斷路器彈簧操動機構(gòu)在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

米杰 陳以

【摘要】斷路器的彈簧操動機構(gòu)故障是斷路器主要故障之一，對其進行在線監(jiān)測，可提高斷路器工作的可靠性。敘述了彈簧操動機構(gòu)常見故障，提出了以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的電路設計方案，并進行了故障診斷分析。

【關(guān)鍵詞】配電線路；斷路器；在線監(jiān)測；電流信號

引言

斷路器在電力系統(tǒng)中是重要的控制和保護設備，是高壓電器中最重要的一類電器[1]。斷路器性能關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運行，斷路器本身價格不算高，但其本身故障造成的損失已遠遠超過斷路器本身的價格，比如造成其它設備的損壞和電力系統(tǒng)的停電，因而需要對斷路器作定期檢修以保證其可靠性。隨著經(jīng)濟發(fā)展，斷路器數(shù)量在逐年增加，定期檢修的工作量大、費用高等弊端已顯現(xiàn)出來，因此狀態(tài)監(jiān)測便應運而生。狀態(tài)監(jiān)測可及時了解斷路器的工作狀態(tài)、故障部位，使檢修人員能有針對性地對斷路器進行檢修。

1.彈簧操動機構(gòu)常見故障

a） 合分閘控制回路斷線。航插松動、控制電纜頭與航插斷開、斷路器接線端子松動、斷路器行程開關(guān)輔助節(jié)點異常等原因造成斷路器無法遙控；

b） 合跳閘線圈燒壞。合分閘機構(gòu)卡澀、斷路器行程開關(guān)輔助節(jié)點異常等原因造成合跳閘線圈燒壞，斷路器無法遙控；

c） 彈操機構(gòu)未儲能。儲能機構(gòu)卡澀、輔助節(jié)點異常等原因造成儲能彈簧無法拉緊，斷路器不能合閘。

本文提出了一種針對以上三種故障的在線監(jiān)測設計思路，在不引起斷路器的成本增加、不降低斷路器可靠性的前提下，能及時監(jiān)測到故障發(fā)生。

2.在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件框圖

如圖1所示，通過傳感器采集電流信號，經(jīng)“信號處理電路”模塊處理后，由DSP（數(shù)字信號處理器）芯片自帶的AD（數(shù)字信號模擬信號）轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，“回路斷線監(jiān)測電路”的信號傳入DSP，DSP根據(jù)采集到的各種信號，判斷所監(jiān)測設備是否正常。圖1中，ADC即模擬信號數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，IO是數(shù)字信號輸入輸出接口，JTAG是仿真器接口，用來給DSP（數(shù)字信號處理器）錄入程序。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖

2.2 采集電流傳感器

傳感器采用錳銅分流器，分流器是一個可通過大電流的精確電阻，當電流流過分流器時，在它兩端就會出現(xiàn)一個毫伏級電壓，于是通過測量這個電壓，再將這個電壓換算成電流，就完成了大電流的測量。

2.3 信號處理電路

電流經(jīng)錳銅分流器后，需采集的差模電壓信號僅是毫伏級，較大的共模電壓對測量無用。因此，應采用運算放大器來放大兩輸入端信號的差模信號，抑制共模信號。實現(xiàn)方法有兩種：a） 由3個運算放大器組成的三運放儀表放大電路；b） 采用專用的集成芯片。

組合的三運放儀表放大器如圖2所示，U1、U2、U3為放大器；R、R1、R2、Rf分別為電阻，不同的符號，代表電阻值大小不同，作用都是讓各個結(jié)點的電壓不同，Ω；UI1為放大器U1的輸入電壓，V；UI2為放大器U2輸入電壓，V；UO1、UO2、UO分別為U1、U2、U3的輸出電壓，V。

圖2 三運放儀表放大器電路

根據(jù)運算電路的基本算法分析：

雖然三運放儀表放大器的結(jié)構(gòu)并不復雜，但輸入阻抗、共模抑制比等特性受匹配電阻影響很大。而采用專用的集成芯片則無需考慮這些問題，僅需1個電阻或引腳來配置增益即可。

本文信號處理電路采用集成芯片INA826儀表放大器，其引腳配置如圖3所示，REF（參考電壓）引腳通常接地，+VS與-VS為電源引腳，+IN與-IN為信號輸入引腳，放大器的倍數(shù)通過電阻RG來控制。

圖3 信號處理電路

放大倍數(shù)公式為： ，（3）

式（3）中，G為放大倍數(shù)；RG為控制放大倍數(shù)的電阻，Ω。

經(jīng)過放大后的電壓從VOUT（電壓輸出端）輸出傳給DSP的模擬信號輸入通道，由DSP內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后進行數(shù)據(jù)處理。

2.4 分合閘斷線監(jiān)測電路

分合閘回路的電壓高于DSP所能承受的電壓，所以需要光耦元件隔離。光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了"電-光-電"轉(zhuǎn)換[2]。由于它具有體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛應用[3]。電路圖如圖4所示，R為控制DSP端電壓的電阻，Ω；C為電容，F(xiàn)。

圖4 分合閘斷線監(jiān)測電路

3.故障診斷分析

3.1 分合閘回路斷線故障診斷分析

合閘控制回路斷線監(jiān)測的原理圖如圖5所示。U為合閘控制回路電壓，GND為合閘控制回路地線，HC為合閘線圈，DL為輔助接點，YH為合閘開關(guān)，當斷路器在分閘狀態(tài)時，DL為閉合狀態(tài)。當合閘開關(guān)閉合時，如果整個控制回路正常，則HC得電，驅(qū)動合閘機構(gòu)動作，斷路器合閘，合閘結(jié)束后，輔助接點斷開，HC斷電。如果控制回路中有斷開點，則HC無法得電，斷路器拒動。

用光耦和電阻R串聯(lián)后并接在YH兩端，即便YH平時打開，只要控制回路中沒有斷開點，就會有電流流過整個控制回路，這個電流的大小可通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值來調(diào)整，使之維持在很低的范圍，既不會誤驅(qū)動HC，又能使光耦中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，終端DSP采集到低電平，認為控制回路正常。如果控制回路中有異常斷開點，則光耦中的發(fā)光二極管滅，光敏三極管截止，終端DSP采集到高電平，認為控制回路斷線，發(fā)出報警信息。

圖5 合閘控制回路斷線監(jiān)測的原理圖

以上所述為合閘控制回路監(jiān)測原理，分閘控制回路監(jiān)測的原理相同，只是在斷路器處于合位時，再進行分閘控制回路監(jiān)測。

3.2 分合閘電流與儲能電機電流波形分析

相同型號、相同環(huán)境下的分合閘與儲能電機，其狀態(tài)是相似的。因此可利用已知的正常分合閘電流數(shù)據(jù)擬合出理想電流曲線，本文使用的是最小二乘法曲線擬合。

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可簡便地求得未知數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小[4]。簡單來說，已知有限多個點（xi，yi），這些點代表實際數(shù)據(jù)，由于實際數(shù)據(jù)分布并不呈線性，要找出規(guī)律很難，人們想到求出一條線，代表理想數(shù)據(jù)，使所有點到這條線的距離最小，也就是所有實際數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)誤差最小，這條線就叫擬合曲線，對于m個實際數(shù)據(jù)，設：

y=a0+a1x+a2x2+……+anxn，（4）

式（4）為數(shù)據(jù)縱坐標y與數(shù)據(jù)橫坐標x關(guān)系的方程式，其可代表擬合曲線；a0、a1、a2 ……an為方程系數(shù)。

誤差平方和如下：

，（4）

式（4）中，R2為誤差平方和，xi和yi分別為各實際點的橫縱坐標，按照誤差平方和最小原則（誤差平方和越小說明誤差越小），對各個待定系數(shù)a0、a1、a2 ……an求偏導數(shù)，使之都等于0。

，（5）

將等式寫成矩陣形式

m為實際點數(shù)量，a0、a1、a2 ……an為方程系數(shù)，xi和yi分別為各實際點的橫縱坐標。當n=1時，擬合線為直線，當n≥2時，擬合線為曲線。當數(shù)據(jù)點較多時，擬合方程階數(shù)較低時，擬合曲線精度不理想，但階數(shù)太高又會帶來計算上的復雜性，所以一般采用分段曲線擬合，把數(shù)據(jù)分段再擬合[5]。從理想電流曲線中取得理想數(shù)據(jù)組A（n），再與實際電流采樣數(shù)據(jù)組B（n）求差，差值越小說明實際電流越接近于正常。由此可設定一個臨界值，當差值大于臨界值時表明電流異常，發(fā)出報警信號。

3.3 分合閘與儲能電機卡滯分析

當分合閘電流及儲能電機電流值大于0時，DSP計數(shù)器開始計時，到電流時重新變?yōu)?時結(jié)束計時，通過理想電流曲線可知正常分合閘動作時間，由此可設定1個臨界值，當實際動作時間大于臨界值表明設備存在卡滯，發(fā)出報警信號。如果分合閘和儲能電機沒有完全卡死，仍然完成動作，可以通過電流波形判斷是否存在故障隱患。

4.結(jié)語

通過分析配電線路上的斷路器分合閘及儲能電機電流波形的特點，設計了采集電流信號的電路，再對采集到的電流信號進行分析處理，經(jīng)過測試研究，此方法可判斷出斷路器是否存在機械故障以及故障原因，可及時發(fā)現(xiàn)斷路器運行過程中存在的隱患，然后進行必要檢修，為日常維護提供可靠的依據(jù)。具有一定的先進性及很好的實用性，可應用到具體的電力系統(tǒng)工程實踐當中。

參考文獻

[1]李志強，張蓬鶴，王蔚.探討斷路器時間測量中的幾個問題[J].自動化與儀器儀表，2007（2）：68 -69.

[2]沙占友，王彥明，王曉群.線性光電耦合器在開關(guān)電源中的應用[J].通信電源技術(shù)，2001（2）：25-26

[3]曾兀彧.光電耦合器典型應用電路剖析[J].井岡山學院學報，2008，29（12）：18-20.

[4]田垅，劉宗田.最小二乘法分段直線擬合[J].計算機科學，2012，39（12）：482-484

[5]蔡山，張浩，陳洪輝，等.基于最小二乘法的分段三次曲線擬合方法研究[J].科學技術(shù)與工程，2007，7（3）：352 -355.

作者簡介

米杰，1988年生，男，河北石家莊人，2010年畢業(yè)于河北工程大學電氣工程自動化專業(yè)，在讀碩士。