有关高压开关柜断路器机械特性在线监测装置的研究

摘 要：高压开关柜内断路器的机械特性大体上分为三类，即时间特性（t）、速度特性（v）以及行程特性（s），三种断路器特性都可以通过断路器触头的s-v曲线求得。传统的高压开关柜断路器机械特性在线监测由于柜内空间较小，监测信号的稳定性较差、断路器刚分、刚合时刻不容易把握，因此其最终的监测数据往往存在较大的失真性，数据指导性较弱。因此，有必要结合现代在线监测技术，准确测定断路器触头刚分刚合时间，提高在线监测的精确性。

关键词：高压开关柜；断路器；机械特性；在线监测

1 监测装置的硬件设计

1.1 监测装置的组成及其工作原理

现阶段高压开关柜内所用断路器，大多采用模块化结构组成，其优点在于利用模块集成技术，降低了内容元件交叉短路的概率，有利于提升断路器的使用质量和抗干扰能力。总体上看，断路器大致分为五大模块，分别是霍尔传感器、辅助接点、角度传感器、信号处理器、数据通讯系统。当断路器通电工作后，霍尔传感器执行时间指令，调用单片机控制程序中的设定时间，此时起始时刻被确定。随后，辅助接点（非接触式位移传感器）接收霍尔传感器的动作指令，启动时间调用程序，根据事先设定好的时间间隔，自动计算出断路器的停止时刻。当起始时间和中止时间确定后，角度传感器进行相关数据的采集和处理，并在时间结束后，将所采集到的数据进行初步整理和汇总，上传到信号处理器。这些初始数据在信号处理器内实现转化、筛选和加工，最终汇总到数据通信系统中，以备工作人员调用。

1.2 断路器的机械特性

本文所研究的在线检测装置，其主要理论依据是：在断路器分、合闸的过程中，断路器主轴旋转角度与触头行程之间有某种数学上的联系，从而能够通过测量断路器的分合闸旋转角度，来间接的测量出触头行程。其中，角度传感器的主要功能是负责检测断路器主轴的旋转角度，并且能够将主轴动作信号转换为数字模拟信号。同时，该信号通过A/D转换器进行转化之后，将输出的信号录入专门的绘图软件中，能够得出断路器触头的行程曲线。

机械特性时间参数的检测则是利用了霍尔电流传感器和断路器自带的辅助触电，在开始进行时间参数检测时，断路器内部单片机控制中心首先要根据断路器分合闸的动作周期，制定相应的控制指令，以此来获取断路器操作线圈和触头分、合的频率。

2 高压开关柜断路器机械特性内部监测装置的设计

2.1 角度传感器的选择与安装

在测得主轴角位移曲线和动作行程之后，可以利用相应的计算软件得出断路器触头的直线位移曲线，这种间接测量法也是现阶段大多数型号断路器的普遍应用方法。需要注意的是，真空断路器由于自身结构的影响，内部主轴旋转的供电方式为低压供电，因此也就不存在高低压电位分离的问题。为了保护内部主轴，通常要在断路器内部预留一定的空间，方便安装角位移传感器，防治在主轴旋转过程中位移传感器采集不到相应的动作信号。

本文研究所用的角位移传感器生产与美国Sburnnik公司，其信号采集传感器为电磁感应式动作捕捉器，具有使用寿命长、信号准确率高等优点，理论上最小分辨率可达0.015°，分辨率为12位。角度传感器安装时，要注意其内部磁位器应当架空安置，除了必要的导线连接外，不应与其他金属固件直接接触。一般情况下，磁位器应当采用环氧树脂或可塑性胶泥与固件连接。

2.2 分闸及合闸周期起始时刻监测硬件电路设计

断路器分闸周期与合闸周期计算均以分、合线圈得电为起始时刻，断路器分、合闸周期一般都在ms数量级，因此，断路器分、合闸起始时刻的准确监测是断路器周期监测的关键。本监测装置采用南京菜花电子有限公司生产的CSM005A电流霍尔传感器作为断路器操作线圈得电时刻监测的传感原件，该传感器的原边和副边之间可承受2.5kV的交流电压，线性度≤0.2%，相应时间

2.3 辅助触点信号回路切换控制电路设计

断路器刚分、刚合时刻确定通过辅助接点构成的信号回路连接至DSP的XINT2实现，在断路器常开、常闭辅助触点构成的回路中附加3.3V直流电压可构成两路信号回路，信号回路的输出信号经消抖等处理后可以为DSP的XINT2提供另一个可靠的中断沿触发信号，但随着断路器分闸或合闸动作的进行，两路信号必须满足不断与DSP的XINT2管脚进行切换连接的功能。电路设计中通过控制继电器常开、常闭触头实现，两路信号的切换电路如图1所示。

3 实验结果及其分析

本装置采用非接触式角度传感器监测断路器分、合闸时主轴旋转角度，很好地解决了断路器机械特性在线监测传感器不易安装的问题，利用霍尔电流传感器和断路器辅助触点较准确地提取了断路器分、合闸周期起止时刻。装置结构简单小巧、安装方便、成本较低，具有较广泛的应用价值。

参考文献

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[3]陈辰，韩秋实.机械故障诊断仪信号采集电路的研究[J].微计算机信息，2013，（22）：181-183.