斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)的研究

翟志國(guó)，陸志遠(yuǎn)，周文騫，武樂濤，劉金超

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050000）

《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》指出，“升級(jí)改造配電網(wǎng)，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)”是“十三五”規(guī)劃中重點(diǎn)任務(wù)之一。斷路器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。在配電設(shè)備一二次融合技術(shù)中，開閉所終端設(shè)備（DTU）、饋線終端設(shè)備（FTU）、配電終端設(shè)備（TTU）等配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行起到了非常重要的作用，而通過二次設(shè)備與斷路器的有效融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的在線監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，能夠從源頭降低斷路器自身的故障率，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性及自動(dòng)化程度。

斷路器失效并非突然性事件，斷路器在多次投退動(dòng)作后，部分器件會(huì)磨損、老化，并使其最初性能發(fā)生改變。分合閘線圈電流能夠有效反映斷路器投退動(dòng)作時(shí)的工作狀態(tài)。文中提出的斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)，通過對(duì)斷路器分合閘線圈電流的采集和分析，能夠在斷路器發(fā)生故障前有效地做出預(yù)判，達(dá)到斷路器失效預(yù)警的目的。

1 斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)組成

斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)由分合閘線圈監(jiān)測(cè)部分、ARM處理部分和預(yù)警顯示部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)發(fā)生分閘或合閘動(dòng)作時(shí)，分合閘線圈監(jiān)測(cè)部分的電流采集單元將對(duì)應(yīng)線圈中的電流轉(zhuǎn)化為電壓，并經(jīng)過初步濾波傳給ARM處理部分；ARM處理部分對(duì)分合閘線圈電流所轉(zhuǎn)化的電壓進(jìn)行ADC處理、濾波和分析后，將預(yù)判斷結(jié)果在預(yù)警顯示部分顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 分合閘線圈監(jiān)測(cè)部分

分合閘線圈電流包含了分合閘動(dòng)作的豐富信息，圖2為典型的合閘線圈電流波形。圖2中，T0時(shí)刻線圈通電，線圈中電流增大到T1時(shí)刻，鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，T2時(shí)刻鐵芯觸動(dòng)操作機(jī)構(gòu)負(fù)載而顯著減速，T3時(shí)刻輔助觸點(diǎn)切斷。電流幅值中，I1反映了鐵芯運(yùn)動(dòng)的起始狀態(tài)，I2反映了電磁鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度，I3則反映了線圈操作電壓大小。

圖2 典型合閘線圈電流波形

系統(tǒng)中分合閘線圈監(jiān)測(cè)部分的電流采集單元采用專業(yè)設(shè)計(jì)的穿心式磁平衡霍爾電流傳感器，當(dāng)電流正向穿過霍爾傳感器時(shí)，傳感器輸出正電壓，反之輸出負(fù)電壓。分合閘線圈不會(huì)同時(shí)有電，同時(shí)考慮到斷路器內(nèi)部空間有限以及降低成本等因素，分閘線圈與合閘線圈的電流監(jiān)測(cè)共用一個(gè)霍爾傳感器。分合閘線圈供電導(dǎo)線以不同的方向穿繞于霍爾傳感器上，分合閘動(dòng)作時(shí)，霍爾傳感器輸出電壓方向不同，分合閘線圈供電導(dǎo)線穿繞方式如圖3所示。

圖3 分合閘線圈供電導(dǎo)線繞線方式

1.2 ARM處理部分和預(yù)警顯示部分

ARM處理部分主芯片采用基于Cortex-M3核的LPC1768，并通過實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的μC/OS-II系統(tǒng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。失效預(yù)警系統(tǒng)上電后，LPC1768的通過1路ADC通道持續(xù)對(duì)分合閘線圈監(jiān)測(cè)部分輸出電壓進(jìn)行采樣。通過對(duì)ADC采集值計(jì)算分析，確定是否產(chǎn)生預(yù)警事件。

預(yù)警顯示部分由液晶和三色指示燈組成。正常工作時(shí)，系統(tǒng)綠燈閃爍；預(yù)警時(shí)，黃燈長(zhǎng)亮，液晶顯示預(yù)警動(dòng)作名稱；告警時(shí)，紅燈長(zhǎng)亮，液晶屏顯示告警動(dòng)作名稱。預(yù)警顯示部分的顯示方法簡(jiǎn)潔直觀，降低了運(yùn)維人員操作的復(fù)雜程度，進(jìn)一步促進(jìn)了斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的推廣。

2 斷路器健康水平監(jiān)測(cè)

在斷路器設(shè)計(jì)時(shí)，由于二次控制部分對(duì)直流電壓穩(wěn)定性要求不高，往往利用220V交流電壓整流濾波后對(duì)其進(jìn)行供電。圖4為220V交流經(jīng)整流橋全波整流后得到的脈動(dòng)直流電壓。對(duì)于部分型號(hào)斷路器，雖利用低通濾電路對(duì)脈動(dòng)直流電壓進(jìn)行濾波處理，但濾波后的直流電壓仍含有大量脈動(dòng)分量，因此在對(duì)分合閘線圈電流進(jìn)行采集和分析時(shí)，需要考慮兼容含脈動(dòng)分量的情況。斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)在運(yùn)行過程中只對(duì)電流波形進(jìn)行采集和分析，不輸出波形，為便于論證系統(tǒng)的可行性和有效性，文中對(duì)系統(tǒng)所采電流波形進(jìn)行了分析。

圖4 全波整流后的脈動(dòng)直流電壓

分合閘線圈電流檢測(cè)如下。

為了兼容脈動(dòng)直流電壓供電方式，系統(tǒng)在采集分合閘線圈電流的過程中，采用了“緩存-對(duì)比”的方法：持續(xù)采集并緩存10ms的最新波形，針對(duì)波形各采集點(diǎn)采用先進(jìn)先出模式進(jìn)行更新，通過最新采集點(diǎn)同預(yù)設(shè)閾值對(duì)比，判斷分合閘時(shí)刻。通過此方法能夠有效解決脈動(dòng)直流分量對(duì)分合閘時(shí)刻判斷的影響。

圖5為斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)測(cè)得的某純直流分合閘線圈電流波形圖。圖5中，合閘線圈電流為正值，分閘線圈電流為負(fù)值，表示兩者電流方向不同。由于合閘線圈電阻和分閘線圈電阻阻值差異，以及分合閘動(dòng)作時(shí)兩線圈鐵芯的應(yīng)力不同，使分閘過程中電能消耗速率小于合閘過程，最終導(dǎo)致分閘線圈電流在降為0時(shí)存在“拖尾”現(xiàn)象。

圖5 純直流分合閘線圈電流波形

圖6為系統(tǒng)測(cè)得的某含脈動(dòng)分量的分合閘線圈電流波形。對(duì)于此類供電方式的分合閘線圈，由于脈動(dòng)分量的存在，無法準(zhǔn)確測(cè)得電流大小相關(guān)的特征值，但可以將分合閘線圈通電時(shí)間作為特征量對(duì)分合閘動(dòng)作的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖6中分合閘電流波形與圖5趨勢(shì)相同。

圖6 含脈動(dòng)分量的分合閘線圈電流波形

3 結(jié)語(yǔ)

上文對(duì)斷路器失效預(yù)警系統(tǒng)的原理和組成進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可推廣性強(qiáng)；通過一二次設(shè)備融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)純直流及含脈動(dòng)分量的分合閘線圈電流的采集和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)斷路器機(jī)械特性，起到斷路器失效預(yù)警的作用。

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