金慧，張高潮，劉際波，應海玨，劉化文

（國網浙江文成縣供電公司，浙江文成325300）

35 kV斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置的研制

金慧，張高潮，劉際波，應海玨，劉化文

（國網浙江文成縣供電公司，浙江文成325300）

針對35 kV斷路器跳合閘線圈易燒毀問題研發(fā)了一種線圈測控保護裝置，該裝置利用單片機系統(tǒng)控制測溫模塊和電流檢測模塊實時測量線圈溫度和線圈電流，實現(xiàn)線圈過溫保護和線圈長期通流保護，當合閘線圈通流時間超過設定值時，使用大功率開關模塊斷開線圈回路，并借助實時時鐘模塊記錄故障時間和通過液晶顯示，達到保護線圈和記錄線圈故障信息的目的。

斷路器；合閘；線圈；溫度；電流；通流時間；保護

0 引言

斷路器是變電站中重要的設備之一，無論線路處于何種工作狀態(tài)，當要求斷路器動作時，斷路器應能可靠、迅速地動作[1]。在35 kV及以下變電站中，還有大量的電磁操作機構斷路器在運行。大量運行數(shù)據(jù)表明，中低壓斷路器的電磁操作機構穩(wěn)定性較差，在操作過程中，經常會出現(xiàn)拒分、拒合等故障，特別是當斷路器出現(xiàn)執(zhí)行機構卡澀、線圈控制回路接點粘連無法斷開及輔助開關節(jié)點不到位等故障時，線圈常會長期通電，造成線圈過熱而燒毀，大大降低斷路器的運行可靠性。

目前中低壓變電站基本上無人值守，大量斷路器都通過遠程操作，當出現(xiàn)上述故障時，無法及時斷開控制電源，極易造成線圈燒毀，必須到現(xiàn)場人工更換線圈解決，大大增加了負荷恢復供電時間。

針對35 kV斷路器跳合閘線圈存在的這一問題，研制了一種能夠實時監(jiān)控線圈動作電流、溫度，并在故障時及時斷開線圈回路的實時測控保護裝置，提高了斷路器的運行可靠性。

1 線圈實時測控保護裝置構架

裝置的系統(tǒng)原理如圖1所示，以單片機作為計算與控制核心，通過測溫模塊實時檢測線圈溫度，使用電流檢測模塊檢測線圈電流。為提高保護模塊工作的可靠性，設計了2套保護（見圖2）：第1套為定時限電流保護，通過設定線圈的最長通流時間T1實現(xiàn)對線圈的保護功能，此保護動作后，經過一定時間延時T2后，自動復歸；第2套為線圈過溫保護，通過測量線圈的實時溫度與保護溫度設定值進行比較實現(xiàn)，此保護動作后，說明線圈合閘回路出現(xiàn)嚴重故障，需要現(xiàn)場檢查，手動復歸。與此同時，裝置將記錄故障時刻、故障溫度、故障電流和通流時長等，并形成報警信息。

圖1 裝置系統(tǒng)框圖

圖2 裝置保護邏輯框圖

2 線圈實時測控保護裝置設計

2.1 裝置硬件設計

裝置的硬件主要包括單片機、電源模塊、實時時鐘模塊、測溫模塊、電流檢測模塊、液晶顯示模塊和大功率開關模塊7大部分。

單片機型號為C8051F020，其運算速度快，內存大，有64個I/O口，內置高精度ADC/DAC和定時器，支持22個中斷源，符合裝置設計要求。

裝置電源模塊采用輸入電壓為220 V交直流兩用及輸出電壓為5 V的通用電源模塊，具有體積小、在裝置安裝場所電壓容易獲得以及輸出電壓線性、穩(wěn)定的優(yōu)點。

實時時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片，DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，采用三線串行接口方式，可提供年、月、日、星期、時、分和秒等時間信息[2]，工作電壓寬，達到2．5～5．5 V，且采用雙電源供電，如圖3所示，BT1為備用電源。所以DS1302時鐘模塊可以做到掉電不間斷計時，大大提高了系統(tǒng)計時的可靠性和準確性。

圖3 DS1302外部接線

測溫模塊由單片K型熱電偶和MAX6675芯片電路組成，其原理圖如圖4所示。熱電偶是一種感溫元件，把溫度信號轉換成熱電動勢信號，具有測量精度高、熱響應時間快、測量范圍－40～+ 1 600℃、性能可靠、機械強度好、使用壽命長等優(yōu)點。MAX6675是K型熱電偶信號放大與數(shù)字轉換器，將溫度測量值轉換成計算機能夠識別的16位二進制數(shù)字溫度讀數(shù)，轉換誤差為0．25℃，可實現(xiàn)0～1 023．75℃范圍內溫度的轉換[3]，而且具有SPI串行口溫度輸出，可直接與單片機連接。

圖4 熱電偶測溫電路

電流檢測模塊采用HCS－LSP3額定電流20 A的閉環(huán)霍爾電流傳感器，具有2．5～5 V電源供電、穿心式結構、將電流量轉換成電壓量輸出的特點，可以直接使用單片機內設的ADC模塊進行采集，并計算出相應的電流值?；魻栯娏鱾鞲衅鹘泳€如圖5所示。

圖5 霍爾電流傳感器接線

液晶顯示模塊使用J12864液晶模塊，可顯示字符和圖形，且內置8 192個中文漢字，滿足裝置顯示要求。

35 kV斷路器線圈的額定工作電壓通常為DC 110 V或220 V，動作電流通常小于10 A，所以普通的繼電器、開關器件無法滿足設計要求，且繼電器具有開斷速度慢的缺點，會對斷路器分合閘時間造成較大影響。鑒于此，裝置設計了一種場效應管開關電路作為大功率開關模塊，以控制線圈回路的通斷。設計選用了IRFP460型場效應管，其最大工作電壓可達500 V，最大工作電流為20 A，滿足現(xiàn)場工作環(huán)境的需求，且響應快、開斷電流無電弧、可靠性高；又由于線圈回路屬于高電壓、大電流回路，直接使用單片機控制場效應管通斷線圈回路可能會造成單片機損壞，因此，在單片機和場效應管之間使用體積小、隔離電壓高的P127型光耦隔離元件，增加了設備運行可靠性。其原理圖如圖6所示。

圖6 大功率開關電路原理

2.2 裝置軟件程序設計

裝置的單片機程序主要完成對熱電偶溫度、實時時鐘芯片時間、霍爾電流傳感器測量電流的讀取，并將讀取的信息顯示在液晶屏上。為了提高所檢測溫度值和電流值的精度，在溫度、電流檢測中斷程序中，采用取多點平均的方法進行計算，有效提高了測量的準確度和抗干擾能力。

軟件流程如圖7所示。當線圈通電動作時，單片機實時比較熱電偶測得的線圈溫度T和設定溫度Tset，當實時溫度T大于設定溫度Tset時，單片機控制大功率開關電路關斷線圈回路，在顯示屏上顯示當前時間和溫度值并報警；同樣，線圈通電時開啟定時器，記錄線圈的通流時間time和電流大小I，time大于設定值Ti時，單片機控制大功率開關電路關斷線圈回路，在液晶屏上顯示當前時間、通流時間Ti和電流值I，并報警。

圖7 單片機工作流程

3 斷路器線圈特性試驗與定值整定

由于溫度是一種慣性較大的物理量，不是一個突變量，當線圈通電后，其溫度不會立刻達到最大值，需要一定的溫升過程；另外，線圈的電阻會隨溫度的升高而增大（此溫度小于線圈燒毀溫度臨界值），流過線圈的電流會逐漸減小。根據(jù)溫度慣性大、線圈電阻受溫度影響的特性制定以下試驗方案：將可調直流穩(wěn)壓電源輸出直接連接線圈，在線圈上安裝好測溫傳感器和電流檢測傳感器，調整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓為220 V，按下輸出按鈕，開始計時，記錄此時的電流值I1，到達試驗通電時間t0時，再記錄此時的電流值I2，同時迅速切斷電源，記錄斷電后線圈能達到的最大溫度值T，即為線圈在該電壓和通電時長下的正確溫升。試驗室溫為25℃，I1為剛通電時流過線圈的電流，在沒有溫升的情況下，即每組通電時間試驗的I1相等，I1=2.33 A。詳細數(shù)據(jù)如表1所示，線圈電流、溫度與時間的關系曲線見圖8、圖9。

通過圖8和圖9的分析，當通流時長達到105 s時，線圈電流突然增大，線圈燒毀，此時的線圈溫度為133.5℃。

根據(jù)實驗結果，考慮實際正常斷路器的動作時間，對裝置內2套保護定值進行設定：第1套定時限電流保護的電流定值設定為0.2 A，時間定值T1設定為5 s，自動復歸時間定值T2為20 s；第2套溫度保護過溫定值設定為70℃，該保護動作后，不能自動復歸，需技術人員現(xiàn)場檢查處理后，手動復歸。

表1 線圈特性試驗數(shù)據(jù)

圖8 線圈時間-電流曲線

圖9 線圈時間-溫度曲線

4 結語

研制了一種35 kV斷路器跳合閘線圈實時監(jiān)控保護裝置，裝置除具備斷路器分、合閘過程中線圈溫度、動作電流及線圈狀態(tài)等實時監(jiān)控功能外，還重點設計并實現(xiàn)了基于線圈電流及溫度的雙重保護方案，有效防止了跳合閘線圈的燒毀事故，明顯減少了斷路器的修復時間，提高了配電網供電可靠性。

目前裝置還不具備通信功能，下一步重點工作是實現(xiàn)裝置與變電站后臺測控系統(tǒng)的實時通信，實現(xiàn)對斷路器狀態(tài)的遠程監(jiān)控，進一步提高檢修效率，確保配電網的穩(wěn)定運行。

[1]胡浩，侯慧軍.斷路器合閘線圈燒毀的原因分析與對策[J].電力安全技術，2014，16（4）:26-28.

[2]王晨光，孫運強.串行時鐘芯片DS1302在溫度測量記錄儀表中的應用[J].電子測試，2008，（12）:65-75.

[3]江和，田曉科.MAX6675在各種型號熱電偶溫度測量中應用[J].電子測量技術，2004，（4）:31-33.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]王樹聲.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2010.

[6]吳凌燕，陳世夏，丁國臣.基于C8051F020的液晶顯示應用研究[J].儀表技術，2009，（1）:36-38.

[7]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

（本文編輯：楊勇）

Development of Real-time Measurement and Protection Device for Tripping Coil of 35 kV Breaker

JIN Hui，ZHANG Gaochao，LIU Jibo，YING Haijue，LIU Huawen
（State Grid Wencheng Power Supply Company，Wencheng Zhejiang 325300，China）

The tripping coil of 35 kV breaker is frequently burned out.Therefore，a coil measurement and protection device is developed.The device uses single-chip microcomputer（SCM）system to control the temperature measurement module and uses current detection module for real-time measurement of coil temperature and coil current，for the purposes of overtemperature protection of coil and long-term throughflow protection.In case the throughflow time exceeds the set value，high-power switch module is used to disconnect the coil loop and real-time clock module is used for fault time record and LCD display so as to protect the coil and record coil fault information.

breaker；switch-on；coil；temperature；current；throughflow time；protection

TM561

：B

：1007-1881（2016）03-0014-04

2015-12-18

金慧（1975），女，工程師，從事變電站設備運維、檢修技術管理工作。