基于电磁感应原理的隔离开关分合到位判断方法

侯永全，马立方，方涛，吴波，梅霜，王晶晶，孙安冉，夏晨阳

(1.国网江苏省电力有限公司沛县供电分公司，江苏 徐州 221600；
2.中国矿业大学 电气工程学院，江苏 徐州 221116)

隔离开关作为电力系统的重要组成部分，其可靠工作对电力系统的稳定运行具有重要意义[1]。尤其是对于敞开式设备，机械结构直接暴露在空气当中，其具有操作次数有限，轴销、轴承等机械部件润滑和相对运动较少的特点，使得传动机构锈蚀，操作过程卡顿，可能出现开关拒合、拒分及传动机构断裂等现象，甚至造成瓷瓶断裂，导致设备故障跳闸[2-3]；
因此，研究隔离开关分合到位判断方法具有重要的理论意义与实际工程应用价值。

为融合先进感知技术，探索主网智能运维模式，目前一些变电站逐步开展开关位置“双确认”技术的研究和试点应用[4-5]。所谓开关位置“双确认”是指无法直接看到隔离开关实际位置时，通过间接方法中至少2个非同样原理或非同源的指示发生对应变化，来判断隔离开关分合是否到位[6-7]。实际工程实践中一般将辅助接点动作信息作为第一判据，再选择电压、电流、位置等检测量作为第二判据辅助判别[8-10]，实现隔离开关位置“双确认”；
因此，研究隔离开关位置辅助判断方法对于隔离开关位置“双确认”系统至关重要。

现有的隔离开关位置辅助判断方法主要分为微动开关辅助判断技术[5]、传感器辅助判断技术[6-9]以及图像处理技术[10-12]3类。第一类微动开关辅助判断技术借助微动开关，利用机械传动原理，无需单独对其供电，仅仅依靠机械式接点反映隔离开关行程状态，并且可以直接接入变电站监控系统，成本较低且维护简单，目前被广泛应用[11]。第二类传感器辅助判断技术指借助传感器采集隔离开关系统特征物理量，通过对被采物理量进一步处理，建立相应的隔离开关状态判断体系，可以实现隔离开关分合位置的准确判断。文献[12]利用霍尔传感器，将现场的分合位置指示、机械连杆位置转变成状态信号，将状态信息传输至主控室，可实现隔离开关位置的判断；
文献[13]选用高精度激光传感器，通过传感器传回的距离信息，判断隔离开关是否分合到位；
文献[14]基于MPU9250姿态传感器设计一套隔离开关状态监测系统，提出了一种隔离开关状态判定算法，可实现隔离开关的分合状态判断；
文献[15]利用红外漫反射光电开关直接监测隔离开关位置，并联合电感式接近开关间接监测隔离开关位置，可实现隔离开关位置的判断。第三类图像处理技术指先通过在隔离开关本体周围设置固定摄像机，或者利用现代化智能巡检机器人及无人机等设备获取隔离开关本体图像信息，将图像信息进行初步处理后传回终端设备，根据智能图像处理算法，建立隔离开关姿态识别模型，之后使用姿态识别模型处理传回图像的信息要素，实现隔离开关姿态的识别[16]。文献[17]以单臂水平伸缩式隔离开关为例，通过激光雷达获取开关导电臂点云数据，进一步处理数据后提出一种基于导电臂方向向量夹角的隔离开关合闸状态检测方法，可实现隔离开关合闸状态的自动检测；
文献[18]将三维隔离开关图像转换为彩色点云数据，提取场景特征，采用图像处理算法建立姿态估计模型，采用霍夫投票算法过滤对应集中的匹配误差，测算隔离开关的三维姿态信息，可实现隔离开关姿态的识别；
文献[19]在结合决策树算法和广义霍夫变换实现隔离开关定位的基础上，进一步采用随机森林算法以及粒子群算法提升识别的准确率。

纵观现有的3类隔离开关分合状态判断方法，目前都存在一定的不足，如：第一类方法仅能反映隔离开关是否完成分合，难以实现隔离开关分合过程中的姿态感知，不利于后续的故障诊断及维护；
第二类方法使用的不同类型传感器则受到不同的制约(如激光传感器易受环境光线影响且单束激光容易出现遮挡问题，红外传感器成像质量易受环境温度影响等)，并且传感器安装位置不便供电，大多存在难以长期供电的问题，需要定期更换电池等供电设备，增加后期维护成本；
第三类方法则受限于目前图像处理算法尚不够成熟，姿态识别成功率存在一定误差，并且相较于其他方法而言成本较高，该技术还存在较大的提升空间。

针对现有隔离开关分合状态判断技术的不足，本研究基于电磁感应原理，提出一种隔离开关分合到位判断方法。该方法通过在动触头侧安装无源接收线圈及电压感知元件，在静触头侧安装磁能发射线圈及控制装置，基于磁耦合谐振式无线电能传输原理，通过辨识隔离开关分合运动带来发射、接收线圈互感变化引起的感应电压变化，实现隔离开关位置判别。本研究所提出的隔离开关位置判断方法可作为辅助接点的非同源指示，与辅助接点判断装置构成“双确认”系统，实现隔离开关位置可靠判别。

1.1 系统构成

基于电磁感应原理的隔离开关位置判断系统及其安装示意图如图1所示，图中MCU为微控制单元(microcontroller unit)。

图1 隔离开关位置判断系统及其安装示意图

如图1(a)所示，所提系统结构包括电能传输部分、信号处理及传输部分。电能传输部分包括工频交流电源、整流逆变电路、原边(发射端)谐振补偿电路、能量发射线圈、能量接收线圈、副边(接收端)谐振补偿电路。工频电源经整流电路转化为直流电，经过高频逆变器后再转化为高频交流电，高频电流经过原边谐振补偿电路的作用，流经电能发射线圈产生高频磁场，通过发射线圈与接收线圈间的耦合作用，电能以无线的方式传输至副边，经过整流环节，高频交流电再次被转换为负载可用的直流电，为负载供电。信号处理及传输部分包括A/D采样模块、通信发射与接收模块、终端接收处理设备。

其安装示意图如图1(b)所示，工频电源、整流逆变电路、谐振补偿电路、能量发射线圈、信号接收与处理电路安装于隔离开关底座，能量接收线圈、副边谐振补偿电路、相关信号处理与传输网络安装在动触头连杆上。安装发射线圈与接收线圈时，需确保在隔离开关完全合闸时两线圈完全正对，以确保此时出现感应电压峰值。另外，本系统的功率等级与隔离开关承载的电压、电流等级差距较大，因此系统的安装不会对隔离开关的运行带来风险。

1.2 隔离开关位置辅助判别原理

根据1.1节对系统基本工作原理的介绍可知，所提方法主要关注隔离开关动作过程中动触头本体运动带来的发射线圈与接收线圈间互感变化所导致的感应电压变化，根据隔离开关位置与感应电压之间的映射关系以及感应电压大小，判断隔离开关当前位置，从而辨识隔离开关状态。其中A/D采样模块采集副边感应电压，利用通信模块将信息传回原边，原边处理器通过分析隔离开关动作过程中感应电压的变化，实现隔离开关状态的判断。

为分析隔离开关动作过程中感应电压变化，判断隔离开关当前状态，首先建立静触头侧发射线圈与动触头侧接收线圈的两线圈空间模型，如图2所示，图中P、S分别为发射、接收线圈的圆心，ip、is分别为发射、接收线圈内的电流，dlp为发射线圈切向长度lp的微元，dls为接触线圈切向长度ls的微元；
lps为2个线圈的轴向间距。

图2 两线圈空间模型

图2中发射、接收线圈半径r相同，平行放置，接收线圈随隔离开关运动位置不断改变，则根据聂以曼公式[20]可得任意空间位置下两线圈间的互感

(1)

式中：Np为发射线圈匝数；
Ns为接收线圈匝数；
μ0为真空磁导率；
rps为2个微元间的几何距离。从式(1)中可以看出，发射、接收线圈相对位置变化将导致M变化。

图 3为隔离开关不同位置时磁通密度仿真图，图3(a)、(b)、(c)分别为线圈正对、不完全偏移、完全偏移时磁通密度图像，分别对应隔离开关完全合闸、进入接触区域、未进入接触区域时3种情况。

图3 隔离开关不同位置时磁通密度仿真图

从图3中可以看出发射、接收线圈处于不同位置时磁通密度不同，并且当线圈正对(即隔离开关位于完全合闸状态)时达到最大；
因此，隔离开关的运动会使得发射线圈与接收线圈之间发生偏移，线圈间互感M随之发生变化，副边感应电压也发生变化。当隔离开关完全合闸时发射线圈与接收线圈正对，此时M最大，将出现感应电压峰值。

发射线圈与接收线圈之间依靠电磁耦合传能，因此当线圈之间出现金属部件时，金属部件中会出现涡流效应，带来一定的涡流损耗并使得金属部件发热，单位体积铁芯内的涡流损耗Pe的近似计算式为

(2)

式中：σ为铁芯材料的电导率；
f为电源频率；
d为叠片厚度；
Bm为磁感应强度幅值。

本系统中能量传输距离较远，且设计的接收线圈功率等级较低，因此发射、接收线圈间高频电磁场强度较小。从图3中亦可得出，当发射、接收线圈位置正对时磁场强度最大；
但即使在此时，由于功率等级的限制，本系统中电磁场涡流损耗影响有限。

由图1所示系统工作原理可知，隔离开关运动过程中感应电压发生变化，基于该变化的隔离开关状态判别原理如图4所示，图中Q为隔离开关的支点，l为隔离开关本体的动作距离，Us为感应电压。

图4 隔离开关位置辅助判断原理

由图4可知：当隔离开关处于分闸状态时，发射、接收线圈完全偏移，线圈间互感最小，此时接收线圈感应电压较低；
当隔离开关开始合闸动作时，随着隔离开关行程变化，线圈间互感随之变化，接收线圈感应电压亦随之变化，当隔离开关运动至l1(发射、接收线圈在空间平面上相切)处，隔离开关开始进入触点接触区域，感应电压达到阈值U1并继续增大，在此阶段隔离开关并未完全合闸；
隔离开关进一步运动，直至l2(发射、接收线圈在空间上正对)处，感应电压达到阈值U2，线圈完全正对，视为完成合闸。

根据上述情况制订隔离开关状态判别逻辑，动触头当前状态

(3)

系统通过检测隔离开关运动过程中发射、接收线圈互感变化引起的感应电压变化，判断隔离开关位置。隔离开关制作材料主要为金属材料，并且承载功率等级较高，对周围电子设备存在一定的电磁干扰；
因此，实际现场中电磁环境较为复杂，这些因素均可能成为影响隔离开关位置检测的干扰因素。在实际工作中可从电磁屏蔽的角度入手加入电磁屏蔽措施，降低周围电磁环境对于隔离开关位置检测系统的影响。

2.1 拓扑结构分析

图5 系统电路结构

LCC-S型无线电能传输系统满足参数条件：

(4)

式中ω为系统谐振频率。图6中逆变器输出电流、流过发射线圈的电流和负载电压计算如下。

图6 LCC-S型无线电能传输系统等效电路

逆变器输出电流

(5)

其中输入阻抗

(6)

从式(5)可以看出，逆变器输出电流主要分为2个部分：第1部分为固定量ILf1，与负载无关；
第2部分为浮动量ILf2，与系统当前负载及互感有关。

流过发射线圈的电流

(7)

由式(7)可以看出，式中不含M及副边电路相关参数，验证了LCC-S结构原边恒流输出的特性。

负载电压

(8)

由式(8)可以看出，负载电压与发射线圈电流、系统工作频率、互感大小有关，而当系统参数设计完成后，发射线圈电流与工作频率均为固定值，因此可以认为URL仅与M有关。

基于上述分析，感应电压仅与互感变化有关，且互感变化仅由隔离开关运动带来，因此感应电压与隔离开关位置间存在唯一映射关系，可以作为隔离开关是否合闸的判据。

2.2 系统参数设计

本系统中滤波电容、发射线圈电感和谐振电感等参数的设计如下。

本系统逆变器所需直流电源由工频电压经整流滤波得到，滤波电路采用带电容滤波的桥式整流电路，因此滤波电容C应满足

(9)

式中：T为交流电源周期；
R为整流环节后级等效负载。

纹波电流的大小将限制原边发射电感的大小，系统纹波电流

(10)

Irms=aIL,av.

(11)

式中：Ud为逆变器输入电压；
Up为逆变器输出电压；
fSW为开关频率；
a为纹波系数；
IL,av为电感电流平均值。可得电感

(12)

电感电流的纹波系数按照系统实际需求给定，一般为0.3～0.4，纹波系数越大，所需电感越小，根据式(12)计算发射线圈电感Lp。

逆变器输出电流如式(5)所示，当隔离开关完全合闸时M值最大，记为Mmax，因此逆变器最大输出电流

(13)

给定负载功率需求

P=URLIs.

(14)

联立式(5)、(7)、(8)、(14)建立方程组，求解可得谐振电感

(15)

将式(15)代入式(4)求解谐振电容Cf，

(16)

根据上述分析制订系统的参数设计流程，如图7所示。

图7 参数设计流程

需要注意的是，影响系统检测精度的因素主要有2个方面：一方面为耦合机构对发射、接收线圈间互感变化的敏感度，耦合机构对于互感变化的敏感度越高，在隔离开关动作过程中感应电压变化曲线斜率更大，有利于准确判断隔离开关当前开关状态；
另一方面为系统运行过程中电磁环境干扰，在电磁干扰下开关状态判断阈值电压(U1、U2)与实验室测得可能存在一定差异，因此在实际运行过程中需要根据实际现场环境进行二次校准。

3.1 实验平台介绍

为了验证本文所提出方法的有效性，搭建如图8所示的基于电磁感应原理的隔离开关分合到位判断装置。副边处理器及相关负载采用无线供电的方案，因此隔离开关完全合闸时感应电压幅值应同时满足负载供电需求，理论设计电压为4.5～5 V。

图8 实验装置

实验平台原边控制器采用TMS32028335数字信号处理器，整流环节采用不控型桥式整流，逆变器采用基于GaN平台的高频逆变器，副边处理器使用STC12C5A60S2系列单片机，该款单片机带有高速10位8路A/D采样功能，可以满足本系统的采样精度要求；
接收线圈整流电路采用安森美公司的NMLU1210TWG型整流模块，稳压芯片采用TI公司LM2623型DC/DC芯片，该款芯片可将0.8～14 V电平转换为5 V电压输出。蓝牙通信模块使用DL-20无线串口模块，该模块为串口转2.4 GHz无线模块，通信速率可满足实验要求。发射线圈与接收线圈均采用螺线管型线圈，且线圈内径均为30 cm，其中：发射线圈线径为2.88 mm，绕制匝数50匝；
接收线圈线径为1.08 mm，绕制匝数20匝。模拟隔离开关底座与隔离开关本体间距离为1.2 m，隔离开关本体可以实现90°旋转。

具体系统实验电路参数有：f=500 kHz，Lf1=26.59 μH，Cf1=3.81 nF，Cp=0.14 nF，Lp=744.54 μF，Ls=142.82 μF，Rs=1.31 Ω，Cs=7.505 nF。

3.2 系统实验验证

本系统逆变器直流电源由工频电源整流得到，经逆变器作用将直流电转换为频率为500 kHz交流电，经过谐振补偿电路的作用，系统工作于整体谐振状态。图9所示为原边逆变器输出电压up及电流ip的波形，电压输出为方波，但受限于实际元器件工作状态，电平并未呈现理想状态的平滑波头。由于系统工作于谐振状态，ip亦为同频的正弦波。

图9 逆变器输出电压及电流实验波形

当隔离开关固定在空间某一位置时，发射、接收线圈间互感固定，此时副边能量接收稳定。取隔离开关完全合闸位置，接收线圈交流侧能量接收情况如图10所示，从图中可以看出电压波形为方波，电流波形为同频的正弦波，与原边保持一致，且电压输出幅值可以满足负载供电需求。

图10 接收端交流侧感应电压及电流实验波形

当隔离开关处于完全合闸状态时，根据前文理论可知，发射线圈与接收线圈完全正对，两线圈间互感达到最大，因此感应电压也达到最大。图11所示为完全合闸状态时接收端直流侧感应电压Us,DC的波形，从图中可以看出此时感应电压经过整流电路以及稳压模块的作用，波形为稳定的直流电压且可以满足负载供电需求。

图11 接收端直流侧感应电压波形

隔离开关动作过程中，互感两线圈间互感随着隔离开关本体动作而变化，图12所示为开关动作过程中互感及整流后感应电压Us,DC变化，其中偏移量以隔离开关完全合闸状态线圈位置为基准，线圈沿隔离开关轴向偏移。

图12 隔离开关动作过程中两线圈间互感及感应电压变化曲线

从图12中可以看出，随着偏移量的增大，两线圈间互感随之减小，感应电压同时减小，且感应电压与互感之间变化趋势几乎相同，因此也验证了前文中隔离开关动作过程中两线圈互感与感应电压之间存在单一映射关系，可以作为隔离开关是否分合到位的判据的结论。根据前文所述基于电磁感应原理的隔离开关状态判别方法可知，当且仅当感应电压达到2.6 V时可判定隔离开关完全合闸，验证了所提方法的有效性。

由图12可知：当偏移量为0.3 m时，发射、接收线圈在空间位置上相切，此时感应电压为2.19 V，因此将U1设置为2.19 V；
当偏移量为0时，发射、接收线圈在空间位置上正对，感应电压为2.61 V，因此将U2设置为2.61 V。结合式(2)中所涉及的隔离开关判别逻辑，则隔离开关状态判别结果为：当感应电压小于2.19 V时，认为隔离开关处于未合闸状态；
当感应电压等于2.19 V时，认为隔离开关开始合闸；
当感应电压大于2.19 V但小于2.61 V时，认为隔离开关处于不充分合状态；
当感应电压等于2.61 V时，认为隔离开关处于完全合闸状态。

本研究首先总结了现有的隔离开关位置辅助确认技术，分析现有技术中存在的不足；
接着提出一种基于电磁感应原理的隔离开关分合状态判断方法，根据隔离开关运动过程中发射、接收互感变化引起的感应电压变化，实现隔离开关位置的判断，判断结果可作为辅助判据，该系统与隔离开关辅助接点信息系统一同形成非同源的隔离开关位置“双确认”系统；
然后给出参数设计流程及方法；
最后搭建实验样机，验证所提方法的有效性。

但本研究也存在一定的不足：目前只是在实验室中对基于电磁感应原理的隔离开关位置判断方法的可行性进行了初步验证，并未充分考虑实际工作现场中的复杂电磁环境。如何实现复杂电磁环境下更加可靠的隔离开关位置判断，将是下一阶段的研究重点。