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[工控/英语] 种基于DSP的高压断路器状态在线监测装置
[ 2008/1/1 9:34:37 | ]
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引言

    现代高压电气设备是以高性能、智能化、免维修为发展趋势。电气设备从现行的计划检修向状态检修转变已成为必然趋势。高压断路器是电力系统中重要且数量巨大的电气设备,断路器发生故障造成的损失,远远超出断路器本身的价值[1]。为了提高断路器工作的可靠性,必须采取相关措施,防患于未然。建立高压断路器的状态检修环节,可以预测故障先兆,克服定期检修的盲目性,同时也为制造出智能型的免维修断路器摸索和积累了资料。本文讨论实现高压断路器状态在线监测的原理和技术。

    断路器是非常复杂的电气设备,断路器的劣化涉及到热、电、机械、环境等多方面的因素,虽然对断路器的故障监测与诊断已有较长时间的研究,但至今仍然没有一个完善的、成熟的断路器寿命评估模式[2]。目前的断路器在线监测模式大多采用档次不高的单片机作为主控制器,构成独立的监测装置。由于单片机的速度、字长、扩展能力等方面的局限性,存在采样信号较少、采集数据不足、对运动过程缺乏记录、分析精度不高、计算模型简单等问题,诊断结论缺乏说服力[2],同时存在人机交互性不够友好、联网能力较差的缺点。

    本文认为上述问题的解决应从以下三方面入手:

    1) 断路器监测信号的合理选择以及先进传感器的选型与安装是状态诊断的前提与关键;

    2) 选用高性能的CPU作为监测装置的核心,是决定监测系统性能指标的基础条件;

    3) 改监测装置为监测系统,采用分布式的体系结构,灵活方便,使得智能性、扩展性大大增强。

    本文提出的高压断路器状态在线监测系统是采用分布式结构,其中在线监测单元以TI公司的高性能数字信号处理器DSPVC33作为主控制器,能对断路器的众多关键参数进行长数据录波,综合诊断,具有就地显示和远程网络功能,适用于用得较多的少油或多油、六氟化硫(SF6)及真空三大类断路器。

1 高压断路器在线监测项目

    特征提取是在线监测的首要环节,盲目采用过多的传感器采集断路器的状态特征既不现实也不经济[3]。本文立足于在线监测的实用化,仅直接提取关键特征,经数学分析推断出断路器的状态和性能。在线监测的主要项目有:

    1.1 断路器触头的电磨损

    断路器的每次开断都会对触头产生一定程度的损伤,断路器的触头电磨损(又称电寿命)是断路器性能的重要指标。对断路器触头电寿命的诊断,实践证明仅考虑累计开断电流和累计开断次数是不科学的。合理的办法是依据开断电流的大小,评估出该次开断的触头磨损量,再累积每次开断的触头烧损量,作为电寿命判别的依据。 各种型号的断路器都可以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允许开断次数为N,定义一台全新的断路器的触头相对电寿命(磨损量)为100%。则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N,根据不同断路器的N-Ib曲线,即可求得任意大小开断电流Ib的对应允许开断次数Nb,则对应的单次开断的相对电磨损量为1/Nb,这样可求出任一次开断时的相对电磨损量,也可求出该断路器的相对电寿命L=L1- å(1/Nb),L1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L1可取为1。根据以上方法和试验结果,本文采用的电寿命计算曲线可在下表的基础上插值实现。表中Ib为任一次开断电流,Ie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,Qm为对应开断电流Ib时的触头相对电磨损量。

表1. 少油断路器的相对电磨损公式

表2. SF6断路器相对电磨损公式

表3. 真空断路器相对电磨损公式

   1.2 断路器的机械寿命监测

    高压断路器故障统计中,故障概率最高的是操作机构故障。据统计,有40%至60%的高压断路器的操作事故是由机械方面的原因造成的[3]。

    1.2.1 分合闸线圈电流波形

    分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征,电流波形中蕴含丰富的信息。图1所示的是一个典型的断路器开断短路电流的跳闸回路电流,T0为分合命令到达时刻,T1为铁芯开始运行时刻,T2代表铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻,T3可视作开关辅助a接点断开线圈电路时刻,T0-T1与控制电源及线圈电阻有关,T1-T2的变化表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况,T2-T3或T0-T3可以反映操作传动系统运动的情况。通过以上几个不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械故障趋势,包括拒分、拒合等故障。

   1.2.2 断路器开断过程的时间行程特性曲线

    断路器的时间行程特性曲线中蕴含多种信息,包括分合闸时间、同期性、速度以及行程信号等。这些信号与断路器的灭弧室性能、燃弧时间以及弧后介质的恢复、合分闸弹簧的性能等相关。

    1.2.3 断路器动作时的振动波形

    断路器在操作时,对应机构中的每一部件的动作在振动信号时间图上都会有一个振动脉冲,对于不同的操作,各部件的振动脉冲出现的顺序是不变的,振动波形具有良好的重复性,因此用振动信号分析断路器的动作特性是有效的,振动分析法对于断路器机构的变形、润滑故障诊断灵敏度高,也是机构和灭弧室磨损、部件故障、装配失误等的特征表象[3]。可以在装置投运时,经若干次规定的例行操作,现场录取该断路器的振动波纹做“指纹”,作为诊断的参考。

2 高压断路器在线监测的传感器选型

    综上所述,断路器工作状态的检测可采用电流、行程、振动三种类型的传感器实现。为了不影响断路器的正常工作,尽量采用非接触检测方法,传感器在断路器体外安装,且无可调整部件,不需现场整定,受环境因素的影响小。

    2.1 断路器触头的开断电流检测

    断路器触头的开断电流为交流电流量,本文选用穿心型保护CT实现。 输入信号范围为0-100A,输出信号峰峰值为-5V~+5V。

    2.2 分合闸线圈电流检测

    分合闸线圈电流为直流电流量,本文选用霍尔电流传感器,安装方式为传感器铁芯开口安装,不影响断路器的二次接线。输入信号范围为0-20A,输出信号为4~20mA的直流电流。霍尔传感器是基于霍尔效应的原理。所谓霍尔效应是指若在一半导体薄片的两端通以控制电流I,并在薄片垂直的方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在垂直于电流和磁场方向上将产生电势UH的现象,所产生的电动势称为霍尔电压或霍尔电势。当霍尔元件的材料和几何尺寸确定之后,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B,即UH=KHIB,对于确定的霍尔元件而言,KH为常数。霍尔传感器结构简单,频率响应宽,可实现非接触检测。

    2.3 断路器动触头的行程检测

    动触头的行程为直线位移,通过测量连动机构的角位移间接实现。本文采用旋转式光电编码器实现。旋转式光电编码器的特点是重量轻、力矩小、可靠性高,广泛用于各种角位移测量的场合。光电编码器由码盘、光源和光电元件组成[4]。码盘有三个码道组成,最外圈码道为增量码道,码道上分布有相当数量的透光和不透光的扇形区;中间码道为辨向码道,扇行区位置与增量码道错开半个扇形区;内层码道只有一条透光的狭缝。使用时码盘随被测目标一同旋转,3对光源和光电元件布置在码盘的两侧,位置对称,则外层码道的光电元件输出的脉冲数反映了被测目标转动角度的大小;外层码道与中间码道的输出相位差反映了被测目标的转动方向;内层码道的狭缝作为码盘的基准位置,输出信号提供一个初始零位信号。增量码道上扇形区数目的多少,决定了编码器的分辨力。光源一般采用发光二极管,光电元件一般采用硅光电池或光电晶体管。旋转式光电编码器安装在断路器连动机构的转动轴上。

    2.4 振动信号检测

    压电式加速度传感器是是振动测量的主要传感器形式。和其它类型的传感器相比具有灵敏度高、频率范围宽、线性动态范围大、体积小、安装形式多样等一系列优点。压电式传感器是基于压电效应的原理。所谓压电效应是指正压电效应,当沿着一定的方向对某些电介质加力而使其变形时,内部产生极化现象,在它的两个表面上产生极性相反的电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态,这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应。压电式加速度传感器的主要部件包括壳体、压电片和紧压在压电片上的质量块组成。由于质量块产生正比于加速度的惯性力,此力作用在压电片上,由正压电效应使压电片表面产生正比于加速度的电荷。

    2.5 开入量

    装置同时检测断路器动作的相关节点状态,并将这些节点状态和以上各类传感器的输出信号相结合,用来分析各种机械性能。

3 高压断路器在线监测系统的硬件结构

    为了实现状态检修的目的,高压断路器在线监测系统应具有各种数据采集、信号分析、故障诊断、数据管理等功能,并且具有良好的人机界面,系统中的各功能模块能够实时有效地通讯。系统结构如下图所示。

   系统的核心是分布式的断路器在线监测装置,该装置采用模块化背插结构,包括DSP主控板、MMI模件、模入、开入、开出模件和电源模件。断路器在线监测装置安装在现场,它采集传感器输出信号,进行在线分析处理后,将设备状态实时显示在液晶面板(MMI);并通过CAN总线送往上位机(PC),上位机系统调用高级应用算法,实时计算断路器相关指标并累积历史数据,给出历史评价。DSP主控板是以TMS320VC33为核心的智能控制模件,它的任务可分为4个方面:信息采集、处理计算分析、控制输出以及通讯。由于液晶模块的驱动与现场显示任务量较大,故设计中将显示功能独立于DSP主控板,由以89C51为核心的MMI模件独立执行显示功能。DSP主控板与MMI模件用RS-232连接,采用简单的主从式串行通讯协议。而DSP主控板与上位机之间的距离较大、传输数据量也更大,上位机要根据收到的数据进行更严密的推理,所以采用高可靠、实时性强的CAN总线连接。

    DSP芯片TMS320VC33是美国TI公司推出的TMS320C3X系列的浮点式数字信号处理器,它是在原来的TMS320C31浮点DSP的基础上开发一个价格更低的版本,该产品以高速、低功耗、低成本、易于开发为显著特点。由于采用了内部1.8V,外部3.3V供电,因而功耗比原有型号降低了大约一个数量级,带有32b的高性能CPU,具有高速的浮点运算能力,能支持高达75MIPS的运行速率,并且带有34K´32b(1.1Mb)的片内双静态RAM。片内存储器可映射外设,其中包括一个串行口、2个32b定时器和一个DMA;具有程序引导功能,程序可以由低速的EPROM装人到系统的高速RAM全速运行。DSP主控板以DSPVC33为核心,扩展有存储器模块、通讯接口模块、看门狗电路等。DSP的高速运算能力以及运行速率使得对电流信号的一周波108点高密度采样、对角位移行程传感器输出的高频脉冲采样得以实现。

4 装置的软件结构简介

    断路器在线监测装置的软件包括DSP主控板软件和MMI模件软件。DSP主控板软件是系统控制的核心,MMI板的软件依赖于DSP主控板的数据。DSP主控板的程序可划分为监控程序、通讯程序、采样程序和计算程序四个主要的功能模块。监控程序是主循环,采用仿嵌入式实时多任务操作系统的任务调度机制,并对装置自检。采样程序完成对输入量高速采样、录波,生成时钟等任务。计算程序完成断路器操作时的各类在线监控指标的捕捉和计算。通讯程序按规约对通讯数据进行封装,并发送或接收数据。

5 结语

    电气设备在线监测是变电站自动化的拓展功能,断路器的状态在线监测是其中的一项主要内容。本文介绍了一种基于高速浮点DSP的断路器在线监测装置,介绍了该装置的监控功能和所采用的传感技术。该装置通过检测故障电流、分合闸线圈电流波形、触头行程等信号计算分析高压断路器的电寿命、机械寿命并评估断路器的动作性能。该装置已投入现场使用,性能稳定,效果良好。

参考文献

    [1] 徐国政,张节容,钱家骊等. 高压断路器原理和应用[M]. 北京:清华大学出版社,2000

    XU Guo-zheng,ZHANG Jie-rong,QIAN Jia-li. Principle and application of high voltage circuit breaker. Beijing,Tsinghua University Press,2000

    [2] 常广,王毅. 高压断路器机械状态在线监测装置的研究[J]. 高压电器,2003,39(2):44-46

    CHANG Guang,WANG Yi An on-line mechanical condition monitoring device for high voltage circuit breakers. High Voltage Apparatus,2003,39(2):44-46

    [3] 郭贤珊,李仲夫,陈轩恕. 断路器操动机构在线监测参数的选择[J],高压电器,2002,38(1):24-26,30

    GUO Xian-shan,LI Zhong-fu,CHEN Xuan-shu. Selection on-line monitoring parameters of circuit breakers’ operating mechanism[J],High Voltage Apparatus,2002,38(1):24-26,30

    [4] 张国忠,赵家贵. 检测技术[M]. 北京:中国计量出版社,1997

    ZHANG Guo-zhong,ZHAO Jia-gui. Beijing,China Ji Liang Press,1997

 
 

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