一种断路器弹簧操动机构弹簧压力监测系统的设计与实现

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

弹簧操动机构由于结构简单、体积小、对环境无污染、可靠性高等优点，在断路器中得到广泛应用。在弹簧操动机构运行故障中，储能弹簧问题最为突出。平高集团有限公司的研究人员张旭、孔志武、彭跃辉、王岩妹，在2021年第4期《电气技术》上撰文，设计了一种断路器弹簧操动机构弹簧压力在线监测系统，实现了断路器机构弹簧断裂和疲劳松弛的在线监测和故障预警。

高压断路器是电力系统中的重要设备，随着使用年限的增加，断路器机构润滑、弹簧疲劳等机械故障会逐渐显现，严重影响断路器分合闸的可靠  性。据统计，机械故障占断路器操动机构故障的45.7%。加强对断路器操动机构的研究，对提高断路器可靠性具有重要意义。

本文基于CT□-2.6Ⅰ型断路器弹簧操动机构，进行该型断路器弹簧操动机构与弹簧压力传感器的一体化设计，对传感器输出信号进行精密放大，完成对弹簧压力的实时准确采集，通过软件设计，实现对断路器机构弹簧断裂和疲劳松弛的在线监测和故障预警。

1  断路器弹簧操动机构与弹簧压力传感器一体化设计

断路器弹簧操动机构机械零部件较多，传动过程相对复杂，且操作功较大，工作时具有较大的振动噪声，植入压力传感器不仅要保证测量数据的准确性、耐用性和校准的便捷性，还要考虑压力传感器与弹簧机构特性匹配，即机构植入压力传感器后不应影响其分合闸操作。

本文设计的断路器弹簧操动机构与弹簧压力传感器一体化机构通过调整弹簧形变量，将弹簧压力值与原设计弹簧压力值保持一致。通过专业设备测试，一体化机构机械特性主要技术参数见表1，满足该型号机构所配断路器的机械特性要求。

表1  一体化机构机械特性主要技术参数

图1所示为断路器弹簧操动机构分、合闸弹簧压力传感器安装位置示意图，合闸弹簧压力传感器、分闸弹簧压力传感器均固定在其静端。合闸弹簧一端由合闸弹簧筒支撑，另一端在合闸弹簧拉杆和合闸弹簧压板的作用下处于压缩状态，合闸弹簧压力传感器位于合闸弹簧和合闸弹簧筒之间；分闸弹簧一端由分闸弹簧筒支撑，另一端在分闸弹簧压杆和分闸弹簧压板的作用下处于压缩状态，分闸弹簧压力传感器位于分闸弹簧和分闸弹簧筒之间。

图1  断路器弹簧机构传感器安装位置示意图

2  断路器机构弹簧压力监测系统设计

2.1  系统结构设计

系统的主要功能是监测断路器弹簧操动机构的弹簧压力。系统通过数据采集单元将压力传感器信号转换成4～20mA信号后上传给智能监测装置，在装置内进行数据解析、状态诊断，并将诊断结果上传到监控后台，通信结构如图2所示。

图2  系统通信结构

1）压力传感器设计

压力传感器采用高度低、截面小的设计方式，使得机构压杆可以穿过传感器，且传感器的安装和介入不改变弹簧机构的调试、检修和机械特性。传感器具有足够的抗压、抗振、抗冲击能力，确保在弹簧最大力值条件下长期、可靠稳定工作。

压力传感器的线性测量误差、重复性测量误差、滞后误差等参数依据JJG 391—2009《力传感器》检定规程设计，工作条件依据Q/GDW 1535—2015《变电设备在线监测通用技术规范》设计。具体参数见表2。

表2  压力传感器技术参数

2）数据采集单元设计

数据采集单元用于实现对断路器弹簧操动机构分、合闸弹簧压力传感器感知信号的采集、处理、传输等功能，其设计性能满足表3要求。

表3  数据采集单元设计技术指标

3）智能监测装置选型设计

智能监测IED硬件平台采用研华科技MIC—1816工控机，MIC—1816具有集成的数据采集模块和信号调理功能，可提供数字I/O，模拟I/O和计数器功能。同时还支持串行通信端口和其他几个网络接口，以实现无缝集成和快速的系统开发。系统采用ubuntu12.04，Linux 3.13内核，具有较好的人机交互能力。

2.2  系统软件设计

系统软件主要实现分合闸弹簧压力传感器数据接入，实时采集、解析分合闸弹簧压力值，根据算法模型诊断弹簧疲劳状态，实现对断路器机构弹簧断裂和疲劳松弛的在线监测和故障预警。

系统软件基于Qt开发框架。主程序读取配置文件，根据所配置模式开启通信线程，成功读取到通道数据后发送读结束信号，数据存储线程响应并启动，进行数据存储，成功存储后发送接线信号，数据处理线程响应并启动，进行数据解析。IedServer对象在程序运行时创建，启动协议栈，采用QList进行数据交互，循环组织报文实现制造报文规范（MMS）服务端功能。软件设计如图3所示。

图3  系统软件设计框图

3  系统测试及应用

目前该系统已通过出厂测试，测试初始状态为合闸已储能状态，测试数据表明系统监测到的压力值与校验工装检定的压力值误差在误差区间内（±500N），分合闸弹簧压力监测数据如图4所示。

图4  分合闸弹簧压力监测数据

目前系统正在浙江某智能化试点站设计试用，数据监测界面分别如图5～图7所示。

图5  分闸储能状态动作曲线

图6  合闸自储能状态动作曲线

图7  分闸未储能状态动作曲线图

4  结论

本文从电力系统GIS设备质量提升角度出发，设计了断路器弹簧操动机构弹簧压力在线监测系统，实现了对断路器机构弹簧断裂和疲劳松弛的在线监测和故障预警，该系统可通过分析监测压力值与出厂压力值变化情况，提前预警断路器弹簧操动机构弹簧疲劳状态，弥补目前断路器机械特性在线监测无法提前预警的不足，对于提升断路器可靠性具有重要意义，符合智能变电站的发展要求。

本文编自2021年第4期《电气技术》，论文标题为“一种断路器弹簧操动机构弹簧压力监测系统的设计与实现”，作者为张旭、孔志武、彭跃辉、王岩妹。