第1章 绪 论
对电力设备进行在线监测是实现设备状态维修的前提，是保证设备安全可靠运行的关键，也是对传统的离线预防性试验的重大补充和新的发展在变、配电系统（该系统电力元件主要包括：变压器、高压断路器、互感器、输电线等）中高压断路器所导致的非计划停电和事故，无论是次数还。[1] 是造成的停电时间，都占据总量60％以上 。高压断路器在线监测为实现[2~4]] 由计划检修到状态检修 的转变创造了条件。长期以来的计划检修，盲目解体拆卸，浪费了大量的人力物力和财力，同时也造成了停电损失，甚至会导致设备寿命的降低。目前，电力系统各运行单位正致力于高压断路器由计划检修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数作为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修依据。电力设备的检修要实现这种转变，在线监测势在必行。
高压断路器在线监测技术将为GIS （GAS INSULATED METAL ENCLOSED SWITHGEAR）“气体绝缘金属封闭开关”的应用提供有力的技术支持。GIS的广泛应用又推动了在线监测技术的迅速发展。
另外，高压断路器在线监测技术的发展，将推动智能化高压断路器的进程，将来，智能化高压断路器将是一个发展趋势。 综上所述，该课题的目的和意义在于：
(1) 为高压断路器由计划检修到状态检修创造条件，最大化地节省不必要的检修开支和停电时间，提高供、电配电可靠性。
(2) 为GIS 的广泛应用奠定基础，为智能化高压断路器做前导工作。
1.1 电力设备在线监测
1.1.1 电力设备在线监测技术发展史
早在1951 年，美国西屋公司的约翰逊（John S.Johnson）针对运行中的发电机因槽放电[5]导致电机损坏现象，提出并研究了在电机运行条件下对槽放电现象进行监视。限于当时的技术条件，无法抑制来自线路的干扰，最后只得将电机从线路上断开，即在离线条件下进行检测，但这种在线监测基本思想则一直沿用至今。60年代美国率先开发在线监测技术，成立了庞大的研究机构，每年召开1－2 次学术交流会议。70年代加拿大、日本、前苏联等国家的在线监测技术开始起步，并得到迅速发展。其中加拿大于1975年研制成功油中气体分析的在线监测装置；日本于70年代末研制成功油中氢气的监测装置、80 年代研制了变压器局部放电的监测装置；前苏联的在线监测技术也发展较快，特别是电容性设备绝缘监测和局部放电的在线监测方面，有较强的技术实力。
我国在线监测技术起始于80 年代，在短短的二十年里得到了迅速发展。各单位相继研制了不同类型的监测装置。主要有：各省电力部门研制的电容性设备监测装置（主要监测介质损耗、电容值、三相不平衡电流）；电力系统的一些研究所除电容性设备的监测外还研制了各种类型的局部放电监测系统。清华大学、西安交通大学等高校则开始了绝缘诊断技术的研究。1985 年以后，国家先后将一些诸如：“电力设备运行中局部放电数字化监测装置和相应的微机系统”、“大型气轮发电机故障在线监测系统”项目列入“七五”和“八五”攻关项目。随后，机械部、电力部也先后将诸如“大电机绝缘在线监测技术的研究”、“在线局部放电抗干扰”列入重大科技项目，标志着我国的电力设备在线监测技术进入全速发展阶段。总之，随着计算机技术、信号处理、人工智能和测试技术的日趋完善，在短短的几十年时间里
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在线监测技术在世界范围内得到了长足发展和广泛应用。
1.1.2 电力设备在线监测技术展望
从以上国内外发展情况的总体来看：多数监测系统的功能比较单一，例如：仅对一种设备或多种设备的同类参数进行监测；没有很好的将诊断技术和监测技术结合起来；分析诊断也仅限于超标报警，具体详细的分析诊断基本上由试验人员完成。故此今后在线监测技术的发展趋势应是：
（1）多功能多参数的综合监测和诊断，即同时可进行多个状态的监测。 （2）对变电站的整个电气设备进行集中监视和诊断。 （3）提高监视系统的可靠性和灵敏度。
（4）在不断积累监测数据和诊断经验的基础上发展人工智能技术，建立人工神经网和专家系统，逐步实现诊断自动化。
1.1.3 在线监测系统的基本要求
随着在线监测技术的发展，对在线监测系统的要求也越来越规范。一般情况下，对于在线监测系统的要求如下：
（1）系统的投入和使用不应改变和影响电气设备的正常运行。 （2）系统应能自动地连续地进行监测、数据处理和存储。 （3）系统应具有自检和报警功能。
（4）系统应具有较好地抗干扰能力和合理的监测灵敏度。
（5）监测结果应具有较好的可靠性和重复性以及合理的准确度。 （6）系统应具有在线标定其监测灵敏度的功能。 （7）系统应具有故障诊断能力。
1.2 高压断路器在线监测
1.2.1 高压断路器在线监测技术发展史
与变压器、发电机、电容性设备相比，高压断路器在线监测技术起步较晚。从某种意义上讲“GIS 技术”和“状态维修”概念促进了高压断路器在线监测技术的发展。在电力系统中由于高压断路器的造价与变压器、发电机等电力元件相比较为便宜，且其故障时所造成的危害不如电容性设备严重，因此虽然在变电和配电系统中，它所造成的非计划停电和事故无论从时间和数量上都远远高于其它电力元件，但直到90年代以后高压断路器在线监测技术才逐渐发展起来。这主要是因为现在的电力系统事故已经不再单纯的以其对电力系统的危害来衡量它造成的经济损失。如果按我国权威部门指出的非计划停电所造成的直接损失、间接损失、社会损失的比例为1：4：6来估计损失的话，设备费用反而只占很小一部分。从这种意义上讲，加强对诸如高压断路器等高事故电力元件的在线监测是减少损失的最佳途径。随着供电电压的不断提高，高压断路器对介质有了特殊要求，油、真空、SF6高压断路器的出现使得高压断路器的现场维修较为困难，“状态维修”的概念就是在这种情况下产生的。目前，国家依然推行的是计划性预防检修。由于检修技术水平和现产场条件等原因，解体拆装有时甚至对正常高压断路器造成损害，同时也降低了其利用率和可靠性。随后有人提出状态维修的概念，用状态维修替代计划性维修。状态维修克服了计划检修的盲目性，同时也最大化的节省了维护费用。状态维修的前提是对高压断路器的状态预知，高压断路器在线监测技术为状态检修提供状态预知的技术支持，状态检修的广泛应用也推动在线监测技术的发展。GIS技术是本世纪60年代中期才出现的一种新型电器装置。GIS具有占地面积小、维
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护工作量少、故障率低、不受环境条件影响以及运行性能可靠等优点，已经得到国内外电力部门的公认，目前已成为高压配电装置的一个发展方向（我国第一套110KV的GIS 于1971年研制成功，1973年投入运行）。GIS技术的应用，使得其核心电力元件――高压断路器的检修更加困难，所以必须对其中的高压断路器进行在线监测才能做到“应修必修”和维修量最小、维修费用最低。GIS 技术的广泛应用成了高压断路器在线监测技术发展的另一股推动力。
90年代美国、日本开始研究断路器的在线监测，美国学者率先给出断路器寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电寿命”的概念，“全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是同期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，都先后生产了自己的高压断路器在线监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行监测的问题，检测结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。1992年吉林电业局曾立项“断路器机械性的监测”和“GIS 局部放电特高频在线监测”，1995年清华大学高压教研室研制了CBA-1 高压断路器参数测量分析系统，该系统可以监测合、分闸电流、行程曲线及振动信号。综上所述，断路器在线监测技术发展起步较晚，“GIS技术”和“状态维修”概念促进了高压断路器在线监测技术的发展。短短的十几年时间里 断路器在线监测技术得到了较快的发展。
1.2.2 国内外高压断路器在线监测技术现状
目前，高压断路器在线监测技术已经进入一个新的发展阶段，一些新理论、新技术、新检测手段正在被开发、运用。国内外在断路器在线监测项目方面正在做或已经做的工作主要有以下几个方面：
（1）记录分合闸操作的行程、时间特性曲线，提取机械运动参数，并借之判断机械故障。 （2）高压断路器的机械振动信号包含丰富的信息，受到国内外普遍重视。
（3）合、分闸线圈回路线路完整性监测。
（4）测量静态电阻和动态电阻以检测触头的烧损情况。 （5）SF6压力检测。 （6）绝缘监测。
（7）人工智能与计算机结合的专家系统。
显然，检测手段一直是在线监测技术的核心工作，目前、国内外都在致力于检测手段的开发和研究。以局部放电为例：国外最新技术IMS （ION MOBILITYSPECTROMETER）“离子迁移频谱仪 ”， [6～9] 已经在巴西投入试运行，它能对局部放电进行较为精确的检测。相同领域，国内正在发展一种超高频法，旨在对局部放电进行定位和监测，目前尚未投入实际应用。其它检测项目方面的情况类似。另外，在参量检测结果的准确性、稳定性以及诊断结果的有效性等方面还有待于进一步提高，部分项目的监测仍无法实现或无应用前景。
1.3 论文主要工作及取得的成果
在该论文中，我们主要完成以下工作：
（1） 通过对机械特性参数的在线监测来判断断路器的工作状态。
（2） 基于断路器厂家提供的断路器额定短路电流开断次数，计算每次分闸对应的触头电寿命损耗，并用此法来预测触头电寿命。
（3） 用断路器壳体温度、环境温度和负荷电流来间接反映主触头温度和主触头的导电状况的方法，并给出了诸参量之间的关系表达式，给出主触头回路电阻的计算公式。 （4） 在线监测系统的实现上，我们选用了美国TI公司最新推出的一种功能强大的单片机MSP430[10，11]。在系统设计时充分考虑到由于该单片机的低供电电压（1.8--3.6V）给
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设计带来的特殊问题。以该单片机为核心，构造硬件电路对断路器的各参量进行采集、处理和运算实现上述各功能，并用汇编语言实现之。
（5） 在通讯模块设计中根据RS-485 通信芯片MAX1480B[12，13]的特殊结 构，解决了不同工作电压的芯片MAX1480与MSP430 的接口问题，并给出了 MAX1480与MSP430直接联接的接线方案。
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第2章 在线监测方案设计
2.1 机械特性在线监测
高压断路器依靠其机械部件的正确动作来完成其职能，因而每个组成部件的机械牢固性极为重要。国际大电网会议对高压断路器可靠性所做的两次世界范围的调查和我国电力科学院对高压开关事故的统计分析均表明，高压断路器故障80%是机械的原因[14]。且大多数故障是操作机构的问题，如拒分、拒合或不能开断。随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，停电事故给生产、生活带来的影响及损失也越来越大，保证电力设备的安全运行越来越重要。因此，对高压断路器实施状态诊断或实时在线监测，及时了解其运行状况，掌握其运行特性及变化趋势，对提高电力系统运行可靠性极为重要。
2.1.1 机械特性在线监测的必要性
高压断路器在安装投入或检修后，为保证其安全运行，按规程要求必须进行机械参数测试。其参数包括：分、合闸时间、分、合闸同期性、开距、超程、刚分、合速度、平均速度和最大速度等。
在早期的传统的测试方法中，检修试验人员使用电秒表、同步灯、光线示波器、电磁振荡器和转鼓测速仪等进行测试。这些设备运输困难，而且这些方法不但占用现场面积大，测试时接线复杂，读取记录的数据要进行人工处理和计算，而且测量的误差大，检修工作的时间长。
80年代末90年代初，通过模拟数字电路技术的运用，先后研制投产了集箱式断路器机械特性测试仪。这类仪器综合了上述部分仪表的测量功能，简化了试验接线和操作，且有携带方便等优点；但它仍然采用传统的技术和试验方法，由可控硅直流电源测速器控制电路、门控电路及计时显示电路和同期灯等几部分组成，存在自动化程度低、测量误差大和功能不 强等缺点。随着微电子技术的发展及微机技术在国内外的广泛应用，90年代开始出现微机型高压开关机械特性测试仪。国外在这方面的研究较早，目前已有功能齐全、抗干扰性能高的成熟产品，如美国DOBLE公司开发研制的TR-3000 型数字式断路器试验系统。国内先是出现了以Ｚ-80 单板机作微处理器的产品，继而出现了以MCS-51系列单片机作微处理器的产品，现在也有采用MCS-96系列单片机作微处理器。以Ｚ-80单板机作微处理器的微机系统测速误差大、导电杆总行程和导电杆超行程测量精度低、达不到对速度、行程、超行程的测量精度，随着MCS-51系列单片机的出现而逐渐被淘汰。90 年代中出现的以8031 单片机作微处理器，以各种传感器作为行程传感器的高压开关特性测量仪测量精度较以前有较
大提高，时间误差不大于0.1ms，行程误差不大于1mm，速度误差不大于0.01m/s，但是接 线和操作仍较复杂 。在使用前检修试验人员必须仔细阅读使用说明，但即使这样，往往在变电站现场中还是出现因检修试验人员接线或使用不当而导致测量出错或仪器损坏的情况，因此仍需进一步改进。目前，国内一些单位和厂家仍在改进该类产品，以期能用于各种断路器，以及进一步提高测量精度、系统稳定性和抗干扰性等，并进一步改进操作。 上述对高压断路器机械性能的检测，主要是在设备交接及停电期间，结合检修而进行的定期预防性试验，根据检测结果进行部件更换或者检修等工作。这种离线检修方式是按检修计划来的，无论设备状况如何都实施定期检修，致使有些设备带病运行却得不到及时维修，而有些设备使用率较低则得到不必要的维修。因此，为了更好的了解断路器的工作状况，对 断路器的机械特性参数进行在线监测是一种很好的途径。
2.1.2 机械特性参数的标定
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