基于光栅传感器和无线传输的高压隔离开关触指压力在线监测系统的研究

张志超 郭亚成 周开峰 代震

【摘 要】隔离开关触指压力不足导致接触部位接触不良会引起触头发热，容易引发事故。一种基于光栅传感器和无线传输的高压隔离开关触指压力在线监测系统可以及时监测隔离开关触指压力现状，减少由于触指压力不足导致的接触不良进而造成触头发热的现象，可以减少停电次数，提高国家电网运行效率。此系统由光纤光栅应变传感器，触指压力光纤解调和无线传输模块部分，触指压力监控装置组成。通过此种方式可以用实际直观的数据分析出高压隔离开关是否合格。实施高压隔离开关触指压力的在线监测是保障电力系统安全运行的必要条件。

【关键词】光纤光栅传感器 无线传输 触指压力 ZigBee 在线监测

目前，高压隔离开关触头发热问题会导致触头发热部位熔化，增加停电次数，影响电网运行结构。经过对现有的高压隔离开关发热问题的分析、统计发现，隔离开关触指发热占到全部发热问题的80%以上，而隔离开关触指压力不足而导致接触部位接触不良引起的触头发热占到隔离开关触指发热缺陷的60%以上，因此，减少高压隔离开关发热的关键是保证隔离开关触指的压力。目前有几种离线方式检测：通过测试刀闸回路的接触电阻来判断接触部位的接触情况，粗略地判断隔离开关触指的压力是否合格；通过模拟触指，设计模具，通过压力传感器的数据采样判断隔离开关触指的压力是否合格；以上方法都缺少预防性的监控手段，无法满足实时监测的需求；为了满足《河北省电力公司输变电设备状态检修导则》9.3.1款“检查动静触头接触压力”以及《河北省电力公司输变电设备状态诊断导则》11.2.2款“隔离开关触指压力不符合技术条件”的检测要求，增加隔离开关状态检测手段，填补工作中无法测量触指压力的盲点，迫切需要隔离开关触指压力的在线监测系统。

1 高压隔离开关

高压隔离开关有多种分类方式。根据极数分为单极和三极；按操作机构可分为手动式，电动式和液压式。按绝缘支柱数目可分为单柱式隔离开关、双柱式隔离开关和三柱式隔离开关，其中单柱式隔离开关结构最为简单，有体积小、接引导线少的优点，在需要节约空间的工况中使用有较大优势。隔离开关在电力系统中主要起安全隔离作用，它的任务是在无负荷下分、合电路，以达到停电检修和转换电路的目的。

1.1 单柱式隔离开关

单柱式隔离开关是只有一个绝缘支柱的隔离开关。它由绝缘支柱、折叠活动臂（动触头）和静触头三部分组成。如图1所示：按折叠活动臂结构的不同可分为剪刀式和半剪刀式两种型式的活动。其中绝缘支柱用来支持和操作上部导电杆和折叠活动臂。通常由两个支柱绝缘子组成，一个是固定的大直径、高强度支柱绝缘子，起支持导电、绝缘支柱单柱式隔离开关部分的作用；另一个是活动的小直径、普通强度的支柱绝缘子，能水平旋转，用以操作活动，完成断开和闭合的动作。折叠活动臂隔离开关的导电部分，又称动触头。它安装在绝缘支柱的上部，沿垂直方向起落，以完成断开和闭合的动作。

活动臂有两种结构：（1）单侧折叠活动臂，非对称结构，简称半剪刀式。（2）双侧折叠活动臂，对称结构，简称剪刀式。折叠活动臂是隔离开关的核心部件，应满足载流量的要求，并具有规定的动、热稳定性，一般用铝合金管或铜管制成。由于单柱式隔离开关的静触头安装在母线上，具有一定的风偏摇摆，故要求折叠活动臂具有足够的长度，使隔离开关在风偏时能可靠的夹住静触头。由于结构不同，半剪式隔离开关的静触头垂直母线安装，剪刀式隔离开关的静触头平行母线安装。

单柱式隔离开关的应用具有以下特点：（1）它是垂直开启的方式，通常用作母线隔离开关，可以直接分布在母线下方，减少高压比电装置的纵向尺寸，节省占地。（2）它的折叠活动臂结构比较复杂，隔离开关的价格交规，通常只在电压等级较高的配电装置中采用，在我国已形成220～500kV单柱式隔离开关的系列产品。（3）剪刀式隔离开关钳夹范围大，与有一定风偏摇摆的软母线配合有利，而半剪刀式隔离开关钳夹范围小，与固定不动的硬母线（支持式）配合有利。

图1 单柱式隔离开关图

1.2 双柱式隔离开关

双柱式隔离开关图2所示，由两个垂直布列的绝缘支柱组成的隔离开关。每极有两个可转动的触头，分别安装在单独的瓷柱上，且在两个支柱之间接触，其断口方向与底座平面平行的隔离开关。按不同的导电结构可分成水平旋转式和水平伸缩式两种类型。双柱水平旋转式隔离开关是由两根绝缘支柱同时起支撑和传动作用，为确保隔离开关和接地开关两者之间操作顺序正确，在产品或结构上装有机械联锁装置，以保证“主分-地合”、“地分—主合”的顺序动作。此种结构的支柱既起支撑作用又起传动作用，所以虽然结构简单，安装方便，但不易向超高压发展。双柱水平旋转式隔离开关具有活动关节少，结构简单，操作力较小的优点，但当断开时，带电的导电活动也跟着旋转90°，增加了隔离开关的相间距离，从而加大了配电装置的间隔宽度。例如采用252kV双柱水平旋转式隔离开关的配电装置的间隔宽度为14m，而其它型式只需要13m。但是由于它操作时只有旋转绝缘支柱的简单动作，且仅有一个断开点，运行安全可靠，具有其它型式隔离开关无法比拟的优点。

图2 双柱式隔离开关图

1.3 三柱式隔离开关

三柱式隔离开关由三个垂直布置的绝缘支柱及其它部件组成的隔离开关。中间支柱的顶部安装水平导电臂，随着中间支柱的旋转而改变位置。两个边侧支柱固定不动，其顶部均安装静触头。合闸时，水平导电臂部分两端的静触头；分闸时中间支柱带动水平导电臂旋转60°。在两侧静触头之间分别形成空气间隙，其隔离作用是由两个串联空气间隙形成的。其结构示意如图3所示。三柱式隔离开关由于其支柱较多，加大了擦洗支柱绝缘子的工作量；中间支柱需要同时操作两个水平活动导电臂，其操作力较大。但它所要求的相间距离较小，故在220～330kV配电装置中应用较多。由于它的纵向尺寸较大，用作母线隔离开关时，需要增加母线相间距离，从而增加配电装置的占地，因此一般都将三柱式隔离开关用作出线或进线隔离开关。在500kV配电装置中，由于它的纵向尺寸太大，水平活动臂太长，操作时会产生抖动，故一般都不采用。

图3 三柱式隔离开关图

1.4 高压隔离开关触指压力的传统检测方法

（1）弹簧秤拉伸法。由于高压隔离开关的触指压力是由隔离开关的动、静触头之间接触而产生的。采用弹簧秤法是将弹簧秤的一端固定在隔离开关静触头端，其位置在隔离开关的动、静触头之间的接触点上，再用力拉伸弹簧秤直至隔离开关的动、静触头之间刚刚开始出现缝隙时，读取弹簧秤的读数即为隔离开关的触指压力。（2）人工经验法。人工经验法是一种最简单、最直接的用于检测高压隔离开关的触指压力的方法，依靠检修人员的经验，比如数加力手柄摇动的圈数或用双手拉动剪力式开关的两臂来估计接触压力的大小。（3）模拟隔离开关动触头法。模拟隔离开关动触头器件，将传感元件安装在模拟的隔离开关动触头上，在不通电的情况下将模拟动触头插入隔离开关动、静触头实际合闸位置，这样对隔离开关触指压力进行测量。

1.5 高压隔离开关触指压力检测的研究现状

在各类检修规程和标准中都有测量触指接触压力的规定，将弹簧秤作为推荐的测量工具，而在实际工作中，测量触指压力要在高空，用弹簧秤检测触指压力不但不方便、不准确也不安全，且有不少触头由于有外罩遮挡等原因而不能直接测量。模拟隔离开关动触头法都是在不通电的情况下将模拟动触头插入隔离开关动、静触头实际合闸位置，这样对隔离开关触指压力进行测量。这种测量方法必须要在断电的时候进行测量，而且测量的并不是真正的动触头合闸时所产生的触指压力，不能实现隔离开关触指压力的实时在线安全监测，不能及时的反映隔离开关触指压力的变化，不能精确的判断动触头合闸时的安全合闸位置。因此有必要对实现高压隔离开关触指压力的实时在线监测进行研究。

2 基于光栅传感器和无线传输的高压隔离开关触指压力在线监测系统

基于光栅传感器和无线传输的高压隔离开关触指压力在线监测系统可以实时监测隔离开关的触指压力，可以及时分析出现场隔离开关的运行情况，减少由于触指压力不足导致的接触不良进而引起触头发热的现象，可以减少停电次数，提高国家电网运行效率。

2.1 光纤光栅应变传感器介绍

光纤光栅应变传感器是以光纤为载体，在光纤的局部区域写入光栅，利用反射或透射布拉格光栅峰值波长移动的特性来实现对被测结构的应变值的绝对测量。光纤光栅传感器有很多优点，如体积小、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、无零漂、易于安装、复用性好、使用寿命长等特点。广泛应用在桥梁、堤坝的安全监测，油库、仓库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防护、电力等多个领域。

2.2 光纤光栅应变传感器工作原理

应用光纤光栅进行应变测量，主要通过获得在盈利作用下，光栅反射的中心波长的漂移而间接的得到。大量实验表明，在恒温条件下，光纤光栅均匀轴向应变引起波长移位的纵向应变灵敏度公式：

（1）

其中： （2）

为有效弹光常数；而：

（3）

为光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数。利用纯熔融石英的参数，p11=0.121，p12=0.270，υ=0.17，neff=1.456，可得光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数sε=0.784。如果取波长λ为1541.254则光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长移位为1.208pm/με.由（2）式知光栅的应变与波长的变化之间的关系式为： （4）

即通过光栅中心波长的变化，由（4）式求得结构的应变值。

2.3 系统结构组成介绍

高压开关触指压力在线监测系统主要有光纤光栅应变传感器，触指压力光纤解调和无线传输模块，触指压力监控装置构成。

2.3.1 光纤光栅应变传感器

当隔离开关动静触头接触时，光纤光栅应变传感器可以实时采集到应变量值，并通过光纤将数据传到光纤解调和无线传输部分。光纤光栅应变传感器现场安装时，用胶接方式将传感器固定在结构物表面，安装十分简单。同时此传感器精度高，稳定性好，在恶劣环境下性能优越，抗机械疲劳，能消除电回声探测和电火花危险，不受电磁干扰。

2.3.2 触指压力光纤解调和无线传输端

隔离开关触指压力是由隔离开关进行合闸操作后隔离开关动、静触头相挤压所产生的线接触压力。触指压力光纤解调器将光纤光栅应变传感器发来的数据进行分析处理，并将处理后的数据以无线ZigBee的方式传到触指压力监控装置端显示。光纤解调采用低功耗嵌入式处理器设计，性能稳定可靠，同步采样速率可在0～5HZ范围内设定。无线传输模块采用ARM核心处理器，双路ZigBee芯片，AC/DC模块，模具外壳加工时充分探讨磁铁的安装位置和电源出线方式，实现实时传输。

2.3.3 触指压力监控装置

一体化工业平板电脑，USB口转ZigBee通讯接口模块，USB口转GPRS通讯接口模块，通讯收发处理程序软件，一次主接线图和压力数值显示界面，故障处理专家系统软件。

2.4 主要技术指标介绍

（1）光纤光栅应变传感器技术指标表1所示。

表1 光纤光栅应变传感器技术指标

项目

参数值

量程（με）

300

精度（με）

0.5%F.S.

分辨率（με）

0.1%F.S.

光栅中心波长（nm）

1528～1563

反射率

≥80%

工作温度范围（℃）

-30～85

尺寸（mm）

25×6×1

尾纤

耐腐蚀PU披覆铠装，两端各1.5m，可定制

（2）触指压力光纤解调和无线传输端主要技术指标表2所示。

表2 触指压力光纤解调和无线传输端主要技术指标

项目

参数值

光通道数

1/4/8/16/24

每通道最大测点数

50，推荐测点数：25

同步采样频率

5HZ

波长测量范围

1525nm～1565nm （1510nm～1590nm可定制）

波长分辨率

0.1pm

波长精度

±1pm

应变测量精度

±2με

应变分辨率

0.1με（典型值）

无线传输距离

≥100m（无阻挡）

（3）触指压力监控装置主要技术指标表3所示。

表3 触指压力监控装置主要技术指标

项目

参数

外形尺寸

10.2寸

前面板尺寸

285mm*163mm

触摸屏

4线高精度电阻式，硬度>3H，单点100万次

内存

64MB SDRAM

功耗

12V，170～400mA

通信串口

2路RS232，1路RS485

电源管理

9V—28V外接电源

对比度

400：1

扩展选配功能

WIFI、GPS、GPRS、蓝牙、Watchdog

3 结语

隔离开关是电力系统中应用范围最广泛的高压开关设备。户外隔离开关容易受到环境气候条件影响。尤其是接触部分容易受雨水、灰尘及有害气体的侵袭产生接触不良而导致发热，弹簧会因发热而退化使压力降低，这样导致触点发热形成恶性循环最终烧坏而酿成事故。而人员在检修时往往对那些压力降低的弹簧无法判断与更换，这样在再次运行中，每个触指电流的分布会因压力不同而不同，差别越大电流分布越不均匀，长期运行后就会发生接触不良而过热。触指的发热会恶性循环，一个触指接触不好就会蔓延整个触头接触不良。光纤光栅应变传感器可以实时监测高压隔离开关触指压力，而且采集的应变数据灵敏度高，精度高。光纤光栅应变传感器采用表面粘贴工艺，经过多方的实验验证，光纤光栅应变传感器的测量结果是真实有效的。因此隔离开关触指压力在线监测系统在一定程度上降低了事故跳闸率，提高了电网运行效率，保障了电力系统的安全运行。

参考文献：

[1] 蒋平，李晶.高压隔离开关触指压力的测试[J].四川电力技术，2009（6）：26-28.

[2] 崔景春，袁大陆，宋杲.高压隔离开关运行分析及其完善化[J].电器工业，2007（2）：51-56.

[3] 邵旺海，刘爱华，王思润.大电流隔离开关不同相距对温升影响的探讨与应用[J].电气制造，2008（8）：54-55.

[4] 郑焕成.GW4型户外高压隔离开关缺陷分析及预防措施[J].电气时代，2008（8）：92-95.

[5] 包红旗，郗晓光.HGIS组合电器的技术特点[J].天津电力技术，2006（2）：40-42.

[6] 顾英资，陈朝辉，许常红，罗志勇.液体静力称量法液体密度测量及其不确定度评定[J].计量技术，2006（6）：8-11.

[7] 李家猛，金施群，刘晨.埋入式光纤温度传感器的研究[J].舰船电子工程，2008（1）：125-127.