真空斷路器分合閘線圈電阻測(cè)量裝置的研制與應(yīng)用

鄧 濤，丁一岷，夏強(qiáng)峰，屠曄煒

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314003）

0 引言

真空斷路器因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名。它具有體積小、重量輕、可頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，適用于要求無(wú)油化、少檢修及頻繁操作的場(chǎng)所使用[1-2]。斷路器分合閘線圈材料質(zhì)量及制作工藝的缺陷導(dǎo)致線圈電阻不合格問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，必定違背新建變電站的“零缺陷”投產(chǎn)要求，也給斷路器的正常動(dòng)作帶來(lái)隱患。

傳統(tǒng)的萬(wàn)用表測(cè)量法在分合閘線圈控制回路中只有線圈時(shí)測(cè)量較為準(zhǔn)確，但實(shí)際變電站工程中所使用的大部分分合閘線圈回路中均存在整流模塊，這將給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大偏差。另因在未通電情況下，使用萬(wàn)用表對(duì)分合閘線圈直接測(cè)量，線圈阻值可能會(huì)與通電情況有偏差。在完成安裝之后，分合閘線圈完全密封于高壓斷路器內(nèi)，操作人員需確保熟悉斷路器內(nèi)部工作原理，對(duì)拆裝的結(jié)構(gòu)十分了解。高壓斷路器的拆裝過(guò)程較為繁瑣，在拆除或更改被試設(shè)備上的試驗(yàn)接線之前，安全一定要得到保證[3-6]。

以下介紹一套真空斷路器分合閘線圈直流電阻（簡(jiǎn)稱(chēng)直阻）測(cè)量輔助裝置，該裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，測(cè)量安全風(fēng)險(xiǎn)小，能有效解決真空斷路器分合閘回路帶有整流模塊導(dǎo)致線圈電阻無(wú)法測(cè)量的難題。

1 傳統(tǒng)測(cè)量方法改進(jìn)

1.1 真空斷路器分合閘線圈電阻測(cè)量存在的缺陷

在安裝完成的高壓開(kāi)關(guān)上進(jìn)行電阻測(cè)量，傳統(tǒng)萬(wàn)用表測(cè)量方法試驗(yàn)原理如圖1所示，即在要測(cè)量線圈回路上施加一個(gè)電壓VCC，測(cè)量取樣電阻R1兩端電壓和電源電壓進(jìn)行計(jì)算。

圖1 傳統(tǒng)測(cè)量線圈電阻原理

但實(shí)際情況中，在線圈回路里還有整流橋等其他電子器件，有的開(kāi)關(guān)線圈回路既有整流橋又有NMOS（N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體）管，見(jiàn)圖2。

圖2 帶有整流器件的線圈回路

圖2中，以電源電壓24 V，取樣電阻100 Ω，線圈電阻129.6 Ω和整流橋壓降共1.4 V為例，在不考慮測(cè)量偏差的情況下，根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)量方法計(jì)算出線圈阻值約為143.8 Ω，與實(shí)際相差較大。如果在線圈回路中多了一個(gè)NMOS管，系統(tǒng)的測(cè)量必須在NMOS管導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行，否則在NMOS管關(guān)斷后無(wú)法測(cè)量?，F(xiàn)有技術(shù)測(cè)量時(shí)間太長(zhǎng)，測(cè)量準(zhǔn)確度非常低，因此目前的試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法在通電情況下對(duì)線圈電阻進(jìn)行測(cè)量。

1.2 真空斷路器分合閘線圈電阻測(cè)量方法改進(jìn)

由于整流橋和NMOS管均在高壓斷路器內(nèi)部，并且各類(lèi)型號(hào)斷路器設(shè)備都不相同，因此無(wú)法直接得知整流橋的壓降。

針對(duì)以上問(wèn)題，一方面在NMOS管導(dǎo)通期間快速測(cè)量，避免關(guān)斷之后測(cè)量帶來(lái)的誤差（若無(wú)NMOS管也并無(wú)影響），通過(guò)軟件的改進(jìn)能完善這一功能，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。另一方面需要降低整流橋壓降的影響。對(duì)于這一方面可以分兩部分實(shí)施：一是可以增大回路中的電流，如果電流增大，那么大部分電壓會(huì)分在取樣電阻和線圈上，此時(shí)整流橋的壓降相比于落在取樣電阻和線圈上的電壓較小，從一定程度上提高了測(cè)量精度，所以測(cè)量的電源電壓需提高；二是在提高電壓之后若能進(jìn)一步減小整流橋壓降所帶來(lái)的誤差，那么線圈電阻測(cè)量試驗(yàn)就能順利開(kāi)展。針對(duì)這一情況，可以分2次使用不同大小的取樣電阻進(jìn)行測(cè)量。因整流橋在一定的范圍內(nèi)改變電流值，其壓降不會(huì)有很大變化，因此可假定2次測(cè)量的壓降相同，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算出線圈電阻值。設(shè)計(jì)思路如圖3所示。圖3中R1和R2分別為2次測(cè)量的取樣電阻，通過(guò)2次測(cè)量可得：

式中：I1為第一次測(cè)量時(shí)流過(guò)取樣電阻R1的電流；I2為第二次測(cè)量時(shí)流過(guò)取樣電阻R2的電流；Vf1為第一次測(cè)量時(shí)整流橋的壓降；Vf2為第二次測(cè)量時(shí)整流橋的壓降，假定2次壓降相同；Rx為要測(cè)量的線圈電阻。 由式（1）和（2）可得 I1×（R1+Rx）=I2×（R2+Rx）， 即可求得 Rx。

圖3 設(shè)計(jì)電路原理

2 真空斷路器分合閘線圈電阻測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與研制

測(cè)試系統(tǒng)由操作電源、輔助電源、主控制器、顯示屏及按鍵組成。操作電源提供操作機(jī)構(gòu)正常分合閘的直流操作電壓，輔助電源由開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生，供主控制器及其他采樣、控制電路工作。主控制器通過(guò)顯示屏和按鍵組成人機(jī)交互界面，控制測(cè)量輸出和操作輸出，測(cè)量電壓信號(hào)，計(jì)算直流電阻并顯示在屏幕上。裝置原理框如圖4所示。

圖4 裝置原理框圖

制作與實(shí)施小型開(kāi)關(guān)直阻測(cè)試輔助裝置，需要搭建電源模塊、控制模塊、測(cè)量模塊、操作模塊和顯示模塊5個(gè)部分的功能。

2.1 電源模塊

工程應(yīng)用中，常采用的電源技術(shù)有2種，即線性電源技術(shù)和開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，而開(kāi)關(guān)電源技術(shù)具有效率高、體積小、發(fā)熱小、功耗低和重量輕（體積和重量只有線性電源的20%~30%）等優(yōu)點(diǎn)，并且自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、易于模塊化[7-8]。結(jié)合實(shí)際需要，決定采用以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為主體的電源模塊，主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）將220 V AC電源轉(zhuǎn)換成30~270 V操作電源、24 V的開(kāi)關(guān)電源以及3.3 V，5 V，12 V，-15 V的輔助電源。

（2）實(shí)現(xiàn)操作電源的連續(xù)可調(diào)。設(shè)計(jì)采用電源模塊的核心部分電路如圖5所示。

采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到裝置工作所需的直流電壓，包含開(kāi)關(guān)操作電源、線圈電阻測(cè)量電源、輔助電源3個(gè)子模塊。操作電源提供操作機(jī)構(gòu)正常分合閘的直流操作電壓，輔助電源由線圈電阻測(cè)量電源產(chǎn)生，供主控制器及其他采樣、控制電路工作。

圖5 電源模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 控制模塊

裝置需要對(duì)各模塊間進(jìn)行有效的配合控制，對(duì)采集到的電壓、電流進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并將電壓、電流數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)處理模塊，將處理得到的線圈電阻值在顯示屏上進(jìn)行顯示。單片機(jī)在我國(guó)普及程度高、體積小、功能強(qiáng)、工作可靠性好、性?xún)r(jià)比高，且能夠處理復(fù)雜的邏輯計(jì)算，滿(mǎn)足項(xiàng)目中相關(guān)邏輯計(jì)算要求，各類(lèi)接口也比較豐富[9-10]，綜合考慮采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心來(lái)搭建控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）將接收到的指令信號(hào)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)。

（2）有效控制其他各模塊的運(yùn)行狀態(tài)。

數(shù)據(jù)控制處理模塊主要實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的控制及保護(hù)，采用的是單片機(jī)MEGA64芯片，其主要電路如圖6所示。

圖6 控制模塊電路設(shè)計(jì)

選用AVR的MEGA64作為主控制器，I/O口較多，將顯示屏接口直接掛在控制器的數(shù)據(jù)總線上，操作速度快，無(wú)延時(shí)和閃屏現(xiàn)象。另外控制器內(nèi)置的8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)需外部基準(zhǔn)電壓，就可以對(duì)各路電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

2.3 測(cè)量模塊

常用的測(cè)量模式主要有直接測(cè)量模式、間接測(cè)量模式和組合測(cè)量模式，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)組合測(cè)量模式在測(cè)量過(guò)程中，改變測(cè)量條件來(lái)獲得不同被測(cè)量的組合，可通過(guò)直接測(cè)量和間接測(cè)量所得的數(shù)值，進(jìn)行求解組合方程而得到被測(cè)量的數(shù)值[11-12]。該方式綜合了直接與間接2種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，能夠真實(shí)反映裝置需要監(jiān)測(cè)的電壓、電流數(shù)值，能全面反映裝置各部分的電氣量數(shù)值，雖然稍顯復(fù)雜，但是滿(mǎn)足裝置設(shè)計(jì)監(jiān)控要求。

故采用組合測(cè)量模式來(lái)搭建測(cè)量模塊，主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）裝置輸出的電壓、電流信號(hào)的采集正確率達(dá)100%。

（2）采集數(shù)據(jù)反饋給被測(cè)線圈回路以及數(shù)據(jù)處理模塊的正確率達(dá)100%。

測(cè)量模塊電路如圖7所示，其中K1用于切換測(cè)量電源和操作電源輸出；K2為分閘輸出繼電器；繼電器K3用于切換一次測(cè)量和二次測(cè)量的回路電阻；K4為合閘輸出繼電器；運(yùn)放U1測(cè)量電阻R1和R2的上端電壓；運(yùn)放U2測(cè)量電阻R1和R2的下端電壓。2次測(cè)量的電壓組成方程式，即可計(jì)算出負(fù)載的線圈電阻大小。

2.4 操作模塊

為實(shí)現(xiàn)斷路器分合狀態(tài)的選擇操作，以及操作電壓的設(shè)置，選擇矩陣模式設(shè)計(jì)操作模塊。矩陣模式原理也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度不大，適用于按鍵數(shù)目較多的裝置或設(shè)備，可避免單片機(jī)I/O資源的浪費(fèi)[13-15]。

采用矩陣模式來(lái)搭建操作模塊，其電路設(shè)計(jì)如圖8所示，主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）斷路器分合狀態(tài)的選擇操作正確率100%。（2）操作電壓的設(shè)置，精確到個(gè)位。

使用矩陣式操作模式，實(shí)現(xiàn)分合閘線圈測(cè)量狀態(tài)的選擇和參數(shù)的設(shè)置功能。

2.5 顯示模塊

觸摸液晶、彩色液晶、黑白液晶各有特點(diǎn)，在各類(lèi)儀器設(shè)備中廣泛應(yīng)用，由于本裝置僅需顯示操作電壓設(shè)定值以及線圈電阻測(cè)量的數(shù)值，對(duì)于顯示要求不高，經(jīng)過(guò)各方面比較，黑白液晶可與任何單片機(jī)、ARM處理器、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）配套使用，技術(shù)成熟度高，適用于對(duì)顯示要求不高的場(chǎng)合，且電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠[16-17]。

圖7 測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

故采用以黑白液晶模式來(lái)搭建顯示模塊，其電路設(shè)計(jì)如圖9所示，主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)目標(biāo)：

（1）具有常態(tài)與背光2種模式，適應(yīng)不同工作環(huán)境。

（2）以數(shù)字方式顯示操作電壓設(shè)定值、電阻測(cè)量值，保留小數(shù)點(diǎn)后1位。

圖8 操作模塊電路設(shè)計(jì)

圖9 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

液晶顯示電路用于液晶屏的顯示與驅(qū)動(dòng)，選取122×32的小型圖形點(diǎn)陣式液晶屏，能夠顯示較多的文字信息和數(shù)字信息。

2.6 裝置整體組裝驗(yàn)證

為驗(yàn)證裝置在分合閘線圈電阻測(cè)量數(shù)據(jù)方面的準(zhǔn)確性，任意選取6組分合閘線圈，分別采用萬(wàn)用表法和本裝置進(jìn)行測(cè)量，并與銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知，本裝置測(cè)得的電阻值符合分合閘線圈銘牌數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性，裝置得到了有效驗(yàn)證。

表1 線圈電阻測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)

3 真空斷路器分合閘線圈電阻測(cè)量裝置的應(yīng)用

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某公司2016年承擔(dān)工程中有13個(gè)涉及到真空斷路器分合閘線圈電阻測(cè)量，只有1個(gè)順利實(shí)現(xiàn)了電阻的測(cè)量。2017年所承擔(dān)工程中有9個(gè)涉及到真空斷路器分合閘線圈直阻測(cè)量，在裝置研制出之前，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)直阻測(cè)量，研制出后直阻試驗(yàn)順利開(kāi)展。在裝置研制出前后，真空斷路器分合閘線圈電阻通過(guò)航空插頭測(cè)量的完成率如圖10所示，同時(shí)完善了試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，進(jìn)而有效全面檢查了設(shè)備的工藝質(zhì)量，保證設(shè)備零缺陷投產(chǎn)送電。

圖10 真空斷路器分合閘線圈電阻通過(guò)航空插頭測(cè)量完成率

所研制的真空斷路器分合閘線圈直阻測(cè)量裝置在斷路器安裝交接試驗(yàn)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果，試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和效率均很高，裝置研制完成后真空斷路器分合閘線圈均順利開(kāi)展了電阻值的測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)量率達(dá)100%，解決了分合閘線圈電阻難以測(cè)量的難題，對(duì)于全面檢查真空斷路器質(zhì)量，保證工程零缺陷投產(chǎn)送電具有重要意義。

4 結(jié)論

（1）裝置可直接通過(guò)航空插頭測(cè)量真空斷路器分合閘線圈的電阻值，無(wú)須拆裝高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)部元件，實(shí)現(xiàn)了斷路器分合閘線圈電阻智能化全面測(cè)試，保障了電力設(shè)備入網(wǎng)質(zhì)量。

（2）裝置的研制革新了采用萬(wàn)用表測(cè)量線圈電阻的傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘線圈電阻的智能化測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)模擬運(yùn)行狀態(tài)使得試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠，提升現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作效率，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）所研制的裝置可推廣應(yīng)用于所有電氣設(shè)備有動(dòng)作線圈的測(cè)量作業(yè)，甚至推廣至高壓斷路器分合閘線圈運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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