米杰 陳以

【摘要】斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障是斷路器主要故障之一，對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可提高斷路器工作的可靠性。敘述了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)常見故障，提出了以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心的電路設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了故障診斷分析。

【關(guān)鍵詞】配電線路；斷路器；在線監(jiān)測(cè)；電流信號(hào)

引言

斷路器在電力系統(tǒng)中是重要的控制和保護(hù)設(shè)備，是高壓電器中最重要的一類電器[1]。斷路器性能關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，斷路器本身價(jià)格不算高，但其本身故障造成的損失已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過斷路器本身的價(jià)格，比如造成其它設(shè)備的損壞和電力系統(tǒng)的停電，因而需要對(duì)斷路器作定期檢修以保證其可靠性。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，斷路器數(shù)量在逐年增加，定期檢修的工作量大、費(fèi)用高等弊端已顯現(xiàn)出來，因此狀態(tài)監(jiān)測(cè)便應(yīng)運(yùn)而生。狀態(tài)監(jiān)測(cè)可及時(shí)了解斷路器的工作狀態(tài)、故障部位，使檢修人員能有針對(duì)性地對(duì)斷路器進(jìn)行檢修。

1.彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)常見故障

a） 合分閘控制回路斷線。航插松動(dòng)、控制電纜頭與航插斷開、斷路器接線端子松動(dòng)、斷路器行程開關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)異常等原因造成斷路器無(wú)法遙控；

b） 合跳閘線圈燒壞。合分閘機(jī)構(gòu)卡澀、斷路器行程開關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)異常等原因造成合跳閘線圈燒壞，斷路器無(wú)法遙控；

c） 彈操機(jī)構(gòu)未儲(chǔ)能。儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)卡澀、輔助節(jié)點(diǎn)異常等原因造成儲(chǔ)能彈簧無(wú)法拉緊，斷路器不能合閘。

本文提出了一種針對(duì)以上三種故障的在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)思路，在不引起斷路器的成本增加、不降低斷路器可靠性的前提下，能及時(shí)監(jiān)測(cè)到故障發(fā)生。

2.在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件框圖

如圖1所示，通過傳感器采集電流信號(hào)，經(jīng)“信號(hào)處理電路”模塊處理后，由DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）芯片自帶的AD（數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，“回路斷線監(jiān)測(cè)電路”的信號(hào)傳入DSP，DSP根據(jù)采集到的各種信號(hào)，判斷所監(jiān)測(cè)設(shè)備是否正常。圖1中，ADC即模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，IO是數(shù)字信號(hào)輸入輸出接口，JTAG是仿真器接口，用來給DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）錄入程序。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件框圖

2.2 采集電流傳感器

傳感器采用錳銅分流器，分流器是一個(gè)可通過大電流的精確電阻，當(dāng)電流流過分流器時(shí)，在它兩端就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)毫伏級(jí)電壓，于是通過測(cè)量這個(gè)電壓，再將這個(gè)電壓換算成電流，就完成了大電流的測(cè)量。

2.3 信號(hào)處理電路

電流經(jīng)錳銅分流器后，需采集的差模電壓信號(hào)僅是毫伏級(jí)，較大的共模電壓對(duì)測(cè)量無(wú)用。因此，應(yīng)采用運(yùn)算放大器來放大兩輸入端信號(hào)的差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。實(shí)現(xiàn)方法有兩種：a） 由3個(gè)運(yùn)算放大器組成的三運(yùn)放儀表放大電路；b） 采用專用的集成芯片。

組合的三運(yùn)放儀表放大器如圖2所示，U1、U2、U3為放大器；R、R1、R2、Rf分別為電阻，不同的符號(hào)，代表電阻值大小不同，作用都是讓各個(gè)結(jié)點(diǎn)的電壓不同，Ω；UI1為放大器U1的輸入電壓，V；UI2為放大器U2輸入電壓，V；UO1、UO2、UO分別為U1、U2、U3的輸出電壓，V。

圖2 三運(yùn)放儀表放大器電路

根據(jù)運(yùn)算電路的基本算法分析：

雖然三運(yùn)放儀表放大器的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但輸入阻抗、共模抑制比等特性受匹配電阻影響很大。而采用專用的集成芯片則無(wú)需考慮這些問題，僅需1個(gè)電阻或引腳來配置增益即可。

本文信號(hào)處理電路采用集成芯片INA826儀表放大器，其引腳配置如圖3所示，REF（參考電壓）引腳通常接地，+VS與-VS為電源引腳，+IN與-IN為信號(hào)輸入引腳，放大器的倍數(shù)通過電阻RG來控制。

圖3 信號(hào)處理電路

放大倍數(shù)公式為： ，（3）

式（3）中，G為放大倍數(shù)；RG為控制放大倍數(shù)的電阻，Ω。

經(jīng)過放大后的電壓從VOUT（電壓輸出端）輸出傳給DSP的模擬信號(hào)輸入通道，由DSP內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.4 分合閘斷線監(jiān)測(cè)電路

分合閘回路的電壓高于DSP所能承受的電壓，所以需要光耦元件隔離。光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了"電-光-電"轉(zhuǎn)換[2]。由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛應(yīng)用[3]。電路圖如圖4所示，R為控制DSP端電壓的電阻，Ω；C為電容，F(xiàn)。

圖4 分合閘斷線監(jiān)測(cè)電路

3.故障診斷分析

3.1 分合閘回路斷線故障診斷分析

合閘控制回路斷線監(jiān)測(cè)的原理圖如圖5所示。U為合閘控制回路電壓，GND為合閘控制回路地線，HC為合閘線圈，DL為輔助接點(diǎn)，YH為合閘開關(guān)，當(dāng)斷路器在分閘狀態(tài)時(shí)，DL為閉合狀態(tài)。當(dāng)合閘開關(guān)閉合時(shí)，如果整個(gè)控制回路正常，則HC得電，驅(qū)動(dòng)合閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作，斷路器合閘，合閘結(jié)束后，輔助接點(diǎn)斷開，HC斷電。如果控制回路中有斷開點(diǎn)，則HC無(wú)法得電，斷路器拒動(dòng)。

用光耦和電阻R串聯(lián)后并接在YH兩端，即便YH平時(shí)打開，只要控制回路中沒有斷開點(diǎn)，就會(huì)有電流流過整個(gè)控制回路，這個(gè)電流的大小可通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值來調(diào)整，使之維持在很低的范圍，既不會(huì)誤驅(qū)動(dòng)HC，又能使光耦中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，終端DSP采集到低電平，認(rèn)為控制回路正常。如果控制回路中有異常斷開點(diǎn)，則光耦中的發(fā)光二極管滅，光敏三極管截止，終端DSP采集到高電平，認(rèn)為控制回路斷線，發(fā)出報(bào)警信息。

圖5 合閘控制回路斷線監(jiān)測(cè)的原理圖

以上所述為合閘控制回路監(jiān)測(cè)原理，分閘控制回路監(jiān)測(cè)的原理相同，只是在斷路器處于合位時(shí)，再進(jìn)行分閘控制回路監(jiān)測(cè)。

3.2 分合閘電流與儲(chǔ)能電機(jī)電流波形分析

相同型號(hào)、相同環(huán)境下的分合閘與儲(chǔ)能電機(jī)，其狀態(tài)是相似的。因此可利用已知的正常分合閘電流數(shù)據(jù)擬合出理想電流曲線，本文使用的是最小二乘法曲線擬合。

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可簡(jiǎn)便地求得未知數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小[4]。簡(jiǎn)單來說，已知有限多個(gè)點(diǎn)（xi，yi），這些點(diǎn)代表實(shí)際數(shù)據(jù)，由于實(shí)際數(shù)據(jù)分布并不呈線性，要找出規(guī)律很難，人們想到求出一條線，代表理想數(shù)據(jù)，使所有點(diǎn)到這條線的距離最小，也就是所有實(shí)際數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)誤差最小，這條線就叫擬合曲線，對(duì)于m個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)，設(shè)：

y=a0+a1x+a2x2+……+anxn，（4）

式（4）為數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)y與數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)x關(guān)系的方程式，其可代表擬合曲線；a0、a1、a2 ……an為方程系數(shù)。

誤差平方和如下：

，（4）

式（4）中，R2為誤差平方和，xi和yi分別為各實(shí)際點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，按照誤差平方和最小原則（誤差平方和越小說明誤差越?。瑢?duì)各個(gè)待定系數(shù)a0、a1、a2 ……an求偏導(dǎo)數(shù)，使之都等于0。

，（5）

將等式寫成矩陣形式

m為實(shí)際點(diǎn)數(shù)量，a0、a1、a2 ……an為方程系數(shù)，xi和yi分別為各實(shí)際點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。當(dāng)n=1時(shí)，擬合線為直線，當(dāng)n≥2時(shí)，擬合線為曲線。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較多時(shí)，擬合方程階數(shù)較低時(shí)，擬合曲線精度不理想，但階數(shù)太高又會(huì)帶來計(jì)算上的復(fù)雜性，所以一般采用分段曲線擬合，把數(shù)據(jù)分段再擬合[5]。從理想電流曲線中取得理想數(shù)據(jù)組A（n），再與實(shí)際電流采樣數(shù)據(jù)組B（n）求差，差值越小說明實(shí)際電流越接近于正常。由此可設(shè)定一個(gè)臨界值，當(dāng)差值大于臨界值時(shí)表明電流異常，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.3 分合閘與儲(chǔ)能電機(jī)卡滯分析

當(dāng)分合閘電流及儲(chǔ)能電機(jī)電流值大于0時(shí)，DSP計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，到電流時(shí)重新變?yōu)?時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，通過理想電流曲線可知正常分合閘動(dòng)作時(shí)間，由此可設(shè)定1個(gè)臨界值，當(dāng)實(shí)際動(dòng)作時(shí)間大于臨界值表明設(shè)備存在卡滯，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如果分合閘和儲(chǔ)能電機(jī)沒有完全卡死，仍然完成動(dòng)作，可以通過電流波形判斷是否存在故障隱患。

4.結(jié)語(yǔ)

通過分析配電線路上的斷路器分合閘及儲(chǔ)能電機(jī)電流波形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采集電流信號(hào)的電路，再對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行分析處理，經(jīng)過測(cè)試研究，此方法可判斷出斷路器是否存在機(jī)械故障以及故障原因，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器運(yùn)行過程中存在的隱患，然后進(jìn)行必要檢修，為日常維護(hù)提供可靠的依據(jù)。具有一定的先進(jìn)性及很好的實(shí)用性，可應(yīng)用到具體的電力系統(tǒng)工程實(shí)踐當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

米杰，1988年生，男，河北石家莊人，2010年畢業(yè)于河北工程大學(xué)電氣工程自動(dòng)化專業(yè)，在讀碩士。