?？?，應(yīng)宇鵬，馬秀林，王家琪，趙文東

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

高壓斷路器具備完善的滅弧結(jié)構(gòu)和足夠的斷流能力［1］，一方面可用于切斷或接通高壓電路中的空載電流及負(fù)荷電流，另一方面當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可利用斷路器快速切斷故障電流［2-4］。通常將斷路器的分閘線圈和合閘線圈接入具有一定邏輯功能的控制回路中，從而實(shí)現(xiàn)控制高壓斷路器分閘和合閘操作的功能［5］。當(dāng)控制回路中的電纜接觸不良或松動(dòng)斷線時(shí)，會(huì)增大控制回路的總阻抗，當(dāng)回路的總阻抗達(dá)到一定閾值時(shí)，回路中通過分閘線圈（或合閘線圈）的功率不足以使其正常勵(lì)磁，導(dǎo)致無法正常進(jìn)行分閘或合閘操作，即斷路器拒動(dòng)［6-8］。由此可見，控制回路的電纜接觸情況對(duì)維持高壓斷路器正常工作具有重要意義。

但是，控制回路中電纜接線接觸不良故障難以被發(fā)現(xiàn)或判斷［9］。一方面，控制回路電纜接觸不良時(shí)，斷路器仍可能順利完成分閘（或合閘），接觸不良現(xiàn)象具有隱蔽性，且由于控制回路兩端帶有正負(fù)直流電源，運(yùn)行狀態(tài)下也無法直接測(cè)量導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)間的電阻值，導(dǎo)致接觸不良故障在日常的故障檢測(cè)中難以被發(fā)現(xiàn)［10］；另一方面，即便出現(xiàn)因電纜接線接觸電阻過大導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)的情況，運(yùn)維人員在進(jìn)行異常分析時(shí)，也難以真實(shí)還原斷路器拒動(dòng)時(shí)的接線松動(dòng)場(chǎng)景，意味著無法確切得知斷路器拒動(dòng)的原因是否是由于電纜線接觸不良，給控制回路故障的分析帶來困難［11-12］。

針對(duì)斷路器控制回路的監(jiān)測(cè)及故障判斷問題，現(xiàn)有研究已提出了一些方法和改進(jìn)措施。文獻(xiàn)［13］研制了一種快速判斷開關(guān)回路故障范圍的智能終端，通過采集控制回路合閘和分閘出口處端子的電壓，根據(jù)電壓變化的情況，判斷故障的部位和大致范圍。文獻(xiàn)［14］在控制回路斷線高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)之間加裝非接觸式電壓測(cè)量傳感器，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)回路上各點(diǎn)電位，達(dá)到對(duì)控制回路全時(shí)段監(jiān)控及斷線點(diǎn)定位的目的。然而該方法僅依靠電位檢測(cè)原理，無法準(zhǔn)確感知電位的變化系“斷線”故障還是因斷路器運(yùn)行狀態(tài)的改變，同時(shí)其僅能監(jiān)視確定地點(diǎn)的部分控制回路的連通性，監(jiān)視的全面性受到限制。文獻(xiàn)［15］基于現(xiàn)有斷路器控制回路的局限性，提出在控制回路中加裝延時(shí)輔助聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)斷路器的全工況監(jiān)視。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于此方法在控制回路中接入了其他器件，當(dāng)該器件故障時(shí)存在導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［16］研制了高壓斷路器控制回路智能防燒模塊，通過電流型霍爾元件采集控制回路電纜中電流，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)到的分/合閘電流明顯大于正常的分合閘電流時(shí)，立即切除分/合閘回路，從而保護(hù)設(shè)備和電氣元件不受到損壞。然而該方法僅對(duì)電纜中電流進(jìn)行簡(jiǎn)單的采集判斷，沒有實(shí)現(xiàn)控制回路監(jiān)測(cè)和故障在線分析的功能。

本文基于高壓斷路器控制回路阻抗研制了一種故障分析裝置，通過霍爾電流傳感器采集控制回路中流過的電流，并根據(jù)采集到的電流間接計(jì)算出控制回路的阻抗，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行狀態(tài)下通過阻抗的大小判斷控制回路是否有電纜接觸不良的功能，并能夠根據(jù)不同采集時(shí)刻的采樣信號(hào)判別因接觸不良導(dǎo)致故障的具體情況，解決了難以確定是否因電纜接觸不良導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)的困難，有利于運(yùn)維人員快速針對(duì)具體情況進(jìn)行維護(hù)檢修。

1 控制回路故障分析裝置原理

高壓斷路器控制回路如圖1 所示，其中的正電源（+KM/+HM）、保護(hù)裝置、操作箱、開關(guān)端子箱、分閘線圈、合閘線圈、斷路器輔助節(jié)點(diǎn)、負(fù)電源（-KM/-HM）之間依次通過電纜相連。正常情況下電纜接線接觸點(diǎn)電阻較小，可近似等于0；如果電纜接線處接觸不牢固，接觸點(diǎn)電阻值為遠(yuǎn)大于0 的數(shù)值。因此，可通過整個(gè)控制回路中導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)間的電阻值大小分析控制回路中電纜的接觸狀況。

圖1 斷路器控制回路示意圖Fig.1 Diagram of circuit breaker control circuit

由于運(yùn)行狀態(tài)下的控制回路兩端帶有正負(fù)直流電源，無法直接測(cè)量導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)間的電阻值，本文提出基于高壓斷路器控制回路阻抗的故障分析方法，間接計(jì)算出控制回路中的電阻。其基本原理為：

1）在操作箱出口處（圖1中A、B處）將操作箱與開關(guān)端子箱之間的電纜穿過霍爾電流傳感器，通過霍爾電流傳感器感應(yīng)流過電纜的電流所產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)，根據(jù)變化磁場(chǎng)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)［17-18］，將霍爾電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大后作為電壓采樣信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)。

2）通過部署在保護(hù)裝置與操作箱之間（圖1中C、D處）的啟動(dòng)模塊判斷控制回路是否接通，若接通則通過啟動(dòng)模塊向單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)；通過啟動(dòng)模塊獲取保護(hù)裝置與操作箱之間電纜流過的電流值，當(dāng)所述電流值超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，判定控制回路接通。

3）當(dāng)單片機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，基于預(yù)設(shè)間隔獲取電壓采樣信號(hào)，根據(jù)電壓采樣信號(hào)計(jì)算電纜電流，結(jié)合控制回路兩端的電壓差計(jì)算控制回路阻抗的測(cè)量值。

4）計(jì)算本次控制回路阻抗測(cè)量值的相對(duì)誤差，若超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，判斷控制回路存在接觸不良現(xiàn)象。同時(shí)結(jié)合采樣信息和歷史測(cè)量值，綜合判斷故障情況。

2 控制回路故障分析裝置的研制

根據(jù)分析裝置的功能原理，裝置可分為電流采樣模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、啟動(dòng)模塊、控制分析模塊和供電電源模塊。

2.1 電流采樣模塊

在斷路器控制回路中，當(dāng)保護(hù)（測(cè)控）裝置接收到動(dòng)作命令時(shí)，內(nèi)部分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)由斷開到閉合，使分閘（合閘）控制回路導(dǎo)通，即斷路器分閘（合閘）線圈得電，經(jīng)過一定時(shí)間后，分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)返回（由閉合到斷開）。

變電站實(shí)際運(yùn)行中，保護(hù)（測(cè)控）裝置內(nèi)部分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)的閉合持續(xù)時(shí)間大多在20 ms～100 ms 范圍內(nèi)［19-20］。因此，以保護(hù)（測(cè)控）裝置內(nèi)部分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)由斷開到閉合的變化瞬間為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，分析裝置需要在20 ms內(nèi)完成斷路器控制回路中通過電流值的采樣，且該電流值為直流量。

為了不干擾斷路器的控制回路正常運(yùn)行，同時(shí)裝置安裝便捷，選用完全基于霍爾感應(yīng)原理、非接觸式隔離采樣的直流電流采樣開口式開環(huán)霍爾電流傳感器OPCT10AL 作為電流采樣模塊的主元器件，其具有響應(yīng)時(shí)間快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

霍爾電流傳感器生成的電壓信號(hào)需要通過外圍放大電路調(diào)整到合適的量程，再經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，以使單片機(jī)能夠?qū)﹄妷盒盘?hào)進(jìn)行分析。因此，在圖2所示的電路結(jié)構(gòu)中，霍爾電流傳感器的輸入端連接操作箱和開關(guān)端子箱之間的電纜（為了便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和給予裝置供電，將霍爾電流傳感器安裝在操作箱所在的保護(hù)屏柜內(nèi)，如圖1 控制回路中的位置A處和位置B處），霍爾電流傳感器的輸出端連接第一放大單元的輸入端，第一放大單元的輸出端均依次經(jīng)過第二放大單元、第三放大單元與AD 轉(zhuǎn)換模塊連接。所述第一運(yùn)算放大器的型號(hào)為L(zhǎng)M324。第一放大單元UA 為反相放大器，放大倍數(shù)可通過Rf、R1 調(diào)節(jié)，第二放大單元UC作為反相放大器，將第一運(yùn)算放大器放大的信號(hào)反相，并減弱共模干擾。第三放大單元UD 作為電壓跟隨器，高輸入電阻與低輸出電阻且電壓增益近似為1，不會(huì)被負(fù)載影響信號(hào)輸出，最終將電壓信號(hào)放大到0 V～5 V量程，方可穩(wěn)定輸出至下一級(jí)AD轉(zhuǎn)換模塊。該電流采樣模塊輸出電壓值VA與電纜電流值I間的線性關(guān)系為I=（VA-2.5）/0.12。

圖2 電流采樣模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of current sampling module

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)運(yùn)算放大器的輸入兩端電壓差為零時(shí)，輸出端仍然會(huì)有±（0.2～10）mV的失調(diào)電壓，因此通常需要在調(diào)零電路進(jìn)行校正，調(diào)零電路連接第一放大單元的輸入端，本實(shí)施例中所述調(diào)零電路為常規(guī)的電路設(shè)計(jì)，此處不再贅述。

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

電流采集模塊輸出的反映電纜導(dǎo)線電流大小的電壓值，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變換為二進(jìn)制數(shù)值輸入至單片機(jī)控制器。選用的AD 轉(zhuǎn)換芯片為AD7663，是一款16 位、單通道、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有分辨率高、采樣速率高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中選取該芯片輸入電壓范圍0 V～5 V，并采用5 V 單電源供電，參考電壓為5 V，經(jīng)該芯片轉(zhuǎn)換后的其分辨率為1/65 535，每個(gè)單位二進(jìn)制數(shù)值表征的實(shí)際電壓值為5/65 535=0.000 076 3 V，二進(jìn)制數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換前原始數(shù)據(jù)間的誤差可忽略不計(jì)。

2.3 啟動(dòng)模塊

相比于斷路器的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，其控制回路導(dǎo)通的時(shí)間占比極短，因此，裝置設(shè)計(jì)啟動(dòng)模塊，僅當(dāng)斷路器控制回路接通（即控制回路中流過電流）時(shí)，啟動(dòng)模塊發(fā)出觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)分析裝置。這樣設(shè)計(jì)保證分析裝置更多地處于休眠狀態(tài)，延長(zhǎng)其使用壽命。類比于電流采樣模塊，在斷路器控制回路中的保護(hù)裝置與操作箱之間（如圖1控制回路中的位置C處和位置D處），分別固定安裝線性電流傳感器PH-T4I，其采用線性霍爾原理，能輸出與原檢測(cè)電流等比例的電壓模擬量，再經(jīng)過差分比例運(yùn)算放大器OP1177后，接至STC12C5616AD單片機(jī)的P1.0引腳，當(dāng)斷路器控制回路中流過電流大于0.4 A 時(shí)，電流傳感器等比例線性輸出一模擬量，經(jīng)過運(yùn)算放大器后，比較輸出5 V左右電壓值，視為高電平；反之，表明控制回路未導(dǎo)通，視為低電平。

STC12C5616AD單片機(jī)的P1.0引腳接收到高電平后，經(jīng)過P2.0 輸出高電平，啟動(dòng)控制分析模塊開始工作。

2.4 控制分析模塊

控制分析模塊實(shí)現(xiàn)接收AD 轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)、判斷電流值大小是否在合理范圍、給出判斷結(jié)果等功能，同時(shí)完成裝置的其它控制功能。

該模塊采用Atmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過PB1口采集AD 轉(zhuǎn)換模塊輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即可等比例折算成控制回路通過的電流值。

基于預(yù)設(shè)間隔獲取電壓采樣信號(hào)，當(dāng)獲取的電壓采樣信號(hào)的數(shù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，計(jì)算電壓采樣信號(hào)的平均值。根據(jù)控制回路分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)間較短（通常范圍在20 ms～100 ms）的特點(diǎn)，確定Atmega16 單片機(jī)的PB1口獲取電壓采樣信號(hào)的預(yù)設(shè)間隔如表1所示。其中采樣時(shí)間0 ms 表示保護(hù)裝置的分閘或合閘節(jié)點(diǎn)閉合，啟動(dòng)模塊觸發(fā)高電平信號(hào)的時(shí)刻，在之后的20 ms內(nèi)，單片機(jī)依次完成12次電壓信號(hào)的獲取。

表1 單片機(jī)獲取電壓信號(hào)的預(yù)設(shè)間隔Table 1 Preset interval at which single-chip microcomputer obtains voltage signal

利用按鍵鍵盤觸發(fā)輸入方式，提前將高壓斷路器電氣控制回路的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)阻抗值Zt輸入至Atmega16單片機(jī)，該阻抗值作為判斷結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)值。斷路器控制回路的正電源（+KM/+HM）和負(fù)電源（-KM/-HM）分別引自變電站直流系統(tǒng)的正負(fù)極母線，因此控制回路兩端的電壓差即為變電站直流系統(tǒng)的母線電壓，而直流母線電壓由直流監(jiān)控裝置進(jìn)行控制，其穩(wěn)壓精度可以達(dá)到0.5%以上，因此控制回路兩端的電壓差基本保持不變。而由于不同變電站的設(shè)計(jì)規(guī)范不同，直流母線額定電壓可分為110 V和220 V兩種情況，因此本分析裝置利用撥碼開關(guān)來設(shè)置高壓斷路器電氣控制回路兩端電壓差大小，當(dāng)撥碼開關(guān)選擇至“0”時(shí)，表示兩端電壓VD為110 V；當(dāng)撥碼開關(guān)選擇至“1”時(shí)，表示兩端電壓為220 V。

控制分析模塊的判斷邏輯為：

Step1：根據(jù)采樣得到的AD 轉(zhuǎn)換模塊二進(jìn)制數(shù)據(jù)Vs，計(jì)算得到霍爾電流傳感器輸出電壓信號(hào)模擬值為VA=Vs×0.000 076 3 V，控制分析模塊接收得到12 個(gè)電壓值數(shù)據(jù)后，計(jì)算得到平均值VA；

Step2：根據(jù)電流采樣模塊電流計(jì)算公式得到電纜電流為I，I=（VA-2.5）/0.12；

Step3：將控制回路兩端的電壓差與電纜電流相除，計(jì)算得到高壓斷路器控制回路阻抗值Zj，Zj=VD÷I；

Step4：比較計(jì)算得到的回路阻抗值Zj與輸入至單片機(jī)的回路阻抗值Zt間的相對(duì)誤差y，y=|Zj-Zt|÷Zt；

Step5：參照電力設(shè)備試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)斷路器動(dòng)作電壓的要求，結(jié)合運(yùn)檢人員工程經(jīng)驗(yàn)，并綜合考慮采樣和計(jì)算誤差等，y大于20%時(shí)，說明回路電阻偏大，存在導(dǎo)線接觸不良現(xiàn)象；除此之外，比較相鄰兩次計(jì)算出的相對(duì)誤差，若后一次相對(duì)誤差比前一次相對(duì)誤差大，且兩個(gè)相對(duì)誤差的差值與前一次相對(duì)誤差的比例超過5%，判定控制回路中的電纜連接松動(dòng)。其它為正常情況。

判斷結(jié)果利用液晶屏（顯示模塊）顯示，液晶采用LCD12864F型號(hào)，可以顯示兩行字體，單片機(jī)采用串口來控制液晶，單片機(jī)的PA1、PA2 分別于液晶的4 號(hào)、5號(hào)引腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。顯示結(jié)果為“導(dǎo)線接觸不良”、“接觸存在松動(dòng)”或者“接觸良好”3種情況。

另外，考慮到啟動(dòng)模塊和控制分析模塊的運(yùn)行延時(shí)，如果在第12 次，即斷路器控制回路分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)閉合后的第20 ms，如果檢測(cè)電流數(shù)值為0，則說明控制回路存在“控制回路分閘（合閘）節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)間較短”的故障隱患。

2.5 供電電源模塊

裝置中各模塊，均需要穩(wěn)壓電源供電。其中，單片機(jī)Atmega16單片機(jī)、STC12C5616AD單片機(jī)、電流傳感器ACS712、運(yùn)算放大器OP1177等需要5 V的直流電源供電，電流傳感器OPCT10AL、PH-T4I 需要±9 V 的穩(wěn)壓電源供電。如圖3 所示，供電電路中采用穩(wěn)壓芯片LM1575T-5.0，輸入為+9 V 的直流電壓，可得到5 V 電源。采用三端穩(wěn)壓芯片7809和7909得到±9 V穩(wěn)壓電源。供電電源模塊所需的外接電源從保護(hù)裝置屏柜內(nèi)部的220 V 交流電經(jīng)過開關(guān)電源變換器得到，并作為穩(wěn)壓電路的輸入。

圖3 供電電源模塊示意圖Fig.3 Power supply schematic diagram of power supply module

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

斷路器控制回路缺陷在線分析裝置研制成功后，于2020 年11 月9 日在110 kV 山涂變電站1 號(hào)電容器間隔（斷路器廠家：湖南雁能森源電力設(shè)備有限公司，型號(hào)：VYSP-12）安裝了1臺(tái)斷路器控制回路缺陷在線分析裝置，根據(jù)正常運(yùn)行數(shù)據(jù)，輸入至單片機(jī)的額定回路阻抗值Zt為120 Ω。該間隔于2020 年11 月29 日發(fā)生了斷路器控制回路故障，運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，利用該裝置實(shí)現(xiàn)智能化分析結(jié)果顯示為：“導(dǎo)線接觸不良”，其中顯示采集到的回路阻抗值達(dá)到MΩ級(jí)。檢修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，根據(jù)缺陷分析內(nèi)容，判斷是接點(diǎn)接線脫落，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)是合閘回路中的斷路器常閉接點(diǎn)接線脫落。該間隔又于2021 年3 月13 日發(fā)生了斷路器控制回路故障，該裝置實(shí)現(xiàn)智能化分析結(jié)果同樣顯示為：“導(dǎo)線接觸不良”，顯示采集到的回路阻抗值為513 Ω，根據(jù)分析內(nèi)容，判斷是接點(diǎn)接線存在松動(dòng)或虛接情況，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置背板接線存在松動(dòng)。借助于此裝置，處理故障的時(shí)間平均約為39 min，平均每次節(jié)約時(shí)間63 min。該故障分析裝置有效指導(dǎo)派工、提高了作業(yè)效率，縮短了設(shè)備的消缺處理時(shí)間。

4 結(jié)語

本文基于控制回路阻抗分析方法，研制了斷路器控制回路缺陷在線分析裝置，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)下控制回路阻抗的檢測(cè)及控制回路缺陷的在線分析。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置能直接對(duì)控制回路缺陷進(jìn)行判斷并直觀顯示分析結(jié)果，從而大幅度降低了故障判斷的時(shí)間，有利于檢修人員合理安排工作，提高了消缺工作效率，節(jié)約了人力、物力。