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(yáng)供電局，貴州 貴陽(yáng) 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(guò)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(zhǎng)，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(guò)程中給運(yùn)行與檢修人員帶來(lái)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(guó)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(zhǎng)期帶電。根據(jù)中國(guó)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(zhǎng)期帶低壓電，導(dǎo)致合閘線圈燒損。或者斷路器保護(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(guò)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(zhǎng)期帶電，致使合閘線圈燒損，具體原理如圖1所示。圖1為國(guó)內(nèi)常用的某型號(hào)斷路器操作箱原理圖。作如下說(shuō)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(guò)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(zhǎng)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiǎn)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(guò)電壓型霍爾傳感器來(lái)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(guò)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(guó)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(jiǎn)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(guò)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(lái)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(lái)存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)和動(dòng)作事件；控制回路主要用來(lái)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(yǔ)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(guò)《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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(yǔ)

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(guò)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(guò)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(guò)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)。