液压机构断路器打压信号监测及报警系统
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中国南方电网超高压输电公司曲靖局的研究人员陈亮、廖和福、邹文龙、李本毓，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，液压机构断路器频繁打压是断路器机构故障中最常见的一种。常规的液压机构打压监测方式采用现场抄录机构计数器读数，综合时间及断路器分合次数来判断机构打压是否异常，这种方式既不准确也不及时。
为了解决实时监控已建工程中机构打压的问题，研究了利用ZigBee无线传输技术实现机构打压次数自动上传并报警功能的可行性。并通过试验证明此方案在短距离、无遮挡环境是可行的。在已建工程中利用无线传输技术传输信号，避免了重新敷设电缆的麻烦，同时不对现有系统造成影响。
液压弹簧机构由油泵压缩弹簧储能，相较于液压气动机构，其结构更紧凑，能量密度更大，安全性和可靠性也更高。液压机构电机打压是否正常，是判断该断路器是否能够正常运行的一个重要指标。因此准确及时地获取机构打压情况，对于断路器的日常维护具有重要意义。
对于新建工程，可以将机构打压信号或打压次数通过电缆或光缆上传至监控系统，由监控系统判断是否异常。但对于已建工程，采用这种方式需要重新辐射电缆或光缆，非常不便于实施。ZigBee无线传输技术可以实现近距离通讯[1]，利用此技术来实现机构打压次数的实时上传并报警，不需要敷设电缆或光缆，也不改变现有的监控系统。
1、液压碟簧机构断路器简介
液压碟簧操动机构以液压油为介质进行液压传动，以实现高压开关的分闸动作和合闸动作。当储能电机接通时，液压传动系统中的动力设备—液压泵（油泵），将低压油箱的油压入高压油腔，将原动机的机械能转为液体的压力能，储能活塞在液压力作用下，向下压缩弹簧储能。断路器动作时，弹簧弹性势能通过液压系统转为动能，经过机构活塞杆和断路器的绝缘拉杆驱动灭弧室的动触头进行分合闸操作 [2-3]。
图1 液压碟簧机构断路器结构图
液压操动机构的特点是能量密度大，可以在结构上实现紧凑型布置。液压操动机构是用液压油为工作介质，工作时几乎没有摩损。由于液压油的压缩性可以忽略不计，并且运动质量轻，使得操作噪音较低。
2、断路器频繁打压的危害
液压机构的高压油腔在断路器不动作时是完全封闭的，正常情况下只在断路器分、合闸动作时，高压油腔与低压油箱连通，释放压力。但如果高压管接头渗漏、储能活塞节流阀等密封不严，或内部元件磨损等，则会导致油压降低，触发储能电机重新储能打压。
操动机构频繁打压主要有以下危害：（1）油腔内密封部件反复工作，磨损大，会使泄压和渗漏加剧。（2）内部密封圈经常摩擦，生成橡胶粉末，污染液压油。（3）操动机构储能电机有限定工作次数，反复打压缩短电机寿命。（4）经常启动电机打压，对二次回路控制元件电气寿命造成不良影响。（5）频繁打压不及时处理导致泄压严重，又频繁操作断路器时，甚至会导致断路器拒动[4-6]。
因此，及时判断打压是否异常，对于断路器的日常维护极为重要。
3、打压信号监测概况
目前国内普遍采用的打压监测方式分为两种：（1）现场抄录机构计数器计数。（2）上传打压动作信号。
第一种方式只能在定期抄录计数时，根据打压次数和抄录周期综合判断机构工作是否异常。这种方式既不及时也不准确，在打压次数接近临界值时，很难准确判断机构储能机构是否已经出现故障。而在打压非常频繁时，又不能及时发现故障并采取措施。
第二种方式采取上传启动储能电机的继电器接点分合信号，后台根据接点信号判断操动机构是否正在打压。这种方式不能记录打压开始的时间，需要查阅信号发送报文来获取打压时间，并根据打压时间间隔判断机构打压是否异常。
这两种方式既不能及时反映断路器的打压频率，也不能给出打压异常的报警。及时反馈、提前预警有助于维护人员对断路器状态的了解和维护。对于新建工程，应当在设计时考虑增加机构打压信号记录的功能。
对于早期的高压开关设备，由于重新敷设电缆工作量大，工期长，影响电站的正常运行，可以利用无线传输技术实现打压信号的实时上传。并且选择合适的上位机软件，还可以实现打压异常的自动报警。
4、打压信号实时监测及报警系统
系统主要由数据采集、信号传输、信号处理软件三个部分构成。
4.1数据采集
常规的机械计数器采集所接入触点闭合时的电压上升沿或触点断开时的电压下降沿，转动数字轮累加计数，不能输出信号；采用的无线传输模块不能接收开关量，并且上位机软件使用开关量累加计数增加了软件制作难度，所以系统不能使用常规的机械计数器而使用电子式计数器来采集机构打压次数。电子式计数器不仅能在就地汇控柜正常显示断路器的打压次数，还能将打压次数转换为模拟量上传。
电子式计数器工作电源为AC220V，功耗不大于4W，防护等级达到IP50。可在0~50℃正常使用。模拟量变送输出电流有0~20mA、4~20mA，电压有0~5V、0~10V等规格，考虑到无线信号发送器的精度只有0.02mA，而0-10V电压的采集精度为0.01V，因此选择信号数值较大的0~5V变送模拟量。
计数器信号采集频率为50Hz，计数上限为999999，而断路器机械寿命为5000次，完全满足要求。将启动电机打压的接触器无源辅助接点接入电子式计数器输入端，计数器通电后自动记录断路器的打压次数。在LED显示屏上显示计数的同时，计数器将计数转换为0~5V的模拟量传送给无线传输模块。
4.2信号传输
对于已投运的设备，重新敷设电缆工期长，影响大，不易实施。采用无线传输方式发送信号，既免去了敷设电缆的麻烦，又不影响现有设备的正常运行。
信号的长距离无线传输一般通过卫星实现，如GPRS、GSM等，这种方式维护麻烦，系统信号传输距离短，不采用此方式。目前比较常用的短距离无线通信技术主要有ZigBee、蓝牙、红外和Wi-Fi等。
蓝牙技术传输范围在10米左右，抗干扰能力差，不适合在电站使用。红外传输是视距传输，需要互相通信的设备之间对准，不能有遮挡物，不满足多信号的传输需要。Wi-Fi技术是以太网的无线扩展，功耗大，成本高。综合考虑，系统选用ZigBee技术来实现打压信号的无线传输。ZigBee技术可支持最多255个设备连接，传输距离可以达500m，其功耗低、成本低、容量大，完全可以满足系统的传输需求[7]。
系统选择可以接收4~20mA和0~5V模拟量的ZigBee无线传输装置，4~20mA是带输出的温湿度控制器的输出值，选用这种装置，同时可以扩展监测汇控柜内温湿度信号。此装置包含一台信号发送器TP1608和一台信号接收器TP410。
设置好两台装置的参数后，TP1608接收电子式计数器输出的模拟量电流信号，并将信号通过电磁波传输给TP410。TP410通过USB接口连接到电脑，将接收到的信号传输给上位机软件。
4.3信号处理
上位机软件接收到计数信号后，会将信号转换为具体次数，并记录信号的时间，用户可随时观察，并可以将记录数据的以excel格式导出。
图2 上位机软件界面
上位机软件接收到信号后，根据设定参数判断机构打压是否过于频繁。不同型号的液压机构其打压频率有所不同，软件中的报警阈值可根据断路器具体情况自行调整。本次试验被采集数据的断路器正常情况下每24小时打压不超过10次。参数设置界面如图3。
图3 参数设置界面
判断为异常的信号，会以红色标记，作为报警显示，并将此数据录入报警记录中。如图4所示。用户可以通过观察报警来预警断路器液压机构是否有油压泄漏，以便及时做好隐患排查。
图4 报警指示
软件记录的数据可以以excel的格式导出来，方便用户随时查询以往数据。断路器每次操作都会使油压降低使电机打压，因此判断打压是否异常，还需要将设定时间内的打压次数减去断路器的操作次数，才能得到因油压自然降低而产生的打压次数。以此数据，对比厂商提供的参数，可以准确判断打压是否异常。在打压次数连续多次接近打压异常临界值时，应当提前做好断路器的检修工作，避免机构打压异常引起其它事故。
图5 系统总体设计
根据现场的实际情况，由图5可知系统的组成：
信号发送部分：打压继电器、电子式计数器、电源、插座；信号传输部分：无线信号发送器、无线信号接收器；信号接收部分：接收信号的电脑、显示信号的程序等；断路器欠压时，由扩展继电器常开触点发送开关量信号到电子式计数器，计数器判断电压上升沿或电压下降沿，累加计数。
电子式计数器计数后，通过4~20mA输出接口发出信号，信号传送到无线发送器。无线发送器通过Zigbee网络将信号发送到无线接收器。无线接收器接收到信号后，通过USB接口上传到电脑中，电脑中的相应软件接收并处理信号，转换为可视界面，并根据信号具体情况，判断是否发出报警。
局域内组网方便简单，不需要其它设备连接，能够直接组网。所有断路器打压信号传输到一个软件里，通过不同的地址，可以区分出不同的信号发送器，进而区分出不同的断路器。
5、结论
本文介绍了液压机构频繁打压的原因及其危害，提出了一种基于ZigBee无线传输技术实现的机构打压监测报警系统。此系统能够实时监测机构打压情况，用户可以根据打压信号提前预判断路器储能系统故障，做好检修维护工作。此系统不需要敷设电缆，施工难度低，工作量少，周期短，特别适合已建电站使用。