（电气工程专业论文）基于rogowski线圈的断路器电寿命监测系统的研究.pdf

华北电力大学工程硕十学位论文摘要 摘要 本文详细说明了利用r o g o w s k i ( 罗戈夫斯基) 线圈作为电流传感器采集断路器开 断电流，依据开断电流加权累计理论，设计、研制出真空断路器电寿命监测系统的方法。 文章从介绍真空断路器的发展、电寿命理论出发，分析了适合工程应用的开断电流加权 累计方法和r 0 9 0 w s k i 线圈电流传感器的原理和性能，详细说明了系统各软、硬件的研 制和功能，介绍了人机交互的界面。经过半年左右的实际运行，系统能够实现真空断路 器开断电流在线监测与剩余寿命的在线计算，并为r 0 9 0 w s k i 线圈的应用和研究断路器 状态检修迈出了试验性的一步。 关键词：真空断路器，电寿命，r o g o w s k i 线圈，监测系统 a b s t r a c t t h i st h e s i su s e sc u m u l a t i v ei n t e r r u p t i v ec u r r e n tt h e o r yt 0m a k eas y s t e mo ft h e s u p e i s o ra n dd a t aa c q u i s i t i o no fb r e a k e r s e l e c t r i c a l 1 i f e b ym e a s u r i n gt h e i n t e r r u p t i v ec u r r e n tw i t hr o g o w s k ic o i l b yi n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n ta b o u t v a c u u mc i r c u i tb r e a k e ra n ds o m et h e o r i e sa b o u ti t se l e c t r i c a ll i f e ，a n a l y z i n gt h e t h e o r ya b o u ta n dt h ep r i n c i p l eo fr o g o w s k ic o i l c u r r e n tt r a n s f o r m e r t h i st h e s i s d e s c r i b e st h es o f ta n dt h eh a r d w a r ep a r t so ft h es y s t e mi nd e t a i l b yh a l f - y e a r r u n n i n g ，t h es y s t e mc a nc a c u l a t et h er e s tl i f eo fav a c u u mc i r c u i tb r e a k e rw h i c h t a k eas t e po fa p p l i c a t i o no fr o g o w s k ic o i la n de x p e r i m e n t a t i o na b o u tt h e c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e x uw e i ( e l e c t “c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f d o n gh u a y i n g k e yw o r d s ：v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r e l e c t r i c a l l i f e ， r o g o w s k ic o i l ， s u p e r v i s o r ya n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r o g o w s l ( i 线圈的断路 器电寿命监测系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：娃日期：丝只竺1 3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：立至二孽二 导师签名： 华北电力大学t 程硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 1 1 1 真空断路器的应用和检修情况 真空断路器在供电公司内得到了广泛的应用。比如在江苏省电力公司扬州供电 公司的管辖范围的1 3 5 座变电站内，总计使用了真空断路器1 5 0 0 多台，占各电压 等级断路器总数的8 5 以上，其中l o k v 低压开关柜真空断路器占了绝大部分。真 空断路器定期性检修项目一般定为l 3 年。主要做检测绝缘电阻、交流耐压试验、 导电回路电阻、触头开距、真空灭弧室真空度测量等项目【l 】。按照一台断路器检修 需要至少8 人、2 个工作同计算，1 5 0 0 台断路器的检修将耗费大量的人力和时间， 而且由于3 5 k v 及以下电压等级的主接线基本不再采用旁路模式，断路器检修也影 响了用户的供电可靠性。 目前供电公司常用的真空断路器型号有国产的z n 2 8 型、a b b 公司的v d 4 型、 s e m e n s 公司的3 h 2 型。由于制作工艺和技术的提高，真空断路器的检修已经逐步由 周期性检修进入状态检修阶段，并且除了电容器间隔的真空断路器需要每年检修一 次外，其他间隔的检修时间可以调整到3 6 年。判断断路器状态的主要有以下两 占 、o 1 )制造厂家提供的真空断路器的性能指标 2 ) 某型号真空断路器的运行经验，包括出现缺陷次数、原因、运行时间等 这些都是一些模糊、不确定的判断依据【2 】。在进行真空断路器检修时，还往往 带来由于工人技术水平等原因造成的断路器机构安装不规范、行程调整不到位等新 的缺陷，所以，如何科学的判断真空断路器的检修条件，延长检修时间，降低生产 成本，是供电公司迫切需要处理的问题。 1 1 2 真空断路器介绍 这里的真空断路器，指的是电网变电站内的低压出线断路器( 开关) ，一般是 1 0 k v 或者3 5 k v 电压等级。它是电力系统中的重要开关设备，由于直接承担着用户 供电，它不仅关系到电力系统的稳定，又关系到用户供电可靠性，因此，对此类开 关的检修、状态监测一直是供电公司最为关切的工作之一。 1 1 2 1 真空断路器发展 虽然在1 9 世纪末人们已经发现真空可以作为灭弧介质，但是受到真空密封技 1 华北电力大学工程硕士学位论文 术和冶炼技术的限制，使得真空状态下的电流开断设计无法实现。但随着c u c r 触 头材料、纵磁场触头和陶瓷灭弧室外壳等技术的出现，从7 0 年代开始，真空断路 器在提高开断能力，降低截流值、有效抑制过电压、提高电寿命和小型化方面取得 了突破性进展，并逐步取代过去的油断路器，并且在同s f 6 断路器的竞争中处于优 势【3 1 。 与传统的油断路器相比，真空断路器具有适合频繁操作、结构简单、开断能力 较强、寿命长、检修维护工作量少、运行可靠性高等特点；同时又凭借起体积小、 寿命长、熄弧时间短、不污染环境等优势，尤其是s f 6 气体的环保性的制约，真空 断路器在3 5 k v 及以下电压等级的低压开关中越来越占主要地位，早在2 0 0 4 年，便 已经占有9 8 8 5 的市场份额【4 1 。 1 1 2 2 真空断路器结构和特点 与油断路器的敞开式结构不同，真空断路器属于全封闭式结构。比较敞开式结 构，真空断路器绝缘介质与大气隔绝，不受大气污染( 主要是水气) ，其绝缘水平与 灭弧能力不受外界环境影响。因此，敞开式结构断路器需要定期检修，而全封闭式 结构一般不需要进行定期检修。 真空断路器一般由支架、真空灭弧室、操动机构等几部分组成【5 】。其中真空灭 弧室是真空断路器的核心，它本身具备独立性，一旦生产，其技术指标和各种性能 就基本确定了。真空断路器的各种指标性能很大程度上就取决于真空灭弧室。真空 灭弧室按不同触头结构可以分为圆柱形结构、螺旋槽结构、产生纵向磁场触头结构、 纵横磁场相结合结构和其他特殊触头结构。按绝缘外壳材料的不同，又可分为玻璃 型、陶瓷型、微晶型。随着技术的发展，真空灭弧室的小型化研究已经取得了很大 的进展，目前的灭弧室尺寸已经比当初的缩小了一般以上，而且还有进一步缩小的 空间。而且由于其防爆和寿命长的特点，1 1 4 0 v 、5 0 0 v 和3 8 0 v 的真空接触器正广 泛应用于煤矿和化工企业。 随着真空灭弧理论和技术的不断发展，真空断路器也开始向高电压、大电流工 作领域的开关发展。2 0 0 4 年，西安交通大学就开发了1 2 6 k v 单断口真空断路器， 额定电流为2 k a ，开断电流为4 0 k a 。 所以说，随着理论研究的深入和实践，真空断路器正呈现出向高电压发展，向 低压扩展和向小型化发展的趋势。 1 1 2 3 真空断路器的电寿命 真空断路器的“寿命长 特点，主要体现在电寿命、机械寿命、存储寿命三个 方面【6 1 。 机械寿命指断路器在空载或额定长期负荷轻载下的分合循环操作次数，着眼于 2 华北电力大学工程硕士学位论文 机械动作方面的能力，它由真空灭弧室和操动机构两方面决定。真空灭弧室机械寿 命由维护内部真空度的波纹管决定，一旦波纹管破裂，就会导致真空度不合格，从 而影响灭弧性能。但是，波纹管漏气不是瞬间发生的，起初是由于材料疲劳造成个 别管壁产生裂缝，外界空气逐渐渗入，随着动作次数增多，裂缝向深度和广度发展， 最终导致波纹管彻底失效。因此，波纹管的操作寿命次数很长，远高于真空断路器 的机械寿命指标。而操动机构随着技术发展，金属机械寿命得到了大幅提高，操作 次数一般可以达到上万次。 存储寿命指的是真空断路器的真空度保存时间。每个真空灭弧室都有不同的真 空寿命，它在知道出厂时就决定了，而且，不管灭弧室在使用或者存储过程中，它 都在不断损失真空寿命，因此真空断路器使用和不使用对损失真空寿命基本上没有 区别。国家规定其寿命为1 5 年与2 0 年。因此，存储寿命也不是决定断路器是否需 要检修的主要因数【8 】。 实际上，影响真空断路器寿命的是电寿命。电寿命是断路器的电气开断能力， 通常以额定短路开断电流的开断次数来表示【9 】。而断路器的电寿命次数仅数十次。 一般来讲，断路器的电寿命决定其真实使用期限。电寿命影响的主要因数是电磨损， 包括灭弧室、灭弧介质、触头三个方面的磨损。其中起决定作用的是金属触头的电 磨损。电磨损是指当真空灭弧室开断电流时，触头受电弧烧熔，表面金属汽化蒸发， 不断扩散，最后被吸附到金属屏蔽罩上，形成金属触头表面的金属损耗。断路器在 多次开断电流后，由于电弧的烧熔，使得金属触头逐渐消耗，若磨损过大，将导致 断路器不能正常工作【1 0 】。 触头电磨损严重时会导致以下缺陷： 1 ) 触头严重磨损，波纹管在闭合位置时，为保证触头接触良好，而受到过分 拉伸，导致金属的抗疲劳能力减少。 2 ) 可能导致触头表面抗焊材料烧毁，导致触头之间焊接在一起，无法正常分 闸。 3 ) 电磨损的金属蒸汽沉积到灭弧室其他位置，影响其绝缘水平。 电磨损的速度与以下因素有关： 1 ) 与开断电流的大小和开断次数有关。开断电流决定了电弧功率，而电弧功 率是触头烧熔的主要原因。d l 4 0 3 9 1 规程规定了真空断路器的电寿命指 标为：开断电流等于或大于2 5 k a 时，动作次数分2 0 次、3 0 次、5 0 次、 7 5 次等指标；开断电流小于2 5 k a 时，动作次数分3 0 次、5 0 次、7 5 次等 指标。 2 ) 触头金属材料也是电磨损的重要因数。良好的导体，比如铜一铋合金、铜一 铟合金等具有较强的导电性，但是易熔化；钨合金以钨为主，导电性差些， 但是耐熔性好，截流水平高。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 3 ) 真空断路器的操作杆压缩弹簧的压力也是电磨损的个因数。无论真空断 路器是正常开断或者是故障开断电流，都会引起触头表面材料的损耗，当 触头对接、开关合闸时，是利用操作杆压缩弹簧的压力使得触头间接触紧 密。一旦触头烧损，压缩行程减少，接触压力减少，接触电阻增加，则会 造成触头发热，因此，需要隔段时间对断路器操作杆行程进行调整，以保 证触头接触的压力。 所以，真空断路器的寿命在于具有不稳定性因数的电寿命，取决于断路器开断 电流的大小和动作次数【1 1 1 。 1 1 2 4 电寿命监测方法的国内外研究现状 检测电寿命的方法有很多。最初电寿命检测只有通过与不通过的区别；然后， 出现了以多种实验数据来判断电寿命长短的方法。根据实验数据，影响真空断路器 电寿命的因数有很多，主要有开断电流、开断次数、首开相在三相中分布均匀度、 首开相燃弧时间、灭弧室动态真空度，甚至机械震动、外部接线等都对电寿命有影 响。因此，产生了一种基于大量数据的用以判断真空断路器电寿命的模糊论方法引。 后来，又出现了一种以检测真空度来衡量真空断路器电寿命的方法。该方法认 为如果真空管故障，真空度下降到一定水平，真空开关将失去作用。但是后来人们 又发现，真空管触头成为最容易损坏、出现故障的地方。因此，又出现了用真空管 触头电阻判断电寿命的方法【1 3 】。 而目前在世界范围内，大量使用的真空断路器电寿命监测多采用通过对开关开 断电流的采样，计算电寿命的方法。计算方法即为累计开断电流法、电弧能量法、 累计开断电流加权法、计及然弧时间加权评估等方法。这些方法需要测量断路器开 断时的电流，并按照一定的方法加权累计( 比如i a 或者i “t ) 。有些厂家根据试验 数据认为触头磨损与电流的平方成正比( o 【= 2 ) ，有的认为仪在1 5 2 之间【l 。 我国在真空断路器的检修工艺和灭弧室解体检修的规定是以年限或者某种等 级的开断电流次数等作为依据。比如说某种真空断路器规定，开断电流大于2 5 k a 时，开断次数达到2 0 次就必须检修。但每次开关开断的电流值可能相差很大，即 使开断次数相同的同一类型开断，其触头磨损程度也会相差很大，因此，规定仅笼 统的指出电寿命的判断方法。针对这一问题，可以采用将每次开断电流的电磨损累 计，与原始的断路器允许电磨损总量( 即由其额定短路开断电流和允许开断次数确 定) 进行比较，超过一定的阀值就需要给出检修提示。 因此，国内出现了不少以这个理论研制的电寿命监测系统，并在实际运行中证 明了系统的实用性。 1 2 课题意义 低压真空断路器是电力系统一次设备中检修维护工作量最大的设备，其好坏直 4 华北电力大学工程硕十学位论文 接影响了电力系统的安全、可靠运行。 随着真空断路器的推广应用，其故障报告也逐渐增多。在扬州供电公司，甚至 出现了运行2 年多就因为发生事故需要停电检修的情况。而且，现在的真空断路器 基本上都是安装在开关柜内，其运行状态更加难以判断。 断路器的使用寿命是机械寿命与电寿命的综合。一般机械寿命可达l o ，o o o 次 以上，而电寿命仅仅只有数十次开断机会【6 】。一般来讲，断路器的电寿命决定其真 实使用期限。如果电寿命超过，电弧不能断开，灭弧室可能爆炸，造成重大事故。 所以，对其电寿命的监测和评估是非常必要的。 通过实时监测，得出其剩余电寿命，以便能够及时给出相应的报警信息，维护 人员即可进行及时的处理，从而避免重大事故的发生，保障电网的安全可靠运行。 这也是目前实现断路器设备状态检修的一个重要技术手段。能够以科学的判断依 据，监测到真空断路器的运行状态，尤其是电寿命的情况，对断路器的运行、维护 有着重要的意义和价值。因此，开发一套有实用价值的断路器电寿命监测系统，对 提高电力系统的安全性、提高断路器的管理维护水平、建设数字化的电力系统有着 巨大的现实意义与价值。 1 3 课题的主要工作 本课题的工作重点是研制基于断路器开断电流加权累计理论的开关电寿命监 测系统，达到通过对开关开断电流的测量，计算出开关消耗的电寿命，并与其初始 电寿命进行比较，给出开关需要检修的提示的目的。主要内容包括以下几点： 1 ) 通过比较综合判断法、真空管金属触头接触电阻检测法、开断电流加权累计 法三种国内外应用过的断路器电寿命计算理论，选择容易在工程上实现的开断电流 加权累计方法作为系统研制的理论依据。 2 ) 通过比较常规电流传感器、光电互感器、r o g o w s k i 线圈电流传感器的特点， 重点分析了r o g o w s k i 线圈电流传感器的原理、性能，选取利用带柔性骨架、能够 不停电实现设备安装的r o g o w s k i 线圈电流传感器作为获取断路器的开断电流的设 备。 3 ) 经过多次研究和试验，开发和研制了包括开断电流二次值信号采样、数据处 理及上送、电寿命计算、数据管理及发布等功能的断路器电寿命监测系统。系统包 括的硬件设备为：信号采集与处理单元、变电站数据处理终端、监控中心服务器； 软件模块主要有：电寿命计算程序、断路器变位信息获取e 语言接口程序、w e b 管 理及数据发布程序、数据库管理系统等。 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章真空断路器电寿命监测系统的研究 2 1 系统研究内容和设计 真空断路器电寿命监测系统的目的，是通过某种电寿命计算理论，监测断路器 电寿命的状况，并在电寿命消耗达到一定水平时，给出开关需要进行检修的提示。 因此，系统需要解决两个问题：其一是电寿命的计算理论是什么? 其二是如何将电 寿命的有关理论实现在具体工程中。 2 1 1 电寿命计算理论 2 1 1 1 开断电流加权累计法 真空断路器的电寿命与触头的电磨损有关，电磨损又取决于电弧能量即开断电 流和燃弧时间。 电磨损大量的实验数据表明，从断路器累计电磨损的角度考虑，虽然燃弧时间 长短对单次开断是随机的，但对多次开断，平均燃弧时间近似，所以，从累计的角 度考虑，燃弧时间对电磨损的影响可以不统计在内。所以，为方便工程上的判断， 断路器的电磨损可以用- 丌断电流来统计，因此决定断路器电寿命的因素就可以集中 到每次的开断电流。测量开断电流可以有多种方法，并且也容易实现，这就是国内 外较多实际应用的计算电寿命的开断电流加权累计理论。 每一种规格的真空断路器在出厂时都需要进行试验，然后根据试验的结果可以 绘制出该型号断路器的电寿命曲线，该曲线反映了断路器开断电流大小与其允许开 断次数之间的关系。比如z n l 2 1 2 型真空断路器的电寿命曲线如图2 1 所示，并可以 用式( 2 1 ) 表示电寿命曲线。 n i a = q g ( 2 1 ) 式中：仅为丌断电流的加权指数，一般在l 2 之间；i 指断路器开断电流的有效值， n 为在开断电流有效值为i 时断路器的允许开断次数，q g 表示允许的电磨损总量， 单位为a 。 该型号的断路器，它的允许电磨损总量是由其额定开断最大短路电流和允许开 断满容量次数决定。 如果用i ；表示断路器运行时某次开断电流有效值，则i ；a 则表示此次的电磨损 量，因此，可以利用式( 2 2 ) 计算该断路器运行中累计的电磨损量q 。 q = 矸 ( 2 - 2 ) f = l 6 华北电力大学工程硕士学位论文 i 每次 l 0 0 0 0 1 0 0 0 l u u 1 0 l f 1 f f l 0 1 l 1 01 0 0 i ，x a 图2 1z n l 2 1 2 型真空断路器出厂电寿命曲线 通过比较q 和q g ，就能够判断出断路器电磨损情况，从而计算出剩余电寿命。 由于开断电流的加权指数a 随机性很大，即使开断同一个大小的电流，o l 也可 能不同，为了工程上的方便，扬州供电公司确定了a = 2 ，如此加大了电寿命消耗的 量值，比较谨慎得出断路器需要检修的状态。 比如，以北辰3 a h 2 型号断路器为例，断路器铭牌显示：额定开断电流为3 1 5 k a ， 额定开断次数为5 0 次，则 1 ) 断路器总的电寿命s = 5 0 3 1 5 2 2 = 4 9 6 7 5 5 ； 2 ) 每次开断短路电流后消耗的电寿命d = i 。2 ，i 。为短路电流( 单位k a ，有效值) ； 3 ) 累计断路器消耗的的电寿命x = d 。+ d ，+ d 。； 4 ) 剩余电寿命y ( 百分数) = ( s x ) s 1 0 0 ： 5 ) 判据：当y = 5 0 时，给出提示：断路器的剩余电寿命达一半；当y 2 0 时， 给出提示：断路器应进行大修。 2 1 1 2 电寿命综合判断理论 根据电寿命计算的模糊理论，有人提出断路器电寿命的综合判断方法，即依据 影响电寿命的六个主要因素：首开相的燃弧时间、后开相的燃弧时间、开断速度、 开断时间、首开相在三相中的均匀度和等效开断电流的电磨损系数对断路器的电寿 命进行判断【l 引。由于不同因素的权重不尽相同，应用这种方法需要大量的试验数据， 给这种方法的实际应用带来了很大的困难，虽然这种电磨损判断方法可以比较精确 的得到结论，在工程实践中，由于很难获取、判断各种因素的具体数值，该理论的 应用具有较大的困难。 7 华北电力大学t 程硕士学位论文 2 1 1 3 真空管金属触头接触电阻判断方法 根据实际运行中真空管金属触头容易故障的情况，又出现了用真空管触头电阻 判断电寿命的方法。该方法运用一些物理的测量技巧可以准确的测量出真空开关触 头电阻大小，从而根据其大小判断磨损程度。但由于金属触头材料、制作工艺、磨 损程度都会影响触头电阻的大小，即使测量出电阻的数值，仍然只能定性的分析某 类型断路器的电寿命。 本课题最终从系统容易实现的角度出发，决定将开断电流加权累计方法作为真 空断路器电寿命计算的依据。 2 1 2 系统的设计 根据式( 2 2 ) ，计算断路器分闸一次消耗的电磨损量，只需要知道真空断路器 每次分闸时开断的电流即可。然后根据每次的电磨损量，使用加权累计的算法，与 断路器的允许最大电磨损量进行比较，便可以得出该断路器是否需要检修的结论。 因此，经过多次讨论和现场勘察，监测系统可以设计成图2 2 所示的结构。监 测系统由电流传感器、信号采集与处理单元、信号传输网络、数据处理终端、数据 通信网络、数据处理服务器及用户访问终端构成。 ，电瘴传 ：感器 电觅传 感嚣 l 盹b 透端箍刹i i与数搪i 垂取i iili 主受出口侧i 挖制室 i 四度中心雩 l l 图2 2开关电寿命监测系统设计结构图 电流传感器负责将被测线路开关的通过电流进行二次转换，输出可供信号采集 与处理单元处理的小电流；信号处理与采集单元则对二次电流信号进行滤波、调理 8o 凰；凰 史： 华北电力大学工程硕十学位论文 后，经过d 采样，将被测电流转化为数字信号并保存在缓冲区内，在收到数据处 理终端的下行询问命令后，将数据发送给数据处理终端；数据处理终端将采集到的 电流数值保存到本地数据库内，并按照一定规则发送给数据处理服务器；数据处理 服务器接收、处理三个方面的数据：一是与数据处理终端通信，获取某路开关通过 的电流值。二是接收g p s 时间同步信号，确保服务器的时钟准确，并下发时间给数 据处理终端，保持两者时间的一致性；三是获取被测开关的状态变化量，以作为其 中一个判断开关开断的判断条件。同时，该服务器应能够保存所有被测开关的参数 数据、电流数据、开断信息等，并提供查询界面服务给用户访问。 2 1 3 系统监测、试验对象的选择 开关断路器开断，一般由以下几个原因造成： l 、人工操作处于检修状态的开关，此时开关为空载，无负载电流。 2 、人工操作处于运行状态的开关，此时开关开断电流数值即为开断前的正常 运行电流大小，比如常见的为了调节电压大小而进行的电容器间隔开关操作。低压 出线一般正常运行电流在3 0 0 安培以内。 3 、线路故障导致开关保护动作。此时开关开断的是故障前的故障电流，数值 一般较大。根据扬州供电公司分析统计，一般开断电流数值在5 k a 到1 0 k a 之间。 可以分析出，按照式( 2 2 ) ，与故障开断的电流相比较，正常开断时对开关电 寿命的影响可以忽略不计。 基于各变电站低压线路故障的随机性，系统监测、试验的对象必须能够有尽可 能多的故障情况发生，以便尽快积累相关数据；同时，该开关对象要是新设备，这 样才能不用考虑之前运行时消耗的电寿命，比较准确的计算出它的剩余电寿命数 值。经过扬州供电公司专业人员的研究，决定选取1 1 0 k v 两个变电站进行该课题的 研制和试验工作。其中平山变电站具备两台主变，低压为1 0 k v 双母线结构，分裂 运行，低压真空开关为a b b 公司的v d 4 m 型号；头桥变电站仅有1 组l o k v 低压 母线，低压真空开关为s i m e n s 公司的3 a h 2 型号。这两个变电站处在远郊位置， 1 0 k v 架空线路易受雷击，且低压出线开关均为更换不久的新投运设备。 由于无法确定那条出线易发生故障，因此在需要监测的变电所每台断路器上加 装精确电流采集装置，并将测量数据进行远传，可以计算出每台断路器的剩余电寿 命，但本课题重点在于研究与试验，此方案并不经济。最终，本课题考虑只在主变 出口处安装精确电流采集装置，通过与调度自动化系统接口，获取某个开关变位信 号，以判断是哪台断路器的开断电流。为了节约成本，这样对于这两个变电站来说， 只需要安装三组电流传感器即可。 9 华北电力人学工程硕士学位论文 第三章监测系统硬件设备的设计 监测系统由电流传感器、信号采集与处理单元、信号传输网络、数据处理终端、 数据通信网络、数据处理服务器及用户访问终端等构成。 3 1 电流传感器 3 1 1 电流传感器的现状 目前，采集断路器开断电流的方法一般通过c t 转换，再经过保护装置采集获 得。但普通c t 是通过电磁效应原理，采用铁芯作为传导介质，动态性较低，测量 范围小，而且由于磁饱和的影响，线性度和精度在测量大电流时都较差【1 4 】。例如从 3 1 5 k a 到5 0 k a 的普通的电流互感器( c t ) 的准确度为5 p 2 0 或1 0 p 2 0 。如果它的额 定电流为6 0 0 a ，它只能准确地测到2 0 倍的额定电流，约1 2 k a 左右，但此时只能 保证测量在l o 误差范围之内，即使经过补偿的互感器，误差也在7 以上。 光电互感器的出现，解决了电磁式互感器的缺陷，但是目前由于该设备在国内 还没有进入工业化生产与运行的阶段，价格较高，而且，安装比较复杂，对于运行 设备来说，安装不便( 需要设备停运及改造) 【1 5 】。 罗氏线圈( r o g o w s k i 线圈电流传感器) 没有铁芯等磁性材料，在测量幅值很大 的故障电流过程中，不会出现磁饱和现象，具有优良的线性特性【l4 1 。同时，其骨架 是用柔性的材料做成的，所以在相对狭小空间旱能自由弯曲，在低压情况下能够实 现在线安装，不需要断开电流回路。 3 1 2r o g o w s h 线圈电流传感器 r o g o w s k i 线圈是一种常用的、用于测量冲击大电流的传感器。它具有线性度好、 绝缘结构简单、测量范围大和通频带宽等特点。随着对光电电流互感器研究的不断深入， r o g o w s k i 线圈以其优良的特性也被广泛应用于光电电流互感器的研究中。图3 1 为 r o g o w s k i 线圈测量电流原理图。 设f ( f ) 为一次侧通过电流，p ( f ) 为r o g o w s k i 线圈的二次输出电压，积分器输出为 “。( f ) 。并假设图3 1 中的r o g o w s k i 线圈在整个骨架上绕制均匀，线圈骨架截面面积处 处相等，并且相对于骨架直径截面面积足够小，则骨架截面上各点的磁感应强度相同， 线圈的感应电动势可以用下式表示【1 6 】 e ( f ) = 一鳓剃掣 ( 3 1 ) l o 华北电力人学工程硕士学位论文 图3 1r o g o w s k i 线圈测量电流原理示意图 其中。为真空磁导率，心= 4 万1 0 - 7 日m ；以为骨架单位长度上绕制线圈匝数，么为 线圈骨架截面面积。 可以看出，测量线圈的输出电压与电流的时间导数成正比，因此需进行积分运算才 能得到与一次侧电流成比例关系的积分器输出电压( f ) 。图3 - l 的电路模型如图3 2 。 图3 2r o g o w s l ( i 线圈电流传感器电路模型图 对于该电路模型，可以看出：线圈自感三和匝间电容g 主要影响灵敏的高频性能， 尼c 影响低频性能，r c 决定传感器的增益。因此，选择合适的电路参数，即可实现一、 二次侧电流的转换。 经过调查，该线圈在江苏省电力公司内还未使用过，所以，综合以上因素，设 计决定采用罗氏线圈作为测量大电流的传感器，也可以积累该电流传感器的应用经 验，为其能够作其他用途做准备。本文选用的罗氏线圈是由郑州精科自动化设备公 司生产的柔性骨架r o g o w s l 【i 线圈电流传感器，输入肛5 0 k a ，输出为o 6 v 。根据国家 高电压计量站校准，其精度见表3 1 ：f 为比值差，表示；为相位差，“分表 示。 华北电力大学l 一稀硕士学位论文 鼍限测试电流误差 1 2 0 0 a4 0 0 0 a1 0 0 0 0 a1 2 0 0 0 a1 6 0 0 0 a 5 0 k a 6 v f+ 05 2+ 0 4 4+ o 3 9+ o 4 8+ o3 3 + 1 07+ 84+ 1 57+ l l _ 4+ 1 56 3l3r o g o w s h 线圈电流传感器的应用 图3 3 是r 0 9 0 w s k j 线圈电流传感器，可以看出浚线圈的柔性骨架特点。且其 输出信号电缆通过余属屏蔽层包裹，可以最大程度的减少变电站电磁环境对输出弱 电信号的干扰。 甏 图3 3 r o g o w s k i 线圈样品 安装在变电站主变低压侧的r o g o w s k l 线圈电流传感器见图3 4 。该线圈安装 在土变低压侧出线电缆处，安装方便、简单，更重要的是u 以在一次设备不停电的 情况下进行工作。 32 信号采集与处理单元 信号采集与处理单元应安装在主变低压侧出线电缆靠近r o g w s k i 线圈安装位置 处，以便于与线圈输出信号电缆相连。电源采用2 2 0 v 交流电源，输入信号为该断 路器的r o g w s k l 线圈电流传感器三相输出信号；输出信号为经过a ，d 采样之后数据， 经过通信电缆与数据处理终端相连。 颤? 似沧史 图3 4 三相r o g “s k l 线圈的安装围 32l 信号采集与处理单元的功能 其功能应能包含以下几个方面： 1 、肘电流传感器输出信号在a d 采样之前进行处理。园为开关柜内电磁环 境比较恶劣，必须对可能受到电磁干扰的信号进行调理，通过滤波等方法 尽量还原信号的原样。 2 、对调理后的信号d 采样，转化为数字信号，这是进行计算机处理数据 的必然步骤。 3 、相应数据处理终端的要求，提交电流采样数据给数据处理终端。 32 2 信号采集与处理单元的组成 该单元由信号处理和光电转换接口两部分组成。信导处理部分是该单元的主要 组成部分，包括对于输入电流二次信号的滤波和调理电路、a d 采样电路、单片机 及辅助电路和串行接口电路等。为了保证单元采样后的数字信号传输到变电站内的 数据处理终端的过程不受电磁干扰该单元设计了光电转换功能通过光信号传输 数据，尽可能的保证信号不失真。模块组成原理图见图3 5 。 华北电力大学丁程硕十学位论文 - a ，d 刊系缆糖电路 - l 士活膛酌蛆 信- 模 l 电诜1 专懋蔷af 号 拟 直 l i 电流传感器b 串 滤 - - 里 叫日# 中电路 。 苴 波输 i 电流传感器c 串 调 入 r 片 。， 机 理 接 叫粼 l 日 l 光纤一：。 电光转换模块b 叫拗蒋f 者器 i 图3 5 信号采集与处理单元原理图 当夹杂了高频躁声的模拟信号进入信号滤波调理电路后，首先通过由无源阻容 电路组成的滤波电路和有源滤波芯片的，消除高频干扰信号，对所需测量的工频信 号不造成过多的影响。滤波电路采用的元器件为t h s 3 0 0 l ，如图3 6 所示。 图3 6 信号滤波及调理电路 由于d 采样转换器要求输入量为o 5 v 的电压信号，经过滤波的模拟信号 还需要通过由运算放大器构成的一套加法电路，加入+ 5 v 偏置电压后再降低一半， 最终形成a d 采样所要求输入信号，并通过稳压管保护后进入a d 采样转换器。 a d 采样转换器采用了a d s 9 0 0 ，采样精度1 2 位，采样周期设置为1 0 k h z 。 模数转换后，模拟信号变成数字式信号，可以被单片机识别、计算、存储。单 片机将数据保存在固定空间的数据存储器内，并不断响应数据处理终端的要求，将 存储的数据发送到终端，同时，不断更新数据存储器。 由于信号采集与处理单元安装在室外，数据处理终端安装在变电站控制室内， 1 4 华北电力人学r 程硕上学位论文 为了能在强电磁干扰环境下传输数据而不导致高误码率传输的电气信号通过电光 转换模块，咀光信号的形成进行数据通信，聚用的模块型号为a g i l e n t 公司的 h f b r l 4 1 4 t 。 323 信号采集与处理单元的安装 信号采集与处理单元安装在主变低眶侧出线电缆处，靠近r o g o w s l 线圈安装地 点。装置外壳采用金属材料，能有效屏蔽_ r 扰信号，如图3 7 所示。 3 3 信号传输网络 田3 7 信号采集与处理单元安装示意图 信号采集与处理单元与安装在变电站控制室的数据处理终端问的信号传输采 用光纤介质，最大程度的减少信号传输过程中所受的f 扰。 在通信协议上，本课题选用了问答式、基于i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 的自定义通信规约。 其规则如下： l 、信息传输按照f t l2 帧格式：一位启始位、一位个校验位、一位停止位， 八位数据位。 2 、数据报文格式如下： l 竺巴i ! - i 竺i ! | ! l ! 竺巳! 竺 其中： 6 8 h 为帧起始符，l o 、l 1 表示长度，c 为控制字节，a 是信号采集与处理单元地 址，d a t a 为数据域，c s 是校验，1 6 h 为帧结束符。 1 5 华北电力大学t 程硕十学位论文 这里的“a 指的是信号采集与处理单元地址，因为一个变电站有不止1 台主变， 对应也就不止一台信号采集单元，通过地址确定不同单元的身份，并区别采集的数据属 于哪台主变。 3 4 数据处理终端 数据处理终端安装在变电站控制室内。电源采用2 2 0 v 交流电源，通过光纤接 口与信号采集单元连接、以太网络接口与安装在远方监控中心的数据处理服务器连 接。经过通信电缆与数据处理终端相连。 3 4 1 数据处理终端的功能 该装置采用工业控制机，采用w i n d o s 操作系统，主要有两个任务： 1 、通过光纤接收信号处理单元采集的断路器电流二次数据，并将光信号转换 为电信号； 2 、通过操作系统管理a c c e s s 数据库，保存带时标的数据。 3 、接收数据处理服务器的时钟信息，同步终端与服务器时间。 4 、通过以太网络与数据处理服务器通信，直接建立与服务器侧数据库的连接， 写入相关数据。 3 4 2 数据处理终端的原理 该装置的原理如图3 8 所示。 数据处理端主要的技术点就是通过微软提供的m s c o m m 组件，初始化r s 2 3 2 接口，然后循环读取接口缓存中的数据，并根据协议把所有数据按照对应的类型存 储到本地a c c e s s 数据库中。 同时，终端采用微软提供的0 1 e d bf o rs q ls e r v e r 方式，指定远方服务器的地址 和s q l s e e r 的实例名称、采集数据存放的数据库名称、登陆的用户名和密码； 所 有这些连接信息都进行了加密 。客户端只要安装了m s d a c 2 7 或者更高，就能连 接到服务器数据库；也就是说，客户端往服务器写数据是通过o l e d b 直接写的，没 有经过中间环节的处理。上传的处理方法为：根据本地o d b c ，获取a c c e s s 数据库中 采集数据：然后把数据初始化后，传递给o l e d b 的方法作为参数，初始化o l e d b 一 个实例，系统会直接在后台把数据库存储到远程的服务器，最后关闭o l e d b 的数据 库操作实例，避免进程拥堵。数据处理终端处理数据流程如图3 9 所示。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 卜转换模块卜 嵌入式微处理器 ( a ) ( b ) 图3 8 数据处理终端原理图 ( a ) 终端硬件框图 ( b ) 嵌入式微处理器原理框图 当地数据存放的a c c e s s 数据库的表主要包含两张表： 1 ) 、t b l 一c o 姗p a r a 用来存放信号采集终端基本通讯参数和配置信息 2 ) 、t b l t o t a l 用来存放所有采集的数据信息 终端在获取电流采样值数据后的处理过程如下： a 、首先创建一个名为b r e a k a g e 的o d b c 项； b 、通过多线程，实现了对于每个采集器或者一个变电站多个采集器数据的获 取，并上传到远方服务器。每次上传完成就要删除当前数据，否则数据库增长迅速， 操作会越来越慢，造成系统死机； c 、每次不管数据通信网络断开连接或者服务器服务暂停，终端都在连接到服 务器时刻开始，往前推1 5 0 条数据上传，往后推1 5 0 条数据上传，然后依次往两边 获取数据上传，这样可以保证最新的数据能见到，也可以保证老数据被上传。 d 、终端第一次上传或者断开后重新上传数据的时候，都要重新判断数据是否 已经上传过了。 1 7 华北l h 力人学l 样硕十学忙论文 蚓3 9 数据处理终端处理数据流程 343 数据处理终端的安装和应用 为了方便光缆的敷设和连接，利用原有的光配，终端被安装在变电站通信设备 屏内。终端外形见图3 1 0 。 - 圆 图3 一1 0数据处理终端外形 a ) 数据处理终端正面( b ) 数据处理终端背面 华北电力大学工程硕士学位论文 3 5 数据处理服务器 服务器安装在电力调度中心自动化机房内，采用刀片式p c 服务器、 w i n d o w s 2 0 0 3 s e l w e r 操作系统，是整套监测系统的软件核心，同时也是电寿命 的计算中心和人机交互中心。 3 5 1 数据处理服务器的功能 ( 1 ) 实时监测功能：对断路器开断电流次数和电流数值等重要参数进行长期连续 的实时监测。 ( 2 ) 智能判断功能：根据断路器开断电流，采用开断电流加权累计法，能客观计 算显示断路器实际的剩余寿命。 ( 3 ) 历史存储查询功能：可对断路器故障开断电流的历史数据及波形进行查询， 并可根据需要设定查询的范围。 ( 4 ) 数据w e b 浏览功能：在局域网内的任何计算机均可通过w e b 方式访问该 系统。该系统还针对不同用户设定了操作权限。 ( 5 ) 初始数据维护功能：系统所监测断路器可根据实际情况进行增减，可人工设 定断路器的型号、额定开断电流值、额定开断次数、初始寿命等基础数据。 3 5 2 数据处理服务器的软件模块 根据数据处理服务器的功能要求，服务器软件模块主要包括电寿命计算模块、 数据处理模块、w e b 发布和人机交互模块。这也是电寿命监测软件的核心部分。 1 9 华北电力大学工程硕十学位论文 第四章监测系统软件的开发 监测系统软件是整套监测系统的数据处理中心，同时也是电寿命的计算中心和 人机交互中心。软件通过对数据处理终端传送的数据，监测变电站主变低压侧出口 处大电流，并通过调度自动化系统接口获取所有相关低压真空断路器的变位信息。 而后通过软件完成对信息的进一步识别和处理，按照预先设定的电流加权累计算法 计算电寿命的损耗，并将信息储存在数据库中，完成各种方式的查询功能。 4 。1 电寿命计算软件 断路器电寿命计算软件的目的就是计算每次开断时，断路器消耗的电寿命数 值、剩余的电寿命数值，并与总的电寿命数值进行比较，得出结论。主要过程如下： l 、对系统内各台信号处理终端的监测与控制。 2 、人机界面软件对系统所监测的所有断路器所丌断电流信息的收集。 3 、对数据进行进一步的识别和处理，并结合断路器变位信息，完成电寿命计 算 当电流数据被识别为有效的新动作信息后，软件进入处理与计算程序。由于各 位置电流传感器标定值存在差异，在处理过程中，对于不同位置断路器的电流数据 需要调用相应位置的预设数据进行处理和计算。处理电流数据，是将离散的采样点 还原为可被接受的电流波形。其中包括波形两端点平滑处理、电流过小处理等具体 工作。 由于断路器动作原因不同，三相断路器同时断开时电弧烧蚀触头的程度也有差 异，造成的电寿命损耗也就不同。因此，在计算某断路器柜中断路器动作后的电寿 命时，需要分别对其三相电流数据进行计算，以确保断路器电寿命计算的准确性。 电寿命的算法程序按照前面所提及的电流加权累计法编写，采用三相各自的电 流数据分别完成三相断路器的电寿命计算，并以电寿命消耗最大的那相剩余寿命作 为本次计算的结果。若计算后的断路器剩余电寿命低于总寿命的5 0 ，软件则产生 报警信号，提示管理人员予以注意；若低于总寿命的2 0 ，就提示该断路器需要检 修。电寿命计算流程图如图4 1 。 由于本课题为了研究的目的，基于节约成本的原因，并未在每路出线间隔断路 器处安装r 0 9 0 w s k i 线圈电流传感器，仅在主变低压侧安装并测量该处电流值。但 我们研究的是所有低压出线间隔断路器的电寿命，需要计算的也是分闸后的断路器 所消耗的电寿命数值。这样就造成电寿