斷路器失效預警系統的研究

翟志國，陸志遠，周文騫，武樂濤，劉金超

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050000）

《電力發展“十三五”規劃（2016-2020年）》指出，“升級改造配電網，推進智能電網建設”是“十三五”規劃中重點任務之一。斷路器是電力系統中的關鍵設備，其運行狀態對電力系統的可靠性具有重大影響。在配電設備一二次融合技術中，開閉所終端設備（DTU）、饋線終端設備（FTU）、配電終端設備（TTU）等配電網自動化設備對電網安全可靠運行起到了非常重要的作用，而通過二次設備與斷路器的有效融合，實現對斷路器的在線監測和故障預警，能夠從源頭降低斷路器自身的故障率，進一步提高電力系統運行的安全可靠性及自動化程度。

斷路器失效并非突然性事件，斷路器在多次投退動作后，部分器件會磨損、老化，并使其最初性能發生改變。分合閘線圈電流能夠有效反映斷路器投退動作時的工作狀態。文中提出的斷路器失效預警系統，通過對斷路器分合閘線圈電流的采集和分析，能夠在斷路器發生故障前有效地做出預判，達到斷路器失效預警的目的。

1 斷路器失效預警系統組成

斷路器失效預警系統由分合閘線圈監測部分、ARM處理部分和預警顯示部分組成，系統結構如圖1所示。當發生分閘或合閘動作時，分合閘線圈監測部分的電流采集單元將對應線圈中的電流轉化為電壓，并經過初步濾波傳給ARM處理部分；ARM處理部分對分合閘線圈電流所轉化的電壓進行ADC處理、濾波和分析后，將預判斷結果在預警顯示部分顯示。

圖1 系統結構圖

1.1 分合閘線圈監測部分

分合閘線圈電流包含了分合閘動作的豐富信息，圖2為典型的合閘線圈電流波形。圖2中，T0時刻線圈通電，線圈中電流增大到T1時刻，鐵芯開始運動，T2時刻鐵芯觸動操作機構負載而顯著減速，T3時刻輔助觸點切斷。電流幅值中，I1反映了鐵芯運動的起始狀態，I2反映了電磁鐵芯的運動速度，I3則反映了線圈操作電壓大小。

圖2 典型合閘線圈電流波形

系統中分合閘線圈監測部分的電流采集單元采用專業設計的穿心式磁平衡霍爾電流傳感器，當電流正向穿過霍爾傳感器時，傳感器輸出正電壓，反之輸出負電壓。分合閘線圈不會同時有電，同時考慮到斷路器內部空間有限以及降低成本等因素，分閘線圈與合閘線圈的電流監測共用一個霍爾傳感器。分合閘線圈供電導線以不同的方向穿繞于霍爾傳感器上，分合閘動作時，霍爾傳感器輸出電壓方向不同，分合閘線圈供電導線穿繞方式如圖3所示。

圖3 分合閘線圈供電導線繞線方式

1.2 ARM處理部分和預警顯示部分

ARM處理部分主芯片采用基于Cortex-M3核的LPC1768，并通過實時性較強的μC/OS-II系統完成對數據的采集、處理和分析。失效預警系統上電后，LPC1768的通過1路ADC通道持續對分合閘線圈監測部分輸出電壓進行采樣。通過對ADC采集值計算分析，確定是否產生預警事件。

預警顯示部分由液晶和三色指示燈組成。正常工作時，系統綠燈閃爍；預警時，黃燈長亮，液晶顯示預警動作名稱；告警時，紅燈長亮，液晶屏顯示告警動作名稱。預警顯示部分的顯示方法簡潔直觀，降低了運維人員操作的復雜程度，進一步促進了斷路器失效預警系統在偏遠地區的推廣。

2 斷路器健康水平監測

在斷路器設計時，由于二次控制部分對直流電壓穩定性要求不高，往往利用220V交流電壓整流濾波后對其進行供電。圖4為220V交流經整流橋全波整流后得到的脈動直流電壓。對于部分型號斷路器，雖利用低通濾電路對脈動直流電壓進行濾波處理，但濾波后的直流電壓仍含有大量脈動分量，因此在對分合閘線圈電流進行采集和分析時，需要考慮兼容含脈動分量的情況。斷路器失效預警系統在運行過程中只對電流波形進行采集和分析，不輸出波形，為便于論證系統的可行性和有效性，文中對系統所采電流波形進行了分析。

圖4 全波整流后的脈動直流電壓

分合閘線圈電流檢測如下。

為了兼容脈動直流電壓供電方式，系統在采集分合閘線圈電流的過程中，采用了“緩存-對比”的方法：持續采集并緩存10ms的最新波形，針對波形各采集點采用先進先出模式進行更新，通過最新采集點同預設閾值對比，判斷分合閘時刻。通過此方法能夠有效解決脈動直流分量對分合閘時刻判斷的影響。

圖5為斷路器失效預警系統測得的某純直流分合閘線圈電流波形圖。圖5中，合閘線圈電流為正值，分閘線圈電流為負值，表示兩者電流方向不同。由于合閘線圈電阻和分閘線圈電阻阻值差異，以及分合閘動作時兩線圈鐵芯的應力不同，使分閘過程中電能消耗速率小于合閘過程，最終導致分閘線圈電流在降為0時存在“拖尾”現象。

圖5 純直流分合閘線圈電流波形

圖6為系統測得的某含脈動分量的分合閘線圈電流波形。對于此類供電方式的分合閘線圈，由于脈動分量的存在，無法準確測得電流大小相關的特征值，但可以將分合閘線圈通電時間作為特征量對分合閘動作的工作狀態進行監測。圖6中分合閘電流波形與圖5趨勢相同。

圖6 含脈動分量的分合閘線圈電流波形

3 結語

上文對斷路器失效預警系統的原理和組成進行了詳細介紹。該系統結構簡單，操作方便，可推廣性強；通過一二次設備融合，實現對純直流及含脈動分量的分合閘線圈電流的采集和分析。實驗結果表明，該系統能夠有效地檢測斷路器機械特性，起到斷路器失效預警的作用。

參考文獻：

[1]耿向東．真空斷路器參數在線監測硬件設計[J]．電工技術,2017,(4):71-72．

[2]張金波,魯帥,季彤等．一種新型斷路器機械特性在線監測裝置的研究與設計[J]． 自動化與儀器儀表,2016,(8):68-70．

[3]孟永鵬,賈申利,榮命哲．真空斷路器機械特性的在線監測方法 [J]． 高壓電器 , 2006,42(1):31-34．