基于DSP的智能斷路器合閘線圈保護(hù)裝置

甘凌霄, 張大貴, 張衡, 朱劍宇, 盧興福, 劉洋

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550000)

0 引 言

高壓斷路器在電力系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色[1-2]，起著控制和保護(hù)作用[3]。它是變電站機(jī)械和電氣動(dòng)作最頻繁的設(shè)備,在運(yùn)行過程中有很高的故障率,并易引起電網(wǎng)事故,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。在電力系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，斷路器的分/合閘線圈由于操作頻繁，導(dǎo)致事故頻發(fā)[5-8]。電網(wǎng)公司中有部分高壓斷路器由于運(yùn)行時(shí)間較長，設(shè)備老化嚴(yán)重，內(nèi)部設(shè)計(jì)不合理等原因，在日常生產(chǎn)過程中給運(yùn)行與檢修人員帶來了極大的不便。對(duì)于老式的斷路器，其合閘線圈往往放置在機(jī)構(gòu)內(nèi)部，不易拆卸與更換。一旦合閘線圈發(fā)生燒損等故障，那么對(duì)其進(jìn)行更換將是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的技術(shù)工作，將嚴(yán)重降低電網(wǎng)公司的供電可靠性，增加電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)、外在合閘線圈保護(hù)領(lǐng)域的研究主要集中在高壓領(lǐng)域。這類保護(hù)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，價(jià)格高昂，技術(shù)先進(jìn)[9]。而在電網(wǎng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，單獨(dú)針對(duì)合閘線圈保護(hù)的研究幾乎還處于停滯階段。針對(duì)這一實(shí)際生產(chǎn)情況，研發(fā)了一種基于DSP的新型智能斷路器合閘線圈保護(hù)裝置。相對(duì)于傳統(tǒng)的斷路器合閘線圈保護(hù)裝置，該裝置采用單獨(dú)的外接式電源，通過程序智能的判斷出斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)斷路器發(fā)生故障或者不滿足合閘要求時(shí)，保護(hù)裝置智能的切換斷路器的控制回路，以達(dá)到保護(hù)合閘線圈的目的。此外，該裝置完全獨(dú)立于斷路器的控制回路，對(duì)原斷路器的控制回路不造成任何干擾。即使保護(hù)裝置發(fā)生異常，也不會(huì)對(duì)斷路器的正常運(yùn)行造成影響，大大地提升了電網(wǎng)的供電可靠性，減少了電網(wǎng)停電時(shí)間。

1 常規(guī)斷路器合閘線圈故障原因分析

對(duì)于斷路器合閘線圈來說，造成其故障的原因很多。但是從電網(wǎng)多年的運(yùn)行實(shí)際與經(jīng)驗(yàn)來看，造成合閘線圈故障的主要原因有以下兩點(diǎn)：一是由于電壓不足，導(dǎo)致分/合閘線圈兩端長期帶電。根據(jù)中國南方電網(wǎng)公司《電力設(shè)備檢修規(guī)程》，合閘脫扣器應(yīng)能在其交流額定電壓的85%～110%范圍或直流額定電壓的80%～110%范圍內(nèi)可靠動(dòng)作；分閘脫扣器應(yīng)能在其額定電源電壓的65%～120%范圍內(nèi)可靠動(dòng)作，當(dāng)電源電壓低至額定值的30%或更低時(shí)不應(yīng)脫扣[10]。當(dāng)變電站直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器實(shí)際控制電壓低于《電力設(shè)備檢修規(guī)程》所要求的操作電壓時(shí)，就可能造成斷路器合閘線圈兩端長期帶低壓電，導(dǎo)致合閘線圈燒損?；蛘邤嗦菲鞅Ｗo(hù)裝置的操作箱內(nèi)部發(fā)生故障，導(dǎo)致斷路器輸出的正電壓低于《電力設(shè)備檢修規(guī)程》所要求的操作電壓時(shí)，也可能造成斷路器合閘線圈燒損。二是斷路器在合閘過程中，由于斷路器故障，輔助開關(guān)DL不能正確動(dòng)作，導(dǎo)致合閘線圈HQ兩端長期帶電，致使合閘線圈燒損，具體原理如圖1所示。圖1為國內(nèi)常用的某型號(hào)斷路器操作箱原理圖。作如下說明，當(dāng)合閘指令下發(fā)時(shí)，合閘保持繼電器HBJ啟動(dòng)，合閘保持繼電器HBJ的常開觸點(diǎn)變?yōu)槌ｉ]觸點(diǎn)，從而形成自保持，直至合閘線圈HQ動(dòng)作完成以后，使輔助開關(guān)DL的觸點(diǎn)完成切換后，合閘保持繼電器HBJ失去負(fù)電，使合閘保持繼電器HBJ復(fù)歸，完成整個(gè)合閘過程。但是如果斷路器機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，輔助開關(guān)DL不能正確動(dòng)作，那么合閘線圈HQ將會(huì)由于長期帶電，造成線圈損壞。

圖1 某型號(hào)斷路器操作箱原理圖

2 新型智能斷路器合閘線圈保護(hù)裝置介紹

圖2 斷路器合閘線圈保護(hù)原理

針對(duì)上述在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問題與缺陷，設(shè)計(jì)了該新型的智能斷路器合閘線圈保護(hù)裝置，以解決斷路器在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的缺陷。該裝置設(shè)計(jì)原理如圖2所示。本裝置通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制回路的電壓信號(hào)，診斷斷路器故障狀態(tài)，從而控制串聯(lián)在控制回路中的具有開斷能力的繼電器常閉接點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器合閘回路的保護(hù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的合閘線圈保護(hù)裝置，本裝置有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：一是只將繼電器的常閉接點(diǎn)串聯(lián)于斷路器合閘回路中，能保證斷路器的合閘回路不增加任何電阻，不對(duì)斷路器的動(dòng)作電壓產(chǎn)生任何負(fù)面影響。此前有學(xué)者將時(shí)間繼電器并聯(lián)于合閘回路中，雖然也能實(shí)現(xiàn)合閘線圈的簡單保護(hù)，但是對(duì)合閘回路的整體電阻值造成了影響，可能會(huì)影響斷路器正常合閘。二是本裝置選用的是具有開斷能力的繼電器，從源頭上面防止了接點(diǎn)粘連，甚至接點(diǎn)拉弧等現(xiàn)象的出現(xiàn)，能夠保護(hù)斷路器在故障狀態(tài)下順利地?cái)嚅_接點(diǎn)，起到保護(hù)合閘線圈的作用。三是通過電壓型霍爾傳感器來采樣，保證了控制電纜的完整性，不會(huì)導(dǎo)致因?yàn)榫€頭表皮破損而造成直流接地等增加斷路器的故障點(diǎn)。四是故障判斷通過數(shù)字處理分析，使得故障判斷更為精準(zhǔn)，故障時(shí)間判斷提升至毫秒級(jí)，繼電器輸出更為精確。

2.1 智能保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的斷路器合閘線圈保護(hù)裝置主要由CPU核心電路、檢測(cè)回路、通信回路、存儲(chǔ)回路和控制回路構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 斷路器合閘線圈保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)

與一般的單片機(jī)控制系統(tǒng)相比,數(shù)字信號(hào)處理器DSP具有更高的處理速度、更小的功耗和體積,因此CPU核心電路采用美國德州儀器(TI)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TMS320LF2407A芯片，其內(nèi)部具有10位A/D轉(zhuǎn)換器,最大采樣速度可達(dá)2 MHz，擁有40個(gè)可獨(dú)立編程的復(fù)用I/O口，片內(nèi)串行通信接口可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通訊和外設(shè)之間通信，滿足所需實(shí)現(xiàn)功能外，也簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。

檢測(cè)回路主要由電壓霍爾傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，電壓霍爾傳感器采用FW.BELL公司的CLSM-10MA型號(hào)傳感器，對(duì)直流電壓隔離轉(zhuǎn)換并經(jīng)過信號(hào)調(diào)理為0～3.3 V，傳輸給DSP自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣計(jì)算；通信回路用來實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作事件的上報(bào)和參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置；存儲(chǔ)回路用來存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)和動(dòng)作事件；控制回路主要用來斷開常閉繼電器和發(fā)出報(bào)警信息。

2.2 智能保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

DSP運(yùn)算模塊是本裝置最為核心的模塊。其核心功能是把從采樣模塊輸入的模擬電壓值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)再傳入故障判斷子模塊。故障判斷子模塊中是以單片機(jī)語言所編譯的程序，數(shù)字信號(hào)輸入故障判斷子模塊中的程序后，DSP會(huì)智能的判斷出當(dāng)前斷路器所處的狀態(tài)，并將指令下發(fā)至開出模塊，由此控制繼電器動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)斷路器合閘線圈保護(hù)的功能。

本裝置針對(duì)上文所述合閘線圈容易發(fā)生的缺陷，設(shè)計(jì)了電壓保護(hù)子模塊和時(shí)間保護(hù)子模塊。電壓保護(hù)子模塊主要是考慮在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際中，由于保護(hù)裝置或者直流電源可能發(fā)生異常，導(dǎo)致斷路器合閘回路在實(shí)際運(yùn)行中造成合閘線圈兩端的電壓超過《電力設(shè)備檢修規(guī)程》的規(guī)定，導(dǎo)致合閘線圈燒損。

電壓保護(hù)子模塊具體設(shè)計(jì)方案如下:

(1)

式中:U+KM為控制正電壓；U-KM為控制負(fù)電壓；Ue為額定控制電壓；

裝置保護(hù)邏輯為：U≥Uset，電壓質(zhì)量合格，則裝置常閉觸點(diǎn)不變位；U

本裝置除了電壓保護(hù)子模塊以外，還設(shè)計(jì)了時(shí)間保護(hù)子模塊，其主要功能是：

針對(duì)上文所描述的斷路器在合閘過程中，由于斷路器故障，輔助開關(guān)DL不能正確動(dòng)作或者相關(guān)接點(diǎn)粘連等，導(dǎo)致合閘線圈HQ兩端長期帶電，致使合閘線圈燒損的情況，基于DSP程序判斷了出當(dāng)前斷路器的實(shí)際狀態(tài)，通過計(jì)時(shí)開出模塊實(shí)現(xiàn)合閘線圈的保護(hù)功能。

(2)

式中:T為采樣時(shí)間，即輸入時(shí)間；Tset為裝置定值設(shè)置時(shí)間；

裝置保護(hù)邏輯為：當(dāng)電壓保護(hù)滿足技術(shù)要求時(shí)，裝置認(rèn)為輸入電壓合格，常閉接點(diǎn)不啟動(dòng)。T≤Tset,輸入時(shí)間合格，裝置常閉觸點(diǎn)不變位，合閘回路正常；T>Tset，輸入時(shí)間不合格，裝置常閉觸點(diǎn)打開，紅燈亮，報(bào)警提示時(shí)間不合格。

3 結(jié)束語

根據(jù)電網(wǎng)公司在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際中提出了一種基于DSP的智能斷路器合閘線圈保護(hù)裝置，能夠較好地解決斷路器在合閘過程中因故障造成合閘線圈頻繁故障的缺陷，大大降低了檢修人員的工作量，降低了電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高了供電可靠性。相對(duì)于傳統(tǒng)的斷路器合閘線圈保護(hù)裝置，該裝置采用單獨(dú)的外接式電源，通過程序智能的判斷斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)斷路器發(fā)生故障或者不滿足合閘要求時(shí)，保護(hù)裝置智能的切換斷路器的控制回路，再者本裝置完全獨(dú)立于斷路器的控制回路，對(duì)原斷路器的控制回路不造成任何干擾。即使保護(hù)裝置發(fā)生異常，也不會(huì)對(duì)斷路器的正常運(yùn)行造成影響。本裝置通過電壓保護(hù)子模塊和時(shí)間保護(hù)子模塊，良好的區(qū)分了電網(wǎng)公司專業(yè)班組的分工界面，極大的提升了電網(wǎng)公司的生產(chǎn)效率，為日后的智能化一次設(shè)備的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。