高壓斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制

陳志英，周小娜，盧超龍

(1.福建省高電壓技術重點實驗室，福建 廈門 361024；2.廈門國毅科技有限公司，福建 廈門 361006 )

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高壓斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制

陳志英1，周小娜1，盧超龍2

(1.福建省高電壓技術重點實驗室，福建 廈門 361024；2.廈門國毅科技有限公司，福建 廈門 361006 )

針對目前高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究現狀與不足，為及時發(fā)現運行中的高壓斷路器故障，提高運行可靠性，提出了一種基于DSP的高壓斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案.該方案以TMS320C28346為系統(tǒng)控制核心，利用AD7606實時采集斷路器合(分)閘線圈電流信號，采用包絡均值法去除波形中的噪聲和干擾，提取線圈電流波形中的關鍵時間點和電流最大值，計算合(分)閘時間，根據電流最大值與合(分)閘時間是否在正常范圍內進行故障判斷，并將電流最大值、合(分)閘時間、日期和運行狀態(tài)顯示在LCD上.實驗結果證明，該方案可實現斷路器合(分)閘線圈電流的實時監(jiān)測，可及時發(fā)現故障，具有實時性能好、精度高等優(yōu)點，合閘線圈電流最大值誤差在1.29%，合閘時間誤差在0.26%；分閘線圈電流最大值誤差在1.61%，分閘時間誤差在0.7%.

高壓斷路器；合(分)閘線圈電流；在線監(jiān)測；TMS320C28346；包絡均值法

在電力系統(tǒng)的一次設備中，高壓斷路器是僅次于發(fā)電機和變壓器的大型電力設備.當系統(tǒng)正常運行時，它能切斷和接通線路及各種電氣設備；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，它和繼電器保護配合，迅速切斷故障電流，防止事故范圍擴大.若高壓斷路器無法正常運行，會造成線路、設備受損，電量損失，用戶大面積停電，影響正常的社會生產與生活[1].因此，高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中的重要控制與保護設備，對其進行維護與檢修以確保它正常運行至關重要[2-3].

對斷路器在線監(jiān)測可以及時發(fā)現故障，提高運行可靠性.合(分)閘線圈是斷路器操作機構的重要組成部分，線圈電流波形中包含了斷路器運行狀態(tài)的關鍵信息，如線圈卡滯、輔助觸點狀態(tài)等[4-7].因此，通過對高壓斷路器的合(分)閘線圈電流的實時監(jiān)測，分析波形中的關鍵信息，可判斷斷路器是否出現故障.

目前，現有的高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)多采用高速采集卡采集信號，并將采集的數據通過串口傳輸給上位機進行故障診斷，成本較高，由于需傳輸的數據量較大，實時性也受到影響.針對上述缺點，本文提出了一種以TMS320C28346為控制核心的合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，包括傳感器的選型、調理電路和AD采樣電路的設計以及軟件設計，斷路器的合(分)閘線圈電流信號經過傳感器、調理電路以及A/D轉換后輸入到控制核心進行分析、處理，實現電流信號的實時監(jiān)測、合閘時間等參數的計算以及故障判斷.

1 斷路器合(分)閘線圈電流信號處理與故障診斷

1.1 合(分)閘線圈電流

斷路器的合(分)閘線圈電流信號是判斷斷路器是否正常運行的重要依據[8-9]，通過分析線圈電流波形可得到觸頭合(分)閘動作啟動時刻、合(分)閘時間等參數，其典型波形如圖1所示.圖1中線圈電流變化總共經歷了4個階段：t0～t1為鐵芯觸發(fā)階段，線圈電流不斷增大，t0代表斷路器合(分)閘動作的觸發(fā)時刻；t1～t2為鐵芯運動階段，電流逐漸減小，可根據這段波形判斷鐵芯的運動狀態(tài)是否正常；t2～t3為觸頭合(分)閘動作階段，開始時刻在t2附近，線圈電流在t3時達到穩(wěn)定值，此時斷路器的動觸頭動作到位；t3～t4為電流切斷階段，輔助開關觸頭間的電弧被拉長，電弧電壓快速升高，迫使電流迅速減小直至熄滅[10].因此，t0、t1、t2、t3、t4、I3代表了斷路器在動作過程中線圈電流信號的關鍵點，提取這些關鍵點，并判斷電流的最大值與動作時間是否在正常范圍內，即可判斷該斷路器操動機構是否正常運行[11-13].

1.2 包絡均值法

高壓斷路器在運行過程中存在一些無法避免的干擾信號，為提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的精度，正確提取合(分)閘線圈電流的特征信號，需對采集到的波形進行濾波、平滑等處理.包絡均值法在保證波形不失真的前提下可以有效濾除干擾信號，其過程如下：

1)求極大值點對采集到的數據I(t)進行處理，首先找出數據中所有的極大值點(X)以及極大值點所對應的時間(Y)，組成一組新的節(jié)點，如式(1)所示：

(1)

2)用三次樣條插值函數擬合形成原數據的上包絡線在每個分段區(qū)間(Xi，Xi+1)內求解三次多項式函數Si(x)，其一階導數和二階導數在區(qū)間(X0，Xn)內是連續(xù)的，因此n個三次多項式的表達式如式(2)所示：

(2)

其中，ai、bi、ci、di代表4n個未知系數，表達式如(3)所示，i=0,1,…,n-1(已標注的除外).

(3)

在求解mi時，其方程僅有n-1個，而未知數有n+1個，因此還需對X0和Xn兩端點的微分加些限制，增加兩個方程方可解出所有mi的值.常見的限制條件有自由邊界、固定邊界以及非節(jié)點邊界，不同的端點條件會得到不同的樣條曲線.

3)求極小值點，其過程與1)相同.

4)用三次樣條插值函數擬合形成原數據的下包絡線，其過程與2)相同.

5)取上包絡線和下包絡線的均值，得到新的波形.

1.3 斷路器動作觸發(fā)時刻t0的提取方法

高壓斷路器動作的觸發(fā)時刻t0為斷路器接到合(分)閘指令的時刻，如圖1所示，當檢測到有上升沿信號時，即認為斷路器接到指令.系統(tǒng)選用±10V作為采樣芯片AD7606的輸入范圍，其最低有效位為305.175μV，精度為0.03%，即：采樣最小電壓變化范圍ΔU=1V×0.03%=0.003V，而系統(tǒng)選用的霍爾電流傳感器CSM010GT的精度為0.7%，即：轉換最小電壓變化范圍ΔU=1V×0.07%=0.007V.因此，當線圈電流經轉換后的電壓變化大于0.007V時，認為線圈有電流流過，并將此時刻定義為斷路器動作觸發(fā)時刻t0，系統(tǒng)開始保存采樣數據.

1.4 剛合(分)點的提取方法

高壓斷路器的合(分)閘時間是斷路器的一個重要參數，其定義為斷路器合(分)閘動作觸發(fā)時刻到動靜觸頭剛剛接觸(或分離)的時間，而剛分、剛合點的提取一直是斷路器在線監(jiān)測分析的難點.目前，剛合(分)點的提取方法主要有振動信號分析法、觸頭加速度分析法等[14-17]，上述方法精確度較高，但實現過程復雜.本文采用輔助開關的開斷確定剛分、剛合點[18]，在斷路器動作過程中，主動軸帶動主觸頭旋轉到指定位置，輔助開關的狀態(tài)發(fā)生變化，輔助開關狀態(tài)變化時刻，即為剛分、剛合時刻.1.5 故障診斷方法

同種型號的高壓斷路器的線圈電流波形具有很高的重復性，通過多次實驗，可確定斷路器正常工作時的合(分)閘時間與電流最大值的范圍.當線圈出現卡滯、匝間短路等故障時，合(分)閘時間與電流最大值會出現明顯變化.因此，可采用判斷合(分)閘時間與電流最大值是否超出正常范圍的方法進行故障診斷.通過斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)實時測量線圈電流，經分析計算后，若線圈合(分)閘時間或電流最大值不在正常范圍內時，則判斷斷路器出現故障.

2 系統(tǒng)硬件設計

斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的控制原理如圖2.系統(tǒng)上電后對運行中斷路器的合(分)閘電流進行不間斷實時監(jiān)測，合(分)閘線圈電流信號經霍爾電流傳感器將電流信號轉換成電壓信號，通過調理電路處理后，將傳感器輸出電壓的范圍轉換到AD采樣芯片的工作電壓范圍內，AD采樣芯片將模擬信號轉換為數字信號，并輸入到控制核心TMS320C28346，經計算分析后，將監(jiān)測結果顯示在LCD上.其中，電源電路為控制核心以及其他部件提供穩(wěn)定電源，通過按鍵電路可選擇顯示界面及內容.

2.1 信號調理電路

系統(tǒng)選用CSM010GT型霍爾電流傳感器將線圈電流轉換成電壓信號以便采集，該傳感器體積小、精度高、線性度好，若僅給傳感器供電，原邊無電流流過時，傳感器輸出基準電壓2.5V.根據傳感器的技術參數，得到輸入輸出關系為：

(4)

其中：Iin為輸入電流，即線圈電流；Vout為傳感器輸出電壓.

高壓斷路器的合(分)閘線圈電流一般為0～5 A，則由式(4)可知傳感器的輸出電壓范圍為2.5～3 V.為滿足AD采樣芯片的分辨率與采樣電壓范圍，需將傳感器輸出電壓通過調理電路進行放大，其原理圖如圖3所示.該放大電路的輸入輸出關系為：

(5)

2.2 AD采樣電路

為實現更高精度的采樣，增加準確性，系統(tǒng)選用高速、低功耗16位的AD7606作為控制核心的外擴采樣芯片，可對8個模擬輸入通道進行同步采樣，每個通道的吞吐率為200 Kbit/s，且芯片內置濾波器，傳感器輸出的電壓可直接接入芯片的模擬信號輸入引腳，采樣電路如圖4所示.

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括：AD采樣子程序、合(分)閘時間計算子程序、按鍵子程序、LCD12864顯示子程序、RTC(實時時鐘芯片)時間讀取子程序，其主程序流程圖如圖5所示.上電后系統(tǒng)初始化，調用AD采樣子程序，不間斷地實時采集線圈電流；將采集到的波形經包絡均值法濾波、平滑后，計算合(分)閘電流的最大值，并提取線圈電流的關鍵時間點，調用合(分)閘時間計算子程序，若超出正常范圍，則發(fā)出警報，調用RTC時間讀取子程序記錄合(分)閘動作發(fā)生時間；等待按鍵按下，若有按鍵按下時，調用相應按鍵子程序與LCD12864顯示子程序.

4 實驗結果與分析

為驗證系統(tǒng)的功能與正確性，在實驗室搭建了斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測的模擬實驗平臺，以ABB生產的VD4真空斷路器為實驗對象，采用220 V直流脫扣器，當接到合(分)閘指令后，延時20 ms后合(分)閘線圈才開始有電流，因此，實際合(分)閘時間應加上20 ms.以廈門國毅科技有限公司生產的機械特性儀GYT_07(精度為0.5%)測量的數據為標準對比數據，系統(tǒng)上電后對斷路器進行合閘操作，運行一段時間后，對斷路器進行分閘操作，采集到的合(分)閘線圈電流經包絡均值法濾波，濾波前后的對比圖如圖6所示.重復合閘與分閘操作各100次，發(fā)現合(分)閘線圈電流變化趨勢基本不變，特征值也在小范圍內變化，任取其中10次實驗結果，如表1和表2所示.同時，通過模擬斷路器常見的幾種機械故障，記錄故障時的合(分)閘線圈電流的監(jiān)測結果，脫扣器卡滯和脫扣器卡死的電流最大值分別為1.14 A和1.19 A，分閘時間分別為59.8 ms和大于100 ms.

實驗結果表明，包絡均值法能有效濾除干擾，平滑波形，且保證波形不失真；當斷路器正常運行時，合(分)閘線圈電流最大值、合(分)閘時間在一定的范圍內波動，與GYT_07測量的數據比較，誤差在可接受范圍內.以斷路器分閘動作為例，當出現脫扣器卡滯現象時，會造成分閘時間的增加；當出現脫扣器卡死故障時，斷路器無法完成分閘動作.

表1 斷路器合閘線圈電流與合閘時間在線監(jiān)測結果

表2 斷路器分閘線圈電流與分閘時間在線監(jiān)測結果

5 結語

本文提出了一種基于DSP的高壓斷路器合(分)閘線圈電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，通過多次實驗進行驗證，得到以下結論：1)能夠實時監(jiān)測斷路器合(分)閘線圈電流與合(分)閘時間，合閘線圈電流最大值誤差在1.29%，合閘時間誤差在0.26%，分閘線圈電流最大值誤差在1.61%，分閘時間誤差在0.7%；2)采用包絡均值法對電流信號進行處理，實現波形的濾波與平滑且不失真；3)采用了一種簡單且易于實現的剛分、剛合點分析方法，通過輔助開關的狀態(tài)變化計算得到合(分)閘時間；4)根據合(分)閘時間和電流最大值是否在正常范圍內進行故障診斷，可及時發(fā)現故障；5)記錄動作發(fā)生的時間，并將監(jiān)測結果(合(分)閘時間、電流最大值、日期、是否故障)顯示在LCD上.該方案具有實時性好、精度高等優(yōu)點，具有廣闊的市場應用前景.

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(責任編輯 雨 松)

Design of Online Coil Current Monitoring System forHigh Voltage Circuit Breaker

CHEN Zhiying1，ZHOU Xiaona1，LU Chaolong2

(1.Key High-Voltage Laboratory of Fujian Province，Xiamen 361024，China;2.Xiamen Guoyi Technology Co.Ltd.,Xiamen 361024，China)

Presented in this paper is the design of an online monitoring system for coil current of high voltage circuit breaker based on TMS320C28346，aiming to discover faults of high voltage circuit breaker in time and improve operational reliability.With TMS320C28346 at the core of control，the design used AD7606 to acquire the real-time data of coil current and used envelope average method to filter noise and interference signals.It then extracted the key time and maximum value of the current waves，and calculated the closing-opening time and the maximum value to judge whether the breaker was at fault while the online-monitoring results were displayed on LCD screen.Experimental results show that the design is capable of real-time monitoring of closing/opening coil current of high voltage circuit breaker and of timely detection of failure and achieves good real-time performance and accuracy，with the maximum error of closing coil current standing around 1.29%，closing time error around 0.26%，the maximum error of opening coil current around 1.61% and opening time error around 0.7%.

high voltage circuit breaker;coil current;online monitoring;TMS320C28346;envelope average method

2016-07-06

2016-08-11

福建省教育廳省屬高校專項課題(JK2013036)

陳志英(1978-)，女，副教授，碩士，研究方向為電器智能化技術及應用.E-mail：chzy207@163.com

TM561

A

1673-4432(2016)05-0006-07