断路器在线监测仪设计说明书

断路器在线状态监测仪设计说明书正文目录1前言411研究内容412设计原则52产品定义521产品功能定义522产品特点63产品设计631输入信号6311交流信号6312直流信号7313开关量信号832输出信号8321LED显示8322通讯端口833存储834故障事件机制835断路器事件记录启动条件936性能参数94状态量数据建模941稳态测量942动态测量1043数据接入规范105系统设计1251系统结构组成实现原理1252系统硬件1253断路器监测装置工作原理146技术路线1961硬件设计197各监测单元设计2071触头温度、行程在线监测系统2072操作线圈电流的在线监测208结语211前言电力系统中，高压断路器数量最多、检修量大、费用高。变电站中断路器是机械和电气动作频繁的设备,易于发生故障，有关统计表明，断路器所造成的事故无论是在次数，还是在事故所造成的停电时间上都占据总量60以上，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上。另外据统计，10的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。因此，及时了解断路器的工作状态对提高供电可靠性有决定性意义；并可以大大减少盲目定期检修带来的资金浪费。另一方面。断路器状态监测技术为实现断路器由计划检修到状态的转变创造条件；为GIS的广泛应用和智能化断路器的开发奠定基础。高压断路器是保证高压输电系统安全稳定运行的关键部件之一，因此确保断路器的可靠运行极为重要。高压断路器的绝大部分事故源于机械方面的原因，故研究其机械故障诊断具有重要的意义。目前国内都采用离线例行试验和操作对高压断路器进行定期检修,这种计划性的预防检修盲目性大，费用高，而且解体拆装容易对断路器造成伤害，降低了利用率和可靠性。高压断路器合分闸时的各机械参量包含了断路器操动机构机械部分的状态信息，实时准确的监测断路器每次动作时的各机械参量数据，为故障诊断以及状态检修提供了大量的数据准备。11研究内容高压断路器故障分为机械方面和电气方面两大类根据提取的机械和电气特征参量,采用模糊综合评判方法,将评判对象的各种相关联或不相关联的单参数性能指标,归一化后成为可比和可量化的量,综合在一起运用综合评判算法对高压断路器的使用寿命做出综合全面的评估,以实现对高压断路器的状态监测与诊断研究。其中对于断路器电寿命的预测,采用了一种基于最小二乘法的综合评估方法对于利用电量监视断路器机械等特性方面,提出了一种基于小波理论的方法,可更准确获得基于操作电流的动作过程和基于主触头电流的电弧起弧时刻,从而有助于提高状态监测水平。断路器在线状态监测系统能及时了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济性。12设计原则1集成性。集高压断路器多项监测功能于一体，有利于多信息的融合，支持网络化集中管理。2通用性。由于断路器绝缘介质的不同（如油、SF6气体、真空），监测的项目不一样。在硬件设计时应考虑足够多的采样通道，保证采样板的通用性，可以满足不同类型的断路器要求。在软件设计中，采用组态技术实现不同类型断路器相关参数的设定。3扩充性。监测系统对监测的断路器的个数不受限制；考虑断路器就地采样单元与变电站在线监测系统的兼容，能为变电站综合自动化提供信息。4组合性。断路器就地采样单元内部插件模块化。5可靠性。监测系统良好的电磁兼容性和自检功能。2产品定义21产品功能定义便携式断路器状态监测仪可应用于10KV到500KV各种类型（少油、多油、真空、SF6）断路器的在线状态监测，捕获断路器关键的“初始触发”动作，分析其第一次跳闸情况，真实反映断路器运行状态下特性；又可离线测试。可以直接安装在断路器控制柜或控制室内。它能够监测断路器导电回路、控制回路、储能机构的状态，记录主要开关触点的磨损状况。该仪器通过监测断路器每一次分合闸动作期间产生的下列参数，来实现上述功能分合闸时刻断路器分/合状态分合闸动作次数电弧持续时间主触头累计电磨损（以I2T表征）线圈分合闸时间辅助触点动作时间储能时刻储能次数分合闸过程三相电流波形分合闸线圈电流波形储能电机工作电流波形22产品特点便携式断路器状态监测仪采用随机附带的数据库及分析软件对断器的运行状况做出趋势分析，并在同类型断路器间进行横向对比，采样数据也可以下载和存储。便携式断路器状态监测仪主要具有如下特点1工作方式的灵活性便携式断路器状态监测仪所选传感器均为钳形传感器，能够在不断开被测回路的情况下进行测试，因此状态监测仪既可实现在线检测，也可根据用户需要进行离线测量；工作电源既可利用220V交流电，也可利用电池进行供电，因而工作方式非常灵活，检测过程不受检测时间和地点的限制。2显示方式的灵活性断路器状态监测仪配备了就地液晶显示模块，能够非常方便地进行多参数测量结果的就地显示，若想通过远程计算机显示或进行状态评估，则利用与计算机的通讯接口即可实现数据传输，之后即可在上位机上进行断路器状态的综合评估，显示方式灵活提升了监测仪的机动性。3监测参数与系统功能的全面性便携式断路器状态监测仪的检测内容涉及到控制回路、机械系统、储能机构等断路器各组成部分，以及机械行程、直流电压、开合时间等关键参数的检测，能够对线圈电寿命、机械系统、控制回路、储能机构等断路器各组成部分进行全面的诊断评估。3产品设计断路器在线监测仪是既能在线检测，又能离线测量的多功能断路器状态监测分析仪，能够反映出断路器机械特性、绝缘特性、控制回路、电寿命等全面性能，从而为断路器的状态维护提供全面有效的诊断信息，并为以可靠性为中心（RCM）的断路器维护方案提供重要依据，对电力系统可靠性的提高和经济性的改善也有重要意义。31输入信号311交流信号三路交流信号（A、B、C相）的测量是利用穿芯式CT测量断路器所在线路保护CT线圈二次侧电流信号，穿芯式CT（变比10001，最大输入100A）输出的信号作为监测仪的交流输入信号，该信号正比于保护主CT线圈二次电流值，用来计算电弧持续时间和触点的累积的I2T。穿芯式CT性能参数如下型号CHG1000/SP1IN额定电流100ARMSIP测量范围0120ARM测量电阻RMMAX020NS匝数比11000IM测量电流输出电流额定值100MA，对应原边额定电流INX精度（TA25）IN的02VC电源电压VI绝缘电压在原边与副边电路之间2KV有效值/50HZ/1分钟IOFF失调电流（TA25）TD温漂（TA4085）L线性度200A/SF频率范围DC200KHZTA工作温度1085TS贮存温度25100IC耗电10MAIM测量电流RS副边内阻（TA85）85原边内阻（TA85）W重量25G313开关量信号开关量信号是断路器常开常闭辅助开关的开闭状态信号，该信号用于指示断路器的开合状态以及计算辅助开关动作时间。32输出信号321LED显示两个LED（红色与绿色）用于指示断路器的分合状态。红色对应合闸状态，绿色对应分闸状态。这两个LED闪烁表示测量到的断路器状态既不是分也不是合，而是一种不确定的错误状态。322通讯端口此仪器有RS232和RS485两个通讯端口，这两个端口都采用了暂态过电压防护与光隔离技术。两个端口的通讯参数设置为数据位数8停止位数1奇偶校验无波特率9600BPS流量控制无该仪器可以通过RS485端口连接成一个网络并由一台计算机对其进行控制，一个网络中最多可以包括128台监测仪。33存储采用非易失性的FLASH作为存储介质。存储器按照先进先出的记录原则保存最近发生的20个断路器动作数据和20个储能电机动做数据。34故障事件机制故障时能同步告知其它采集模块和管理模块完成故障时数据同步采集功能驱动报警现场端声光报警和管理端系统弹出窗口报警和启动报警流程即时通讯、短信35断路器事件记录启动条件一断路器状态在线监测仪分合闸事件记录启动条件必须满至少满足下述条件其一1分闸或合闸的峰值电流大于03A，并且持续时间大于5MS2常开或常闭辅助接点发生动作，并且持续时间大于4MS二断路器状态在线监测仪储能电机动作事件记录的启动条件如下1储能电机的峰值电流大于1A，并且持续时间大于1S36性能参数电源220VAC,/20，负荷最大为15VA。温度4070摄氏度采样频率100X50HZ5000HZ最大电弧时间10个周波抗高频干扰GB/浪涌GB/T1762651998抗静电干扰GB/T1762621998电源电压突降GB/瞬变脉冲群GB/T1762641998抗工频磁场干扰GB/T1762681998环境ANSIC371重量15公斤尺寸12长185宽8高,单位为厘米。4状态量数据建模在线监测主要包括机械性在线监测、触头电寿命监测等，监测内容有泄漏电流监测、气体密度监测、开断次数监测、开断电流监测、振动波形监测、分合闸线圈电流波形监测、断路器红外成像监测和操作机构油压监测等。以下是变电主要类别设备的状态量建模，本建模的内容是定义状态量数据项，为程序进行实体化描述提供标准模型。41稳态测量测量部分可分为稳态测量和暂态测量。稳态测量主要对SF_6断路器的三相交流操作电压直流操作电压压缩空气马达三相交流电流平均值、主回路三相电流平均值现场的温湿度等参数进行测量。42动态测量动态测量主要测量三相主回路电流、分合闸线圈电流断路器触头行程及其振动信号。优点通过OLMBCM你能在任何时间、任何地点获得断路器的运行状况能制定更加经济、有效的断路器维修计划通过制定合理的维修周期，能节省你的时间和维修成本43数据接入规范分合闸线圈电流波形接入数据规范RIDVARCHAR主键，自增型，做记录的唯一标志BDEVICE_IDVARCHAR被测主设备的ID，即断路器的IDCDEVICE_IDVARCHAR测量设备的IDFETCHTIMEDATETIME数据采集的时刻VVAR_DONGZINT动作0表示分闸,1表示合闸VVAR_SQDLFILEVARCHAR80线圈电流波形流文件名及路径ALRMGRADEVARCHAR80超阈值报警等级JUDGEVARCHAR200针对超阈值的报警数据判断其问题所在ISCHECKINT发生报警的数据是否已审核处理ISTESTVARCHAR20是否为测试数据，Y是N不是负荷电流波形接入数据规范RIDVARCHAR主键，自增型，做记录的唯一标志BDEVICE_IDVARCHAR被测主设备的ID，即断路器的IDCDEVICE_IDVARCHAR测量设备的IDFETCHTIMEDATETIME数据采集的时刻VVAR_DONGZINT动作0表示分闸,1表示合闸VVAR_FHDLFILEVARCHAR80负荷电流波形流文件名及路径ALRMGRADEVARCHAR80超阈值报警等级JUDGEVARCHAR200针对超阈值的报警数据判断其问题所在ISCHECKINT发生报警的数据是否已审核处理ISTESTVARCHAR20是否为测试数据，Y是N不是SF6气体压力接入数据规范RIDVARCHAR主键，自增型，做记录的唯一标志BDEVICE_IDVARCHAR被测主设备的ID，即断路器的IDCDEVICE_IDVARCHAR测量设备的IDFETCHTIMEDATETIME数据采集的时刻VVAR_SF6TDECIMAL12,3温度VVAR_SF6PDECIMAL12,3绝对压力VVAR_SF6MDDECIMAL12,3密度VVAR_SF6P20DECIMAL12,3压力（20）ALRMGRADEVARCHAR80超阈值报警等级JUDGEVARCHAR200针对超阈值的报警数据判断其问题所在ISCHECKINT发生报警的数据是否已审核处理ISTESTVARCHAR20是否为测试数据，Y是N不是SF6气体水分接入数据规范RIDVARCHAR主键，自增型，做记录的唯一标志BDEVICE_IDVARCHAR被测主设备的ID，即断路器的IDCDEVICE_IDVARCHAR测量设备的IDFETCHTIMEDATETIME数据采集的时刻VVAR_SF6SFDECIMAL12,3水分ALRMGRADEVARCHAR80超阈值报警等级JUDGEVARCHAR200针对超阈值的报警数据判断其问题所在ISCHECKINT发生报警的数据是否已审核处理ISTESTVARCHAR20是否为测试数据，Y是N不是储能电机工作状态接入数据规范RIDVARCHAR主键，自增型，做记录的唯一标志BDEVICE_IDVARCHAR被测主设备的ID，即断路器的IDCDEVICE_IDVARCHAR测量设备的IDFETCHTIMEDATETIME数据采集的时刻VVAR_CNSJINT储能时间ALRMGRADEVARCHAR80超阈值报警等级JUDGEVARCHAR200针对超阈值的报警数据判断其问题所在ISCHECKINT发生报警的数据是否已审核处理ISTESTVARCHAR20是否为测试数据，Y是N不是5系统设计51系统结构组成实现原理应用于6KV500KV各种断路器的在线实时监测。记录断路器正常运行、开断状态时三相一次电流、跳/合闸线圈电流、辅助接点状态、断路器机械特性和电机电流，按照设置发出断路器检修预警信号。断路器状态在线监测子系统原理图52系统硬件断路器状态在线监测子系统系统硬件包括电流互感器，震动传感器。测量信号包括模拟量和开关量。直流传感器交流互感器交流信号，三路交流信号（A、B、C相）的测量是利用穿芯式CT测量断路器所在线路保护CT线圈二次侧电流信号，穿芯式CT（变比10001，最大输入100A）输出的信号作为TF50的交流输入信号，该信号正比于保护主CT线圈二次电流值，用来计算电弧持续时间和触点的累积的I2T直流信号，的测量包括分合闸线圈电流与储能电机工作电流测量，共需要3只霍尔传感器（变比5001，最大输入10A）。如果储能电机电源为交流，输入信号经过整流后再进行测量。开关量信号，是断路器常开常闭辅助开关的开闭状态信号，该信号用于指示断路器的开合状态以及计算辅助开关动作时间。线圈电流电机电流储能接点辅助接点断路器在线监测装置线圈电流电机电流储能接点辅助接点断路器在线监测装置线圈电流电机电流储能接点辅助接点断路器在线监测装置断路器在线监测主IEDRS485RS485RS485数据服务器光纤局域网IEC61850断路器状态在线监测子系统系系统结构图本系统信号分为两个部分模拟量和开关量。模拟量的测量包括线圈电流，电机电流。数字开关量包括辅助接点和储能接点。电源220VAC,/20，负荷最大为15VA。温度4070摄氏度采样频率100X50HZ5000HZ最大电弧时间10个周波继电器电流，3A；电压，220VAC或220抗高频干扰GB/浪涌GB/T1762651998抗静电干扰GB/T1762621998电源电压突降GB/瞬变脉冲群GB/T1762641998抗工频磁场干扰GB/T176268199853断路器监测装置工作原理操作机构动作时间测量跳闸指令发出与辅助触点52A跳开及辅助触点52B闭合之间的时间间隔，可以反映操作机构动作特性的改变。动作时间的增加反映动触头运动速度下降，而动触头运动速度下降则可能由于跳闸线圈工作异常（阻抗大或线圈有短路）、脱扣器卡涩、润滑不良、元件的紧固问题、轴承磨损或滞塞、储能系统（弹簧或气动）泄压等造成，在线监测仪监测记录操作机构动作时间，用于辅助判断断路器操作机构存在的问题，并在需要进行维修的时候提出建议。动作时间计算方法电磨损计算方法电弧燃弧时间装置通过测量记录及专用软件可得到主触头刚分到电弧熄灭之间的时间间隔。记录燃弧时间可以推断灭弧室里的问题。一个断路器的灭弧能力可以通过监测燃弧时间来反映。如果一个断路器的动作行程时间没变，而燃弧时间变长，那么可以推断灭弧室里一些部件出现了问题如灭弧介质的介质强度降低污染的油污染的气体,断口电场变差触头烧损等。当断路器发生重燃，装置也可以记录并报警。主触头电寿命通过测量主触头的IT的累加值可以记录主触头的烧损情况。在燃弧时间过程中，将每个电弧电流采样，采样速率是每个周波32点。通过NSOPTI专用软件计算IT和IT的累加值。在有直流分量的时候NSOPTI仍能保持IT的精确计算。传感器现场安装示意图检测装置现场安装示意图绝缘材料的性能在给断路器发出一个分闸命令后，通过监测电弧出现的时间来判断断路器灭弧的能力。如果机械移动时间与负荷电流保持不变，但是电弧持续时间有所增加，我们就可假设在电弧室里一些绝缘材料已经发生了损坏。能够导致断路器灭弧能力发生问题的因素如下油被污染（对于少油、多油断路器）气体被污染（SF6断路器）档板磨损喷管烧蚀由于负荷造成的主触点侵蚀断路器主触点的磨损主要来自于电弧带来发热。在每一次电弧期间，断路器主触点的腐蚀对于I2T来说是按比例的。断路器动作过程通过监测断路器分合闸过程的三相电流、常开常闭辅助开关的状态、分合闸线圈的电流以及断路器储能电机工作电流来实现对断路器状态的监测，下图是断路器分闸过程典型的时序图。断路器动作过程示意图分闸过程继电保护装置发出分闸命令，同时断路器分闸线圈带电，经断路器有分闸时间延时后，断路器动静触头分离，再经燃弧时间后故障电流除，分闸完成。分闸动作时序如下图所示。分闸过程时间图T1故障开始时刻T2保护分闸命令输出时刻分闸线圈开始带电T3动静触头分离时刻T4故障电流灭弧时刻T5分闸线圈回路辅助触点断开时刻在分闸过程中存在下列参数保护动作时间含定值延时T1；分闸线圈带电时间T2；分闸时间T3；燃弧时间T4；固有分闸时间T5。合闸过程继电保护装置发出合闸命令或手动合闸，同时断路器合闸线圈带电，经断路器固有合闸时间延时后，断路器动静触头接触，再经插入行程后，合闸完成。合闸动作时序如下图所示。合闸过程时间图T6合闸命令发出时刻（合闸线圈开始带电时刻）T7断路器一次断口电弧接通时刻T8动静触头接触时刻T9合闸线圈回路辅助触点断开时刻在合闸过程中存在下列参数合闸时间T6；固有合闸时间T7；合闸线圈带电时间T8。储能过程储能机构中合闸弹簧强度下降、部件磨损或卡涩、电机故障、微动开关故障等，对断路器的储能或分合闸操作产生不利影响。通过监测储能电机的电流能够监测弹簧、储能机构以及电机和微动开关的状态。储能期间电机电流的典型波形断路器储能电极时间图阶段I，TT0T1，为电机的起动阶段。起动电流峰值IST的大小由电源电压和电机的参数决定。阶段II，TT1T2，作用在储能轴上的力矩不大，在此阶段电流略有上升，但可基本认为是常数IA。阶段III，TT2T3，作用在储能轴上的力矩明显增大，点击电流显著上升。T3时刻力矩达到最大值，电机电流也达到最大值IM。阶段IV，TT3T4，作用在储能轴上的力矩减小，电机电流下降。T4时刻弹簧达到预期位置。阶段V，TT4T5，弹簧到达预定位置后，微动开关将电机电流切断。储能过程结束。由电机的电流波形可以得到下列参数电机启动电流的峰值IST，储能期间的电流峰值IM和平均值I,电动机的起动时间T1T0，最大力矩时间T3T0，储能时间T4T0，电流切断时间T5T4。6技术路线本文在综合国内外高压断路器在线监测方案的特点和发展趋势的基础上,提出了一种基于ARM内核、双CPU以及CAN总线的高压断路器在线监测系统的研制方案。该方案在硬件设计上采用ARM单片机S3C4510B作为主控制器设计监控单元,代替传统的51单片机,提高了系统的运行速度和数据处理能力采用新型DSPIC单片机设计独立的数据采集单元,减少了硬件扩展的麻烦,同时可以在不影响系统正常运行的前提下很容易实现监控对象的扩展。软件设计上主要采用基于UCLINUX嵌入式操作系统的软件平台,用UCLINUX多任务的进程管理机制代替传统汇编语言的单任务执行机制,使系统能够适应日益复杂的工业现场应用需求。系统采用CAN总线作为监控单元与后方监控中心之间的主要通信方式,充分利用CAN总线的多主、高可靠性传输等特点构造总线网络。论文综述了高压断路器在线监测的基本原理及其主要内容,介绍了基于S3C4510B的ARM应用系统的软硬件设计,在此基础上扩展监控单元基本功能模块同时介绍了DSPIC单片机的基本特点,并设计数据采集单元。论文重点研究了高压断路器在线监测系统的构建,系统的硬件、软件设计方案,如信号处理、显示模块、通信模块以及上位机界面软件设计等。此外,论文还重点介绍了UCLINUX操作系统下的应用程序以及驱动程序的开发。61硬件设计另外,为这台高压断路器在线状态监测装置设计了完备的综合功能,可在线监测高压断路器的机械特性、电寿命、二次操作回路完好性以及其各种绝缘状态。监测装置核心处理模件基于DSPCPLD模式,包括三块数据采集处理模板和一块管理模板,CPLD的应用实现了对DSP众多外围芯片的扩展和逻辑控制,提高了装置