号以及储能电机信号等 2 2 - 2 4 】。 ( 1 ) 振动信号 2 3 , 2 6 1 ： 振动信号取自加装在断路器表面的加速度传感器。对于传感器的选择，一般建议 选择频带响应宽，分辨率高的高性能加速度传感器。监测系统从安装在断路器表面 的加速度传感器获取振动信号，不需要其他的电气接线。 ( 2 ) 分( 合) 闸线圈电流【2 7 l ： 分( 合) 闸线圈电流信号取自穿心式霍尔传感器。将霍尔传感器套装于分( 合) 闸线圈上。采用霍尔元件变换器作为前面感应元件。其反映的信号与线圈内电流信 号弥合性极强，精度在千分之五以内，不影响原机构分( 合) 闸线圈电流波形与能 量变化。 ( 3 ) 主回路电流1 2 s - 3 0 l ： 主回路电流取自主回路中电流互感器的二次侧。下位机将电流分成两段处理：负 荷电流按照实际波形通过一定的算法求得，而对于特大短路电流则只记录波形，不 计算具体电流值。将电流波形传给上位机之后由上位机程序按最大斜率法求取短路 电流数值。 ( 4 ) 辅助开关： 辅助开关状态信息取自断路器辅助丌关的常开( 或常闭) 触点。本系统中取的是 辅助a 接点。 ( 5 ) 储能电机： 储能电机信息取自储能电机控制回路的一对触点a 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = t = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= ：= ： 下图( 图2 - 2 ) 是断路器在线监测与诊断系统所蹦的调试网路之- ，可简洁地说 明各信号量的采集方法。 2 2 2 上下位机通讯协议 图2 - 2 调试回路原理图 4 8 5 2 2 0 本协议采用主子站结构，适用于p c 机与单片机的串口通讯。主站为p c 机。 子站为下位机( 单片机) ，通讯采用r s - - 4 8 5 通讯接口，主、子站采羽应答方式 交换信息。p c 机与单片机之间的发送记录为一可变长的通讯信息格式，组成如 下： 表2 - 1 通讯信息格式 同步码2 字节 站号】d】字节 命令码l 字节 命令参数2 字节 校验码1 字节( 和校验) 结束码l 字节( 0 0 ) 下表列出了通讯规约的标准命令码和功能描述 1 0 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 2 标准命令码和功能描述 i代号命令码( 1 字节)命令参数功能描述 0 00 l h0 0 0 1 3 l h 指针复位( 凋试j t 】) 0 10 2 h0 0 0 c l h取负荷电流 0 20 3 h0 0 0 0 h取合闸波形 0 30 4 h0 0 0 0 h合闸波形指针复位 0 40 5 h0 0 0 0 h 取分闸波形 0 50 6 h0 0 0 0 h 分闸波形指针复位 0 60 7 h0 0 0 0 h读储能电机信息 0 70 8 h0 0 0 0 h储能电机信息指针复位 0 80 9 h0 0 0 0 h读辅助开关状态( 1 ，闭合) 0 9o a hy y m m单片机对时( 年月) j od b hd d h h单片机对时( h 时) 1 lo c hm m s s单片机对时( 分秒) 从p c 向单片机发送的询问信息字节组成如下： 单片机发给p c 的应答信息字节组成如下： 匣 二工! 丑墅! 卫雯互卫墅口里雯囹 说明：。 ( 1 ) 对于指针复位、合闸波形指针复位、分闸波形指针复位，储能电机指针复位命 令，成功则返回“o k ”，否则返回“e r ”。 ( 2 ) 若为分动断路器，驮负荷电流时j 二传数据长度为2 字节；若为联动断路器，则 上传数据长度为2 x 3 字节，顺序依次为a 、b 、c 相。 ( 3 ) 取合闸波形时，若为分动断路器，上传数据共4 个波形，依次分别为：振动波 形、合闸线圈电流波形、主回路电流波形，辅助开关量波形。其数据按如下格 式上传： 采样频率( k h z ) 、录波时间长度( m s ) 、 0 0 0 0 h 、 振动波形低字节、振动波形高字节、 华中科技大学硕士学位论文 合闸线圈电流波形低字节、合闸线圈电流波形商字节、 主回路电流波形低字节、主回路电流波形高字节、 开关量波形低字节、开关量波形高字节顺序交替发送， 时间：年、月、同、时、分、秒，每个占用一个字节。 结尾为0 0 h 。 若为联动断路器，取合闸波形时上传数据共6 个波形，分别为：振动波形、合 闸线圈电流波形、a 相主回路电流波形、b 相主回路电流波形、c 相主回路电流波 形、辅助开关量波形。其数据按如下格式上传： 采样频率( k h z ) 、录波时间长度( m s ) 、 0 0 0 0 h 、0 0 0 0 h 、0 0 0 0 h 、 振动波形低字节、振动波形高字节、 合闸线圈电流波形低字节、合闸线圈电流波形高字节、 a 相主回路电流波形低字节、a 相主回路电流波形高字节、 b 相主回路电流波形低字节、b 相主回路电流波形高字节、 c 相主回路电流波形低字节、c 相主回路电流波形高字节、 开关量波形低字节、开关量波形高字节顺序交替发送， 时间 年、月、日、时、分、秒，每个占用一个字节 结尾为o o h 。 ( 4 ) 取分闸波形时。若为分动断路器，上传数据共4 个波形，分别为：分闸振动波 形、分闸线圈电流波形、主回路电流波形、开关量波形，其数据按如下格式上 传： 采样频率( k h z ) 、录波时间长度( m s ) 、 开甑电流的有效值( 2 字节) 、 振动波形低字节、振动波形高字节， 分闸线圈电流波形低字节、分闸线圈电流波形高字节， 主回路电流波形低字节、主回路电流波形高字节t 开关量波形低字节、开关量波形商字节顺序交替发送， 时间：年、月、日、时、分、秒，每个占用一个字节。 结尾为o o h 。 若为联动断路器，取分闸波形参数时上传数据共6 个波形，分别为：振动波形、 华中科技大学硕士学位论文 分闸线圈电流波形、a 相主四路电流波形，b 棚 回路电流波形，c 棚主网路f 1 _ l 流波 形，辅助开关量波形，其数据按如下格式 ：传： 采样频率( k h z ) 、录波时间长度( m s 】、 a 相、b 相、c 相开断电流有效值( 各2 字节) 、 振动波形低字节、振动波形高字节、 分闸线圈电流波形低字节、分闸线圈电流波形高字节、 a 相主回路电流波形低字节、a 相主回路电流波形高字节、 b 相主回路电流波形低字节、b 相主回路电流波形高字节、 c 相主回路电流波形低字节、c 相主回路电流波形高字节、 开关量波形低字节、丌关量波形高字节顺序交替发送， 时间：年、月、同、时、分、秒，每个占用一个字节 结尾为0 0 h 。 注：接收后判断开断电流的有效值，当其值为o f f f f h 时。为丌断大短路电流， 主回路电流波形1 ：l 记录。否则，为开断负荷电流，主回路电流波形1 0 ：1 记录。 ( 5 ) 取波形时无上行数据时上传数据长度为0 。 ( 6 ) 储能电机上传数据格式( 4 字) ： 年月( 字) 日时( 字) 分秒( 字) 储能时间长度( 字) ( 7 ) 储能电机无上行数据时上传数据长度为0 。 ( 8 ) 单个字节对时成功则返回o k 。为保证对时准确，必须先对年月，最后对分 秒，返回三次o k 为对时成功，否则，应重新从年月开始对时。 2 2 3 通讯接口r s 4 8 5 的选取 断路器的各种实时监测信息由下位机上传至上位机。上下位机之间采用p c 机与 单片机的串口通讯实现。其中需用到r s - - 2 3 2 或者r s - - 4 8 5 通讯接口。r s 一2 3 2 的通 讯距离一般在1 5 m 以内，通讯速率在2 0 k b p s 以内。r s _ 4 8 5 的通讯距离在1 0 0 0 m 以 上时，通讯速率可这1 0 0 k b p s 。综合考虑现场的通讯距离和本系统所需要的通讯速率 ( 本系统选用的通讯速率为5 7 6 0 0 b p s ) ，决定选用r s - 4 8 5 通讯接口作为下位机与上 位机串行通讯的接l 1 。实践证明：r s 4 8 5 通讯接口在速率为5 7 6 0 0 b p s 时通讯速度 快，稳定性好。并且误码率很低。符合本系统的要求。 2 2 4 下位机程序流程圈 _ f 位机上电后即进行初始化，随后进入主程序，循环执行通讯判断及处理、计算 华中科技大学硕士学位论文 ：相负荷电流以及储能电机采样。主程序框图如图2 3 所示。如果上位机对某一监测 单元有通讯请求，则下位机进入通讯处理模块，根据上位机的命令要求上传数据， 一 ：传的数据以及数据的格式在通讯协议中已述及。若检测到分( 合) 闸线圈电流达 到了闽值，则触发外部中断e x t i n t ，主程序保护现场后进入录波中断服务子程 序。录波中断服务子程序流程图如图2 - 4 所示。在中断服务子程序中，置分( 合) 闸 标志，录取波形并将所录波形存于r a m 中，等待上位机的查询。r a m 中最多可保 存最近8 次分闸或者合闸的波形数据。 图2 - 3 下位机主程序流程图 图2 - 4 录波中断服务子程序流程图 华中科技大学硕士学位论文 3 信息量的处理 上位机通过逐单元逐命令查询的方式将下位机保存的数据取上来，包括断路 器没有动作时的实时电流信号，有分( 合) 闸操作时的振动信号、分( 合) 闸线 圈电流信号、主回路电流信号、辅助开关信号以及储能电机信号等。上位机对上 传的数据或波形需要做进一步地处理，以此作为诊断的依据。 3 1 开断电流算法 由于断路器灭弧室的电磨损主要取决于开断电流的大小及燃弧时间。被丌断电 流有负荷电流，也有短路电流，电流变化范围宽，且短路情况下多半含直流分 量，且短路电流大到一定程度时。互感器( c t ) 还会出现不同程度的磁饱和，这 些都给开断电流的准确测取造成了困难【3 5 】。目前，对采样数据进行分析处理以获 取准确电量值的算法相当多，如两点乘积法、卡尔曼滤波法、傅氏算法等【3 6 。3 7 1 。 在开断负荷电流的情况下，互感器铁芯的饱和程度较浅，对二次侧的电流波形没 有造成很强的畸变，也就是说互感器二次侧电流波形能够较好的与开断电流波形 吻合，一般的采用傅氏算法即可计算出符合精度要求的电流。断路器在开断短路 电流特别是开断电流含有直流分量时，互感器深度饱和引起二次电流波形畸变， 因此存在着如何在这种情况下记录电流真实值的问题。i = i _ j 互感器深度饱和状念下 的电流波形( 如图3 - 1 ) 可以看出，尽管二次电流( 实线所示) 在一个周期的大部 分时间内因铁心饱和而发生严重畸变，但在过零点附近仍能保持与初级电流( 虚 线所示) 相同的变化趋势，即有确定的初次级上升变化快慢的对应关系。用最大 斜率法计算短路电流正是基于这一结论。由于在互感器饱和或深度饱和( 电流达 额定值4 0 倍) 的情况下其二次电流在过零前或过零后的1 2 m s 的范围内，二次 电流乘以变比折合到初级仍与初级电流有较好的重合，我们可以从电流过零处寻 找计算电流的途径。 华中科技大学硕士学位论文 f m 彳肌，7 ； 图3 1 互感器深度饱和时的电流波形 不难推导：正弦波形在正相过零( 即电流值由负到零再到正) 点处有最大的斜率 值。虽然，采样点不可能每次都刚好落在过零点处，但是我们仍可以找出正相过零 点附近的前后两相邻采样点差值的最大值，当采样频率满足一定的条件时，相邻采 样点差值与电流正相过零点处的斜率值有线性关系。 ，：善( 3 ，1 ) 2 珊 。乳“等l b z ， 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可得到最大斜率法计算短路开断电流的公式： j 。璺l( 3 3 ) q 2 0 j t 在有直流分量时，最大斜率算法可以表示为 。，。! ! g ( 3 4 ) 0 9 8 2 q 2 t o a t 由于连续的等间隔采样可能抓到每半波最大a 。的机会总是少数，故每半波采样 点数应取多大才能满足精度要求需作认真的考虑。分析表明若每半波采1 0 个点， 即每1 m s 采l 点，误差可以满足不大于1 0 的要求。而本系统所用的采样频率为 1 0 k h z ，即每1 m s 采1 0 个点，采样频率满足算法要求。 4 本系统采用对开断电流分段处理的办法：对于某一电流值以下的电流( 包括负荷 电流和不太大的短路电流) ，系统采用傅氏算法计算出开断电流的有效值；而对于 这一电流值以上的短路电流。则采用最大斜率法计算短路电流的有效值。 3 2 电寿命标定的基本原理和方法 我国断路器检修工艺( 无论油断路器、真空断路器还是s f 6 断路器) 对灭弧室解 1 6 华中科技大学硕士学位论文 体检修的规定都是以年限或某种等级的，r 断电流次数和累计歼断电流或累计电弧能 量作为依据的【3 ”。也就是说，检修周期或临修次数与累计开断电流的大小有关。但 当被测电流相差很大时，断路器触头的烧损机理不同，烧损相差很大，同样的累计 电流量所造成的灭弧室烧损量相差也是很大的。因此仪考虑累计开断电流和累计电 弧能量是不够的。另外电磨损虽然取决予电弧能量，但还与触头分断速度等有关， 电磨损与电弧能量没有比例关系。因此，要对断路器触头电磨损、电寿命监测作进 一步研究。对断路器触头进行电寿命监测目前合理的办法是依据开断电流的大小累 计每次触头烧损量作为电寿命判别的依据。 触头的磨损主要是电磨损。触头的电磨损又取决于电弧能量即开断电流和燃弧时 间。大量的试验结果表明【4 1 - 4 3 1 ，从断路器累计电磨损的角度考虑，虽然燃弧时间的 长短对单次开断是随机的，但是对多次开断，其平均燃弧时间则是趋近的( 2 0 次，f ： 断与3 0 次开断的平均燃弧时间几乎有相同的标准差) ，即随机因素对燃弧时间分散 性以及是否为首开相的影响从累计的角度来考虑可以忽略不计，也就是说，断路器 的电磨损可以用开断电流作参照量。 无论何种型号的断路器，都可以从其产品介绍中得知其额定短路开断电流下的允 许开断次数，设额定短路开断电流下单次开断的触头磨损量为m ，允许开断次数为 n ，则总的允许磨损量为n m 。当开断电流小到3 额定开断电流时，磨损量相对 于一次满容量开断的磨损量已经甚微，故小于3 的开断电流都视为3 的丌断电流 来计算磨损量。 我们定义一台全新的断路器的触头允许磨损量为1 0 0 ，即相对电寿命为 1 0 0 。则每次额定短路歼断电流开断时的相对磨损为i n ，然后我们根据不同断路 器的n i n 曲线，即可求得任意大小开断电流i c 对应的允许开断次数n l ，则对应的 单次开断时的相对电磨损量为i n i ( 定义为q m ) ，这样就可求出任一次玎断时的相 对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命l = l i 一q m 。其中l l 为断路器电寿命 的初始值，是一个不大于1 的百分数，其值由断路器的运行历史决定，新投运的或 经过大修后的l i 可取为l 。 根据大量的试验结果及理论分析，我们给出少油、s f 6 和真空断路器电磨损量的 具体求算方法如下：( 其中i 。为任一次开断电流，i 。为额定短路开断电流，n 为额定 短路开断电流下的开断次数，q 。为对应丌断电流1 。时的触头相对电磨损量。) ( 1 ) 少油断路器的相对电磨损公式 1 7 华中科技大学硕士学位论文 绒= 专c f 口。= ： 统= 丽1 z l c ，a 2考。t = ，s ( 2 ) s f 6 断路器相对电磨损公式 瓯= 志c 击) o 巧妄枷。s l ， 瓯= 赤9 净s s 纠， 式中、a 2 、口、卢均为试验所归纳的系数。在0 0 3 _ i l c 。1 5 范围内的相对电 寿命采用线性插值方法计算得出，l 0 0 3 的相对电寿命按甄b 算。 ( 3 ) 真空断路器相对电磨损公式 对任一开断电流i 。，根据表3 - 1 我们通过线性插值的方法，可求得其对应的相列 电磨损0 。 表3 - 1 真空断路器电磨损量插值表 j c ，】。 1 0 0 7 5 5