35 kV斷路器跳合閘線圈實(shí)時(shí)測(cè)控保護(hù)裝置的研制

金慧，張高潮，劉際波，應(yīng)海玨，劉化文

（國(guó)網(wǎng)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(shí)時(shí)測(cè)控保護(hù)裝置的研制

金慧，張高潮，劉際波，應(yīng)海玨，劉化文

（國(guó)網(wǎng)浙江文成縣供電公司，浙江文成325300）

針對(duì)35 kV斷路器跳合閘線圈易燒毀問(wèn)題研發(fā)了一種線圈測(cè)控保護(hù)裝置，該裝置利用單片機(jī)系統(tǒng)控制測(cè)溫模塊和電流檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)測(cè)量線圈溫度和線圈電流，實(shí)現(xiàn)線圈過(guò)溫保護(hù)和線圈長(zhǎng)期通流保護(hù)，當(dāng)合閘線圈通流時(shí)間超過(guò)設(shè)定值時(shí)，使用大功率開(kāi)關(guān)模塊斷開(kāi)線圈回路，并借助實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊記錄故障時(shí)間和通過(guò)液晶顯示，達(dá)到保護(hù)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(shí)間；保護(hù)

0 引言

斷路器是變電站中重要的設(shè)備之一，無(wú)論線路處于何種工作狀態(tài)，當(dāng)要求斷路器動(dòng)作時(shí)，斷路器應(yīng)能可靠、迅速地動(dòng)作[1]。在35 kV及以下變電站中，還有大量的電磁操作機(jī)構(gòu)斷路器在運(yùn)行。大量運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，中低壓斷路器的電磁操作機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在操作過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)拒分、拒合等故障，特別是當(dāng)斷路器出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡澀、線圈控制回路接點(diǎn)粘連無(wú)法斷開(kāi)及輔助開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)不到位等故障時(shí)，線圈常會(huì)長(zhǎng)期通電，造成線圈過(guò)熱而燒毀，大大降低斷路器的運(yùn)行可靠性。

目前中低壓變電站基本上無(wú)人值守，大量斷路器都通過(guò)遠(yuǎn)程操作，當(dāng)出現(xiàn)上述故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)斷開(kāi)控制電源，極易造成線圈燒毀，必須到現(xiàn)場(chǎng)人工更換線圈解決，大大增加了負(fù)荷恢復(fù)供電時(shí)間。

針對(duì)35 kV斷路器跳合閘線圈存在的這一問(wèn)題，研制了一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控線圈動(dòng)作電流、溫度，并在故障時(shí)及時(shí)斷開(kāi)線圈回路的實(shí)時(shí)測(cè)控保護(hù)裝置，提高了斷路器的運(yùn)行可靠性。

1 線圈實(shí)時(shí)測(cè)控保護(hù)裝置構(gòu)架

裝置的系統(tǒng)原理如圖1所示，以單片機(jī)作為計(jì)算與控制核心，通過(guò)測(cè)溫模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)線圈溫度，使用電流檢測(cè)模塊檢測(cè)線圈電流。為提高保護(hù)模塊工作的可靠性，設(shè)計(jì)了2套保護(hù)（見(jiàn)圖2）：第1套為定時(shí)限電流保護(hù)，通過(guò)設(shè)定線圈的最長(zhǎng)通流時(shí)間T1實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈的保護(hù)功能，此保護(hù)動(dòng)作后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí)T2后，自動(dòng)復(fù)歸；第2套為線圈過(guò)溫保護(hù)，通過(guò)測(cè)量線圈的實(shí)時(shí)溫度與保護(hù)溫度設(shè)定值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)，此保護(hù)動(dòng)作后，說(shuō)明線圈合閘回路出現(xiàn)嚴(yán)重故障，需要現(xiàn)場(chǎng)檢查，手動(dòng)復(fù)歸。與此同時(shí)，裝置將記錄故障時(shí)刻、故障溫度、故障電流和通流時(shí)長(zhǎng)等，并形成報(bào)警信息。

圖1 裝置系統(tǒng)框圖

圖2 裝置保護(hù)邏輯框圖

2 線圈實(shí)時(shí)測(cè)控保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件主要包括單片機(jī)、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、測(cè)溫模塊、電流檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊和大功率開(kāi)關(guān)模塊7大部分。

單片機(jī)型號(hào)為C8051F020，其運(yùn)算速度快，內(nèi)存大，有64個(gè)I/O口，內(nèi)置高精度ADC/DAC和定時(shí)器，支持22個(gè)中斷源，符合裝置設(shè)計(jì)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(chǎng)所電壓容易獲得以及輸出電壓線性、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片，DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用三線串行接口方式，可提供年、月、日、星期、時(shí)、分和秒等時(shí)間信息[2]，工作電壓寬，達(dá)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(shí)鐘模塊可以做到掉電不間斷計(jì)時(shí)，大大提高了系統(tǒng)計(jì)時(shí)的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖3 DS1302外部接線

測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，具有測(cè)量精度高、熱響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)量范圍－40～+ 1 600℃、性能可靠、機(jī)械強(qiáng)度好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。MAX6675是K型熱電偶信號(hào)放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的16位二進(jìn)制數(shù)字溫度讀數(shù)，轉(zhuǎn)換誤差為0．25℃，可實(shí)現(xiàn)0～1 023．75℃范圍內(nèi)溫度的轉(zhuǎn)換[3]，而且具有SPI串行口溫度輸出，可直接與單片機(jī)連接。

圖4 熱電偶測(cè)溫電路

電流檢測(cè)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(jié)構(gòu)、將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量輸出的特點(diǎn)，可以直接使用單片機(jī)內(nèi)設(shè)的ADC模塊進(jìn)行采集，并計(jì)算出相應(yīng)的電流值。霍爾電流傳感器接線如圖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(nèi)置8 192個(gè)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(dòng)作電流通常小于10 A，所以普通的繼電器、開(kāi)關(guān)器件無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，且繼電器具有開(kāi)斷速度慢的缺點(diǎn)，會(huì)對(duì)斷路器分合閘時(shí)間造成較大影響。鑒于此，裝置設(shè)計(jì)了一種場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路作為大功率開(kāi)關(guān)模塊，以控制線圈回路的通斷。設(shè)計(jì)選用了IRFP460型場(chǎng)效應(yīng)管，其最大工作電壓可達(dá)500 V，最大工作電流為20 A，滿足現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的需求，且響應(yīng)快、開(kāi)斷電流無(wú)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(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管通斷線圈回路可能會(huì)造成單片機(jī)損壞，因此，在單片機(jī)和場(chǎng)效應(yīng)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(shè)備運(yùn)行可靠性。其原理圖如圖6所示。

圖6 大功率開(kāi)關(guān)電路原理

2.2 裝置軟件程序設(shè)計(jì)

裝置的單片機(jī)程序主要完成對(duì)熱電偶溫度、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片時(shí)間、霍爾電流傳感器測(cè)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(cè)溫度值和電流值的精度，在溫度、電流檢測(cè)中斷程序中，采用取多點(diǎn)平均的方法進(jìn)行計(jì)算，有效提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和抗干擾能力。

軟件流程如圖7所示。當(dāng)線圈通電動(dòng)作時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)比較熱電偶測(cè)得的線圈溫度T和設(shè)定溫度Tset，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度T大于設(shè)定溫度Tset時(shí)，單片機(jī)控制大功率開(kāi)關(guān)電路關(guān)斷線圈回路，在顯示屏上顯示當(dāng)前時(shí)間和溫度值并報(bào)警；同樣，線圈通電時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器，記錄線圈的通流時(shí)間time和電流大小I，time大于設(shè)定值Ti時(shí)，單片機(jī)控制大功率開(kāi)關(guān)電路關(guān)斷線圈回路，在液晶屏上顯示當(dāng)前時(shí)間、通流時(shí)間Ti和電流值I，并報(bào)警。

圖7 單片機(jī)工作流程

3 斷路器線圈特性試驗(yàn)與定值整定

由于溫度是一種慣性較大的物理量，不是一個(gè)突變量，當(dāng)線圈通電后，其溫度不會(huì)立刻達(dá)到最大值，需要一定的溫升過(guò)程；另外，線圈的電阻會(huì)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(guò)線圈的電流會(huì)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(yàn)方案：將可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸出直接連接線圈，在線圈上安裝好測(cè)溫傳感器和電流檢測(cè)傳感器，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓為220 V，按下輸出按鈕，開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)的電流值I1，到達(dá)試驗(yàn)通電時(shí)間t0時(shí)，再記錄此時(shí)的電流值I2，同時(shí)迅速切斷電源，記錄斷電后線圈能達(dá)到的最大溫度值T，即為線圈在該電壓和通電時(shí)長(zhǎng)下的正確溫升。試驗(yàn)室溫為25℃，I1為剛通電時(shí)流過(guò)線圈的電流，在沒(méi)有溫升的情況下，即每組通電時(shí)間試驗(yàn)的I1相等，I1=2.33 A。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示，線圈電流、溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖8、圖9。

通過(guò)圖8和圖9的分析，當(dāng)通流時(shí)長(zhǎng)達(dá)到105 s時(shí)，線圈電流突然增大，線圈燒毀，此時(shí)的線圈溫度為133.5℃。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮實(shí)際正常斷路器的動(dòng)作時(shí)間，對(duì)裝置內(nèi)2套保護(hù)定值進(jìn)行設(shè)定：第1套定時(shí)限電流保護(hù)的電流定值設(shè)定為0.2 A，時(shí)間定值T1設(shè)定為5 s，自動(dòng)復(fù)歸時(shí)間定值T2為20 s；第2套溫度保護(hù)過(guò)溫定值設(shè)定為70℃，該保護(hù)動(dòng)作后，不能自動(dòng)復(fù)歸，需技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查處理后，手動(dòng)復(fù)歸。

表1 線圈特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 線圈時(shí)間-電流曲線

圖9 線圈時(shí)間-溫度曲線

4 結(jié)語(yǔ)

研制了一種35 kV斷路器跳合閘線圈實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)裝置，裝置除具備斷路器分、合閘過(guò)程中線圈溫度、動(dòng)作電流及線圈狀態(tài)等實(shí)時(shí)監(jiān)控功能外，還重點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于線圈電流及溫度的雙重保護(hù)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(fù)時(shí)間，提高了配電網(wǎng)供電可靠性。

目前裝置還不具備通信功能，下一步重點(diǎn)工作是實(shí)現(xiàn)裝置與變電站后臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)一步提高檢修效率，確保配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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

[2]王晨光，孫運(yùn)強(qiáng).串行時(shí)鐘芯片DS1302在溫度測(cè)量記錄儀表中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2008，（12）:65-75.

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

[4]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]王樹(shù)聲.變電檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

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

[7]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)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(shè)備運(yùn)維、檢修技術(shù)管理工作。