高压隔离开关操作机构电机电流采集技术研究

任剑

摘要：在高压开关设备中，隔离开关（DS）的使用量是最大的，在高压电网中起到隔离线路，建立可靠绝缘间隙的作用，DS还用于换接线路以及变换母线接线方式。DS性能的好坏直接影响电网的安全运行，是高压电网中最重要的设备之一。高压隔离开关在分合闸过程中常由于操动机构速度的快或慢而引起拒分、拒合、分合闸不到位以及传动部件损坏变形等故障，因此，有必要对开关触头的运动过程进行控制。以往的高压隔离开关操动机构采用弹簧、液压或气动技术，具有连杆多、结构复杂的缺点，因此，其累计运动公差大、响应缓慢、可控性差，难以实现触头的运动控制。

关键词：隔离开关;操动机构;电机输出;扭矩;电流关系;分析

1导言

高压隔离开关主要用于倒闸操作、隔离电源或者分合小负荷设备。在倒换运行方式或者设备停电检修时，隔离开关能否顺利操作直接影响到系统的供电可靠性和安全性。高压隔离开关多工作于户外环境，转动或传动机构长期暴露在空气中易发生锈蚀，加之运行维护不及时，出现隔离开关分合闸不到位、运动卡滞等机械故障，这已经成为隔离开关安全运行急需解决的难题之一。隔离开关工作时，操动机构电机通过轴系统带动传动机构运动，完成分合闸动作。当传动机构出现卡滞等异常情况时，操动机构电机输出轴的扭矩增大，因此电机输出轴扭矩是反映隔离开关机械故障的重要指标。

2 DS电机机构控制系统

2.1分合闸隔离驱动控制电路设计

本文采用功率开关器件IGBT来控制三相绕组电流的通断，并设置RCD缓冲电路改变器件的开关轨迹控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。在IGBT关断过程中，电容C通过二极管充电，吸收关断过程产生的du/dt，在IGBT开通后，通过电阻R放电.吸收二极管必须选用快速恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的1/10。此外，应尽量减小线路电感，应选用内部电感尽量小且高频特性好的吸收电容。

2.2电机位置检测电路设计

位置检测电路起着测量转子磁极相对位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，然后控制定子绕组换相。本控制系统采用三个锁存型霍尔元件按一定角度固定在霍尔盘上作为电机位置检测传感器。霍尔盘固定在电机外壳上，制作一个圆形磁钢模拟电机内部磁场分布，磁钢固定在电机主轴上。当电机运动时带动磁钢旋转，霍尔元件输出电平发生变化，DSP通过捕获霍尔元件输出信号获取电机转子所处位置。

2.3速度检测电路设计

采用光电旋转编码器去检测转子的速度，光电旋转编码器由固定在定子上的光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只光耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘位于发光二极管和光敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口.红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断地照在光敏三极管上，使其不断导通和截止，其输出信号反映了转子的速度。

2.4绕组线圈电流检测电路设计

传统的电流检测电路多利用分压电阻的方式，此种方法简单，但电阻会因为温漂而发生变化，无法保证测量的精度.同时外部电路与控制电路之间没有电气隔离，极易造成主回路中的较高电压对控制回路的冲击，对控制系统的安全构成威胁.因此在电流测量电路中，采用可实现电气隔离的霍尔型电流传感器CHF-400B，传感器输出电压与输入电流成比例，比值为1/100。电机在正常运行过程中每相绕组中的电流是交变的，但是A/D模块的输入电压范围是0-3.3 V，所以在传感器输出信号前应先通过加法器，再经过比例运算电路以保证线圈电流信号的安全性。

2.5电容充放电控制电路设计

BLDCM采用储能电容代替传统的弹簧等储能方式.在控制系统中设计了电容的充放电控制回路，当控制器上电后，首先对电容器组进行充电，由DSP采集电容电压的信号并进行处理，当电压值达到系统操作要求时，DSP发出停止充电指令，切断外界电源。

3、试验方式与分析

3.1电机电流波形

在隔离开关正常工作情况下，隔离开关的分合闸时间为7s，电机瞬时电流为5.268A，从电机启动、到电流平稳的时间为0.2s。当电机启动、电流回路之后，电机则可以按照稳定方式工作，在分合闸到位之后，限位开关发生动作，并同时切断电机电流。在该过程中，电机电流信号持续时间可以作为隔离开关分闸、合闸动作持续时间应用，隔离开关每一次发生动作，需要保证其持续时间具有稳定的特征，如果在操作当中发生时间特性异常情况，则表明隔离开关动作存在异常问题。同时，在合闸过程当中，在负载增加情况下，其操作力也将随之增大，同时获得上升电流。在受到多次操作冲击的情况下，电流波形也因此出现较多峰值。在分闸当中，电机电流具有较为平稳的波形，仅仅在后期表现出一个较小的波峰，即表明隔离开关在动作方面具有較为稳定的特点，操作冲击情况没有发生。由此可见，在其合闸过程当中，负载一直具有较为复杂的变化特征，电机电流如果大于分闸过程，则非常容易导致机械故障情况的发生，并对操作绝缘子产生更大的冲击。

3.2电流信号特征提取

在电流信号产生变化、且该变化超出一定阙值时，即表明该电机具有更大的输出力矩，传动机构出现卡涩故障。对此，在该研究中，则通过信号波形包络线方式提取电机电流信号。为了能够较好的建立操作力矩同电机电流间关系，在电流信号采集工作当中，则通过测试系统的应用实现操作机构输出转轴表面应变情况的测量，并做好开关动作中输出转轴扭转应变信号以及电流信号间的对比。

3.3故障情况电流信号分析

在隔离开关运行当中，其最为常见的故障类型包括有平衡弹簧失效、合闸不到位以及存在锈蚀卡涩现象等。为了能够做好故障情况下隔离开关合闸信号分析，则分别在故障情况下进行重复性试验，保证电流波形具有较好的重复性。经过测试可以发现，当转动机构以及开关传动机构出现传动不畅现象、或者发生机械故障以及缺陷时，电机电流信号则将发生异常。当隔离开关拉杆、连接杆以及轴承座发生卡涩情况时，操作力矩以及驱动电机电流将随之增大，可以联系电流峰值的高低实现其卡涩程度的判断，并联系峰值出现时间在同开关动作形成结合的基础上做好卡涩缺陷位置的判断。在本次测试的GW6H隔离开关当中，其传动机构为密封结构类型，在防水方面具有较好的表现。但是，其在运行当中触头以及上下导电管处于大气环境之下，在活动当中，其肘节部位经常出现锈蚀卡涩情况，进而增加操作阻力。同正常运行状态相比，在卡涩情况下，电流波形主峰值在出现时刻方面存在较多的不同，由此可以判断，在隔离开关动作初期就存在卡涩缺陷情况。而在卡涩程度较为轻微的情况下，电流波形在峰值情况下同正常运行相比没有存在较大的差别，而当其卡涩较为严重时，波形峰值则会出现滞后情况，即表明卡涩缺陷问题的存在，对隔离开关动作形成产生了较大的影响。如果隔离开关具有手动操动结构，则可以联系操作过程中手感情况对卡涩缺陷是否存在进行判断，但对于该种手动判断方式来说，其对操作人员的工作经验具有较大的需求，且在准确性方面不能够保证，非常容易导致误判情况发生。而根据电机电流卡涩故障诊断，则能够对隔离开关的机械传动情况实现更为直观的呈现。

4、结束语

在电力系统运行中，隔离开关可以说是非常重要的一个环节，如果隔离开关存在故障问题，将直接影响到电力供应的安全稳定。在上文中，我们对电机电流检测的高压隔离开关机械故障诊断进行了一定的研究，具有较好的应用价值。

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