劉旭東,李 輝,趙建峰

(1.營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 115000;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,武漢 430074;3.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司朝陽(yáng)熱電有限公司,遼寧 朝陽(yáng) 122008)

斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)及仿真

劉旭東1,李 輝2,趙建峰3

(1.營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營(yíng)口 115000;2.中國(guó)電力科學(xué)研究院,武漢 430074;3.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司朝陽(yáng)熱電有限公司,遼寧 朝陽(yáng) 122008)

設(shè)計(jì)一種基于DSP控制的分布式斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置,對(duì)斷路器的物理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),系統(tǒng)地介紹了裝置的軟、硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)斷路器進(jìn)行閾值預(yù)設(shè)定,能及時(shí)反應(yīng)斷路器現(xiàn)場(chǎng)的電壽命、機(jī)械特性和溫度等狀態(tài),給出斷路器運(yùn)行狀態(tài)為正常、預(yù)警、故障或急停。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此裝置有較強(qiáng)的高速采集處理能力和通信能力。

狀態(tài)辨識(shí);在線監(jiān)測(cè);斷路器;電磁兼容

高壓斷路器在高壓電路中起控制作用,是高壓電路中重要的電氣設(shè)備之一。對(duì)于投入運(yùn)行或處于備用狀態(tài)(熱備用和冷備用)的高壓斷路器必須定期巡視檢查,但由于作業(yè)人員定期巡檢不到位,導(dǎo)致斷路器故障多發(fā),嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

斷路器狀態(tài)檢修是指對(duì)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析。斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)為斷路器狀態(tài)檢修提供實(shí)時(shí)在線狀態(tài)參量[3-5]。通過(guò)主要狀態(tài)辨識(shí)對(duì)斷路器進(jìn)行在線測(cè)量,并與在日常檢查中記錄斷路器正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)辨識(shí)量進(jìn)行比較,判斷斷路器的正常、預(yù)警、故障、急停等信息。

1 高壓斷路器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 高壓斷路器的結(jié)構(gòu)

高壓斷路器結(jié)構(gòu)主要由絕緣部分、導(dǎo)電部分、傳動(dòng)部件、介質(zhì)滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)和框架組成[6]。例如:真空滅弧室主要由動(dòng)靜觸頭、屏蔽罩、動(dòng)靜導(dǎo)電桿、波紋管及外殼等部件組成為一個(gè)整體,不能拆裝,損壞時(shí)應(yīng)整個(gè)調(diào)換。

1.2 高壓斷路器的工作原理

(1)合閘過(guò)程:操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘線圈通電,合閘鐵芯被吸合,通過(guò)拐臂及連桿使真空滅弧室的動(dòng)導(dǎo)電桿運(yùn)動(dòng),將斷路器合閘。

(2)分閘過(guò)程:當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘線圈通電,分閘鐵芯被吸合,使鎖口釋放,斷路在分閘彈簧的作用下迅速分?jǐn)唷?/p>

(3)滅弧過(guò)程:真空斷路器的動(dòng)靜觸頭上開(kāi)有螺旋槽,使在電弧的軸向上外加一橫向磁場(chǎng),當(dāng)驅(qū)動(dòng)電弧(對(duì)于大容量的真空斷路器為縱向磁場(chǎng)),使電弧高速旋轉(zhuǎn),避免觸頭過(guò)熱。

1.3 高壓斷路器狀態(tài)辨識(shí)

真空斷路器的狀態(tài)辨識(shí)量主要有電壽命、機(jī)械特性、溫度特性等;六氟化硫(SF6)斷路器和GIS(gas-insulated metal-enclosed switchgear)的狀態(tài)辨識(shí)量主要有電壽命、機(jī)械特性、溫度特性、SF6微水特性和氣密性等[7-8]。斷路器故障統(tǒng)計(jì)顯示:機(jī)械故障占到總故障的65%,本文重點(diǎn)關(guān)注中、高壓斷路器的電壽命參量,機(jī)械狀態(tài)量和溫度狀態(tài)量的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究。

1.4 斷路器的機(jī)械特性

斷路器運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障,操動(dòng)機(jī)構(gòu)所占比例最大,所以操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。如采用彈簧液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器,選用霍爾電流傳感器對(duì)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作線圈的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。將監(jiān)測(cè)的線圈電流信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比,如超出預(yù)警,提醒運(yùn)行人員進(jìn)行檢修。主觸頭行程的動(dòng)態(tài)測(cè)量采用光電位移傳感器,與斷路器正常設(shè)置的速度、開(kāi)距、超程量進(jìn)行對(duì)比,對(duì)斷路器的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障預(yù)警。

1.5 斷路器閾值預(yù)設(shè)定

高壓斷路器的狀態(tài)檢修閾值的標(biāo)定目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定人員多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定各個(gè)閾值預(yù)設(shè)值。

高壓斷路器的機(jī)械特性主要參數(shù)有:合、分閘時(shí)間,合、分閘不同期,燃弧時(shí)間,觸頭行程位移量等。

電壽命是斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的另一個(gè)重要參數(shù)。主要參數(shù)有:開(kāi)斷電流(又叫燃弧電流),開(kāi)斷時(shí)間,開(kāi)斷次數(shù)等。

觸點(diǎn)溫度升高,接觸表面快速氧化,長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生電弧放電,也是斷路器發(fā)生故障的主要原因。觸頭溫度也作為重要的閾值預(yù)設(shè)值。

2 硬件平臺(tái)

斷路器狀態(tài)的主要辨識(shí)參數(shù),其辨識(shí)量獲取的主要傳感器為:羅氏線圈、光電位移傳感器、無(wú)線無(wú)源測(cè)溫探頭等,通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),把電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),進(jìn)行傳輸、運(yùn)算和存儲(chǔ)。

2.1 DSP處理器模塊

硬件平臺(tái)采用TI公司的TMS320LF2407作采集計(jì)算處理器,為解決CPU數(shù)據(jù)處理瓶頸問(wèn)題,CPU處理器采用(DSP+MCU)架構(gòu),確保系統(tǒng)高速可靠運(yùn)行。系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì),運(yùn)算處理單元、采集單元、通信單元、I/O單元都獨(dú)立設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 采集模塊

采集模塊是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵,被測(cè)模擬信號(hào)通過(guò)母線和分合閘線圈上的羅氏線圈互感器變換后,再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波后送給A/D進(jìn)行采樣,并由DSP對(duì)采集到的數(shù)字量進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理。

2.3 通訊模塊

斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),需要高速通信能力,將SCADA數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器或信息處理中心。隨著智能電網(wǎng)的實(shí)施和多種智能組件的接入,以太網(wǎng)已經(jīng)成為系統(tǒng)必須具備的通訊接口,IEC61850協(xié)議成為智能組件必須具備的通信方式。因此,將以太網(wǎng)通訊作為本硬件裝置對(duì)外的主要通信接口。以太網(wǎng)控制器采用Realtek公司的第三代快速以太網(wǎng)控制芯片RTL8019,它支持Ethernet II 和IEEE61850標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)嵌16Kbit SRAM,可以通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)在雙絞線上實(shí)現(xiàn)10Mbps同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),具有16位數(shù)據(jù)線接口和20位地址線接口,支持8位或16位的數(shù)據(jù)模式,支持跳線和免跳線兩種模式,支持8條線路中斷請(qǐng)求,支持3種標(biāo)準(zhǔn)電源關(guān)閉模式。以太網(wǎng)通信原理圖如圖2所示。

采用跳線工作方式(即網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線決定);JP引腳接高電平,選擇16位數(shù)據(jù)總線;S3C44B0X處理器通過(guò)4條地址線A0～A3選擇RTL8019的寄存器地址和存儲(chǔ)器地址,控制并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取;通過(guò)可編程邏輯器件(PSD4235G2)對(duì)RTL8019的片選信號(hào)進(jìn)行控制。RTL8019以太網(wǎng)芯片不能單獨(dú)工作,還必須有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器在RJ-45接口和RTL8019中間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

圖2 以太網(wǎng)通信模塊原理圖

硬件設(shè)計(jì)采用(DSP+MCU)架構(gòu),很好地解決了多通道采集并實(shí)時(shí)運(yùn)算的問(wèn)題,DSP和MCU通過(guò)雙口RAM進(jìn)行通信,使裝置具有更強(qiáng)大的處理能力和通信能力,確保系統(tǒng)高速可靠運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上用VC++開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)應(yīng)用程序,系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)。程序編寫思路清晰,移植性好。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序框圖如圖3所示。系統(tǒng)自檢后,首先進(jìn)行初始化:定義各引腳輸入輸出方向,設(shè)置各計(jì)數(shù)器初始值,讀取運(yùn)行期間的存儲(chǔ)指紋波和整定值;然后進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)判別,開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣,再根據(jù)各種波形和整定值大小,逐一比較確定故障類型,調(diào)用故障中斷子程序進(jìn)行處理,并把此故障類型和時(shí)間存儲(chǔ)在E2ROM中,以便對(duì)故障進(jìn)行分析。并把故障數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖單元,調(diào)用通信中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

圖3 主程序流程圖

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

用戶界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、清晰,便于操作。主界面(監(jiān)控界面)可顯示系統(tǒng)的閾值預(yù)設(shè)定,斷路器運(yùn)行狀態(tài);參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定閾值參數(shù);報(bào)警界面顯示報(bào)警情況及詳細(xì)記錄查詢;數(shù)據(jù)分析界面可將采集到的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果顯示查詢,也可以數(shù)據(jù)和圖表的形式顯示在界面上;通訊設(shè)定界面設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)及通訊相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 電磁兼容

斷路器運(yùn)行環(huán)境電磁污染嚴(yán)重,污染源包括電力網(wǎng)絡(luò)中的諧波和主線路開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電磁輻射和真空開(kāi)關(guān)的射線輻射、驅(qū)動(dòng)線路的電磁輻射等,

設(shè)計(jì)中著重考慮系統(tǒng)抗干擾問(wèn)題?？垢蓴_的處理從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面加以改善和提高。

1)硬件抗干擾

電磁干擾的防治主要包括線路合理的布線,做好電磁屏蔽,以及盡力減小回路面積等。此系統(tǒng)采用電磁屏蔽、濾波、合理布線等防治方法。

2)軟件抗干擾

信號(hào)采集的精度和處理的實(shí)時(shí)性是提高智能監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)精確判斷和動(dòng)作的前提,然而信號(hào)采集受環(huán)境因素影響很大,利用小波變換技術(shù)結(jié)合改進(jìn)傅氏算法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理,可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

5 試驗(yàn)采集

采集試驗(yàn)對(duì)斷路器的端子溫度、機(jī)械特性和分合閘線圈電流等進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。

機(jī)械特性試驗(yàn)在VSl型12 kV-1250A-31.5kA真空斷路器上進(jìn)行,該型斷路器的出廠參數(shù)中觸頭開(kāi)距為:11±1mm,超程:3±0.3mm,平均合閘速度(開(kāi)距最后的33%)為:0.5～0.8m/s,平均分閘速度(起始到75%開(kāi)距)為:0.9～1.2m/s;分合閘試驗(yàn)時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,見(jiàn)表1和表2。重合閘操作時(shí)的機(jī)械特性曲線如圖5所示,圖中曲線1、2、3分別表示A相、B相和C相分合閘時(shí)間,可得出分合閘的不同期性,曲線4為觸頭的分-0.3S-合分的行程曲線,曲線5為分閘線圈電流,曲線6為合閘線圈電流。

表1 合閘時(shí)的機(jī)械特性

表2 分閘時(shí)的機(jī)械特性

圖5 斷路器機(jī)械特性的曲線圖

通過(guò)對(duì)分合閘線圈電流和觸頭行程曲線的監(jiān)測(cè),依據(jù)多次分合閘正常時(shí)的曲線來(lái)設(shè)置適當(dāng)?shù)陌j(luò)線,可以監(jiān)測(cè)出斷路器機(jī)械系統(tǒng)的潛伏故障,避免對(duì)下次短路電流開(kāi)斷造成更大事故。

為驗(yàn)證系統(tǒng)溫度部分的監(jiān)測(cè)性能,采用熱電偶與無(wú)線探頭測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為VS1斷路器與母排接線處,用大電流發(fā)生器對(duì)母排進(jìn)行加熱,無(wú)線測(cè)溫傳感器和熱電偶同時(shí)監(jiān)測(cè)母排溫度的變化,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溫度試驗(yàn)結(jié)果 ℃

短路電流大小的測(cè)量,在合成回路試驗(yàn)室對(duì)短路電流進(jìn)行在線測(cè)量,測(cè)量值為21kA。與示波器捕獲參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,示波器參數(shù)如圖6所示,電流峰值為29.2kA,有效值為20.7kA,弧后恢復(fù)電壓峰值為70.4kV。測(cè)量電流誤差為0.3kA,在線監(jiān)測(cè)值可以做為電壽命評(píng)估用的電流值。

圖6 短路電流和弧后電壓值

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出,此斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí),準(zhǔn)確。以(DSP+MCU)架構(gòu)的硬件系統(tǒng),比現(xiàn)今使用的大多數(shù)單片機(jī)開(kāi)發(fā)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更好,可同時(shí)采集多路信號(hào),和高運(yùn)算能力可配合復(fù)雜算法,提高測(cè)量的精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于DSP硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置具有多路模擬量的高速采集處理能力和通信能力。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值或指紋波,能及時(shí)反應(yīng)斷路器現(xiàn)場(chǎng)的電壽命、機(jī)械特性和溫度等狀態(tài),

正確判斷斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)采集,數(shù)

據(jù)分析,論證了此裝置在斷路器在線監(jiān)測(cè)中的有

效性,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]郎福成,徐建源,林莘.真空斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)[J].東北電力技術(shù),2005,26(1):12-15.

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

The Design and Simulation of Circuit Breaker Monitoring Equipment

LIU Xudong1,LI Hui2,ZHAO Jianfeng3

(1.Yingkou Vocational and Technical College,Yingkou 115000,China;2.China Electric Power Research Institute,Wuhan 430074,China;3.GD Power Development Company of Limited Chaoyang Power Plant,Chaoyang 122008,China)

A dual-CPU distributed circuit breaker system is designed,which offers a real-time monitoring of the state of the breaker.The details of hardware and software structure are described.Setting a threshold on the circuit breaker,the state of electrical life,mechanical properties and temperature can be obtained to show the datas of normal,warning, failure or emergency stop.The results show this equipment has an ability to collect datas at high speed. Key words： state recognition;online monitoring;circuit breakers;EMC

2016-11-04

國(guó)家科技部支撐計(jì)劃(2009BAA19B00)；國(guó)網(wǎng)公司重點(diǎn)科研項(xiàng)目(SG0846)

劉旭東(1979—)，男，講師，研究方向：高壓電器和電能質(zhì)量。

1003-1251(2017)03-0065-05

TM561

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