IEM-611断路器机械特性在线监测装置

1.概述

1.1应用范围

IEM-611断路器机械特性在线监测装置（以下简称IEM-611装置）包含断路器机械特性在线监测系统和断路器电寿命分析及预测系统。

断路器机械特性在线监测系统适用于对断路器的分合闸位置指示、分合闸线圈电流波形、储能电动机电流波形、分合闸时间、分合闸速度、行程、动作次数等实时监测和运算处理。通过对这些监测参数的分析，判断断路器操作系统的电气与机械特性是否正常，为提前发现断路器操作系统的电气与机械异常，提供数据参考。

断路器电寿命分析及预测系统可实时在线监测断路器每一次操作造成的电寿命损耗，并通过累积算法实现断路器剩余电寿命分析和预测。

1.2 产品功能

IEM-611系统主要实现以下功能：

（1）模拟量采集功能：采集分闸电流、合闸电流、储能电机电流、分闸线圈电压、合闸线圈电压及断路器主触头行程等。

（2）数字量测量功能：测量及计算断路器动作时分闸时间、合闸时间，分闸速度、合闸速度等信息。

（3）开关量输入信号采集功能：装置具备6路开关量输入信号采集功能；

（4）状态指示功能：前面板指示灯指示断路器分闸、合闸、储能的状态；

（6）录波保存功能：装置自身可实现最大8组分、合闸电流曲线，储能电机电流曲线，分合闸电压曲线及机构行程曲线的保存及显示功能，根据动作曲线对比分析，通过关键参量发现异常并报警；

1.3产品特点 

强抗干扰能力

软硬件设计上充分考虑过程层相对恶劣的运行环境，采取独特的轻薄全封闭机箱，整体面板，强弱电严格分开，装置的抗干扰能力、抗震动能力大大提高，对外的电磁辐射也满足相关标准，完全满足户外安装需要，宽温的工作最大范围能达到-40℃～+70℃。 

强大的自检功能 

提供完善的硬件自检功能（包括定值、程序、电源、通讯等自检项目）。 

完善的功能配置 

提供强大的实时监测功能，除具备对断路器分闸电流、合闸电流、电压及触头行程等参数进行监控外，可完成分合闸电流-时间、行程-时间的谱图对比功能，同时进行后台实时显示，根据包络线机制判定动作参数的当前状态并进行异常报警等功能。针对一次侧分闸与合闸电流，通过累积计算实现剩余电寿命值分析和预测。

全面支持 IEC61850通讯标准 

装置适用于符合 IEC61850通讯标准的全智能变电站，实现各配套厂家的无缝联接，真正实现间隔层和过程层智能设备间的数据共享。

2.技术参数

2.1工作环境

温度范围：-25 ℃～+55 ℃

湿度范围：5％～95％； 

大气压力：80 kPa～110 kPa。 

海拔：不大于3000m

2.2主要技术参数 

2.3 基本信息

1)额定电压 ：

供电方式：AC110/220V；

允许偏差：-10%～+10%

2)开关状态量 ：

开入数量：6路无源节点输入

开关状态输入电压：DC24V； 

分辨率：≤1ms。 

3)功耗 

整台监测装置功耗：不大于20W。 

4)通讯接口： 

以太网接口或RS485; 

2.4绝缘性能 

1）绝缘电阻 

装置所有电路与外壳之间的绝缘电阻在标准试验条件下，不小于100 MΩ。 

2）介质强度 

智能装置的导电部分对外壳或外露的非导电金属之间，以及电气上无联系的各带电的导电电路之间，能耐受交流50 Hz，电压2 kV（有效值），历时 1 min试验，而无绝缘击穿或闪络现象。 

3）冲击电压 

智能装置的导电部分对外壳或外露的非导电金属之间，以及电气上无联系的各带电的导电电路之间，在规定的试验条件下，能耐受幅值为 5 kV的冲击电压波形为标准雷电波的短时冲击检验。 

4）耐湿热性能 

能承受 “GB 2424.3 电工电子产品环境试验 第 2 部分：试验方法 试验 Cab：恒定湿热试验” 标准中规定的湿热试验。试验温度为＋40℃±2℃，相对湿度为（93±3）％，试验持续时间为 48h。在试验结束前 2h内，测量各导电回路对外露非带电导电部位及外壳之间，电气上无联系的各回路之间的绝缘电阻，其绝缘电阻不应小于1MΩ；介质强度不低于2.4-（2）中规定的介质强度试验电压值的75％。 

2.5电磁兼容 

装置的电磁兼容性能如表1所示：

表1 电磁兼容性能

2.6机械性能 

1)振动：智能装置能承受GB/T 11287 规定的严酷等级为 1级的振动试验。 

2)冲击：智能装置能承受 GB/T 14573 规定的严酷等级为 1级的冲击试验。 

3)碰撞：智能装置能承受GB/T 14573 规定的严酷等级为 1级的碰撞试验。

3.系统功能

3.1 分、合闸状态指示

断路器机械特性在线监测系统通过采集分合闸位置确定断路器分合闸状态。采用DC24V供电，24VGND接公共端，+24V接各个遥信。

3.2 分合闸线圈电流电压监测

断路器机械特性在线监测系统采用对信号反应非常迅速的霍尔电流、电压传感器分别采集断路器分、合闸线圈电流、电压，霍尔传感器体积小、电气性能好，不会对真空断路器主系统的正常运行造成影响。此外，系统还具有采集精度高、线性度动态特性好等优点，这对于保证整个装置的测量稳定性及测量精度都十分有利。

3.3 储能电机参数

断路器机械特性在线监测系统通过监测储能电机工作电流和每次储能时间的记录，可以反映弹簧储能不到位等来预告储能系统弹簧机构状态异常等故障；据此可以提供大修前依据。

3.4 断路器主触头行程监测

断路器主触头行程-时间特性是表征断路器机械特性的重要参数, 据此可计算以下参数：主触头行程，超行程，刚分后及刚分前10ms内平均速度，最大速度等，还可以提取动触头运动过程中各个事件发生的时刻，根据事件时间来诊断故障，这种方法可以初步判断断路器机械部分可能潜在的磨损、疲劳老化、变形、生锈等故障，提醒用户后续需持续关注该断路器，必要时进行检修。

断路器机械特性在线监测系统采用光电编码器对行程进行监测，将旋转光电编码器安装在断路器操动机构的输出轴上，测量合分闸操作时主触头的运动波形。

3.5断路器动作谱图分析及故障诊断

断路器机械特性在线监测系统具备行程-时间、分合闸电流-时间曲线的采集及分析功能，可在运行阶段依靠包络线技术，实现谱图的动态对比分析，从而及时发现断路器的动作异常情况，确保其可靠运行。下图为行程-时间曲线的包络线分析，其中上下两条白色曲线为包络线，玫红色曲线为动作的标准曲线，当断路器分合闸动作异常时，曲线将发生变化，超出包络线范围时提醒用户需要关注。

图3.1 包络线展示

除此以外，断路器机械特性在线监测系统还具备所有曲线的分析展示功能，能够将分合闸电流-时间曲线、储能电机电流-时间曲线、行程-时间曲线等进行平铺和重叠展示，方便用户直观查看当前断路器的机械特性情况，手动分析排查是否存在设备异常。下图为平铺和重叠展示：

图3.2 机械特性曲线平铺展示

图3.3 机械特性曲线重叠展示

3.6断路器电寿命分析及预测

断路器电寿命分析及预测系统采用不同开断电流下的等效烧损曲线，将每次大小不等的电流开断时所对应的相对烧损进行累计，每台开关允许的电烧损总量由额定短路开断电流和其允许开断的次数来标定。计算准确，实时判断断路器是否处于正常运行状态，必要时给出检修建议，防患于未然。

3.7参数越限报警

装置具备断路器机械特性参数越限报警功能。当合闸速度、分闸速度、合闸电流、分闸电流、储能电流、储能时间低于下限定值时，对应参量报越下限报警，当高于上限定值时，对应参量报越上限报警。通过定值“参量越限控制字”投退对应告警功能。

4. 系统硬件组成

4.1装置硬件结构 

IEM-611系统的监测装置采用钣金机箱结构，内部硬件采用模块化结构设计，由CPU板、开入及采集板等部分组成。

（1）交直流电量采集8路，包含分闸电流、合闸电流、储能电流、副分电流、A相主回路电流、B相主回路电流、C相主回路电流、分合闸电源电压（DC220V）。

（2）开入6路(DC24V)，包含合闸位置、合闸位置、储能位置、3路备用，另有红色地址拨码开入4个，区别装置地址。

（3）装置能采集1路增量式编码器信号，采用光电编码器对行程进行监测，预留编码采集A、B，并提供DC24V端子接口给编码器供电。

（4）装置具备一路RS485接口，一路以太网接口。

（5）装置电源：AC 220V±10%，频率：50Hz，允许偏差-2Hz至+2Hz。

4.1.1  外观及机箱设计

机箱尺寸：232mm*119mm*64mm，抗干扰、抗震动；

机箱材料：钣金，表面喷涂7035漆。

4.1.2  安装方式：机架式安装；

装置机箱外形图如图4.1所示

图4.1 装置机箱图

图4.2 装置机箱端子定义图

4.2 行程传感器：

IEM-611系统的监测装置采用光电编码器采集断路器行程特性，传感器通过采集与开关动作触头连动拐臂的转动角度间接测量触头运动行程的变化，从而给IEM-611系统提供连续变化的信号进而计算出运动速度及运动时间参数，传感器外形图、尺寸图及安装图分别如图4.3。

图4.3、行程传感器外形图

图4.4、行程传感器尺寸图

（1）传感器特点

a.工作温度范围：-20℃～+80℃

b.高防护等级：IP65

c.轴负载能力：径向50N,轴向30N

d.分辨率可达5000PPR

e.启动力矩≤0.2Ncm

(2)传感器端子配置如下表

5. 装置参数清单

5.1定值参数清单 

IEM-611系统的监测装置采用钣金机箱结构，内部硬件采用模块化结构设计，由CPU板、开入及采集板等部分组成。

注：第30定值为参量越限控制字，控制机械特性参量越限的投退，从低到高位投退控制顺序见下表，例如设置定值为0000 0000 0000 0101（即十进制5），则只投入剩余寿命低报警和分闸速度越下限报警。

5.2系统参数清单

注：装置地址根据拨码地址确定，此第二个系统参数（即地址）仅作无拨码时的备用。

5.4校准系数清单 

注：调试使用前，需要点击维护工具->点击操作->点击调试模式，装置进入调试模式，30s后查看遥测值A相主电流、B相主电流、C相主电流、分闸电流、合闸电流、储能电流、副分闸电流、操作电压。此时记录8个遥测值，分别修改到校正系数通道1-8。修改成功后，关机重启或者等待20分钟后，装置自动退出调试模式。

  通道10-通道17分别为这8个遥测值的校准系数，默认1000为不校准。通道9和通道18不需要设置。

附录一 MODBUS转发点表

附录二 定值参数列表

附录三 事件SOE