斷路器控制回路缺陷在線分析裝置的研制

常俊曉，應宇鵬，馬秀林，王家琪，趙文東

（國網浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

高壓斷路器具備完善的滅弧結構和足夠的斷流能力［1］，一方面可用于切斷或接通高壓電路中的空載電流及負荷電流，另一方面當電力系統發生故障時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，從而實現控制高壓斷路器分閘和合閘操作的功能［5］。當控制回路中的電纜接觸不良或松動斷線時，會增大控制回路的總阻抗，當回路的總阻抗達到一定閾值時，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磁，導致無法正常進行分閘或合閘操作，即斷路器拒動［6-8］。由此可見，控制回路的電纜接觸情況對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現或判斷［9］。一方面，控制回路電纜接觸不良時，斷路器仍可能順利完成分閘（或合閘），接觸不良現象具有隱蔽性，且由于控制回路兩端帶有正負直流電源，運行狀態下也無法直接測量導通節點間的電阻值，導致接觸不良故障在日常的故障檢測中難以被發現［10］；另一方面，即便出現因電纜接線接觸電阻過大導致斷路器拒動的情況，運維人員在進行異常分析時，也難以真實還原斷路器拒動時的接線松動場景，意味著無法確切得知斷路器拒動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］。

針對斷路器控制回路的監測及故障判斷問題，現有研究已提出了一些方法和改進措施。文獻［13］研制了一種快速判斷開關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，根據電壓變化的情況，判斷故障的部位和大致范圍。文獻［14］在控制回路斷線高風險節點之間加裝非接觸式電壓測量傳感器，從而實時檢測回路上各點電位，達到對控制回路全時段監控及斷線點定位的目的。然而該方法僅依靠電位檢測原理，無法準確感知電位的變化系“斷線”故障還是因斷路器運行狀態的改變，同時其僅能監視確定地點的部分控制回路的連通性，監視的全面性受到限制。文獻［15］基于現有斷路器控制回路的局限性，提出在控制回路中加裝延時輔助聯動觸點實現斷路器的全工況監視。但在實際應用中，由于此方法在控制回路中接入了其他器件，當該器件故障時存在導致斷路器拒動的風險。文獻［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，當發現監測到的分/合閘電流明顯大于正常的分合閘電流時，立即切除分/合閘回路，從而保護設備和電氣元件不受到損壞。然而該方法僅對電纜中電流進行簡單的采集判斷，沒有實現控制回路監測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，并根據采集到的電流間接計算出控制回路的阻抗，實現在運行狀態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，并能夠根據不同采集時刻的采樣信號判別因接觸不良導致故障的具體情況，解決了難以確定是否因電纜接觸不良導致斷路器拒動的困難，有利于運維人員快速針對具體情況進行維護檢修。

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）、保護裝置、操作箱、開關端子箱、分閘線圈、合閘線圈、斷路器輔助節點、負電源（-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，接觸點電阻值為遠大于0 的數值。因此，可通過整個控制回路中導通節點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

由于運行狀態下的控制回路兩端帶有正負直流電源，無法直接測量導通節點間的電阻值，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流過電纜的電流所產生的變化磁場，根據變化磁場產生霍爾電動勢［17-18］，將霍爾電動勢經放大后作為電壓采樣信號發送至單片機。

2）通過部署在保護裝置與操作箱之間（圖1中C、D處）的啟動模塊判斷控制回路是否接通，若接通則通過啟動模塊向單片機發送觸發信號；通過啟動模塊獲取保護裝置與操作箱之間電纜流過的電流值，當所述電流值超過預設閾值時，判定控制回路接通。

3）當單片機接收到觸發信號時，基于預設間隔獲取電壓采樣信號，根據電壓采樣信號計算電纜電流，結合控制回路兩端的電壓差計算控制回路阻抗的測量值。

4）計算本次控制回路阻抗測量值的相對誤差，若超過預設閾值時，判斷控制回路存在接觸不良現象。同時結合采樣信息和歷史測量值，綜合判斷故障情況。

2 控制回路故障分析裝置的研制

根據分析裝置的功能原理，裝置可分為電流采樣模塊、AD轉換模塊、啟動模塊、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，當保護（測控）裝置接收到動作命令時，內部分閘（合閘）節點由斷開到閉合，使分閘（合閘）控制回路導通，即斷路器分閘（合閘）線圈得電，經過一定時間后，分閘（合閘）節點返回（由閉合到斷開）。

變電站實際運行中，保護（測控）裝置內部分閘（合閘）節點的閉合持續時間大多在20 ms～100 ms 范圍內［19-20］。因此，以保護（測控）裝置內部分閘（合閘）節點由斷開到閉合的變化瞬間為計時起點，分析裝置需要在20 ms內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行，同時裝置安裝便捷，選用完全基于霍爾感應原理、非接觸式隔離采樣的直流電流采樣開口式開環霍爾電流傳感器OPCT10AL 作為電流采樣模塊的主元器件，其具有響應時間快、精度高、線性度好、抗干擾能力強等優點。

霍爾電流傳感器生成的電壓信號需要通過外圍放大電路調整到合適的量程，再經AD 轉換模塊轉換為數據信號，以使單片機能夠對電壓信號進行分析。因此，在圖2所示的電路結構中，霍爾電流傳感器的輸入端連接操作箱和開關端子箱之間的電纜（為了便于現場實施和給予裝置供電，將霍爾電流傳感器安裝在操作箱所在的保護屏柜內，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過第二放大單元、第三放大單元與AD 轉換模塊連接。所述第一運算放大器的型號為LM324。第一放大單元UA 為反相放大器，放大倍數可通過Rf、R1 調節，第二放大單元UC作為反相放大器，將第一運算放大器放大的信號反相，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，不會被負載影響信號輸出，最終將電壓信號放大到0 V～5 V量程，方可穩定輸出至下一級AD轉換模塊。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

在實際應用中，當運算放大器的輸入兩端電壓差為零時，輸出端仍然會有±（0.2～10）mV的失調電壓，因此通常需要在調零電路進行校正，調零電路連接第一放大單元的輸入端，本實施例中所述調零電路為常規的電路設計，此處不再贅述。

2.2 AD轉換模塊

電流采集模塊輸出的反映電纜導線電流大小的電壓值，需要經過模數轉換后變換為二進制數值輸入至單片機控制器。選用的AD 轉換芯片為AD7663，是一款16 位、單通道、低功耗、逐次逼近型模數轉換器，具有分辨率高、采樣速率高、功耗小等優點。設計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，經該芯片轉換后的其分辨率為1/65 535，每個單位二進制數值表征的實際電壓值為5/65 535=0.000 076 3 V，二進制數據與轉換前原始數據間的誤差可忽略不計。

2.3 啟動模塊

相比于斷路器的運行時長，其控制回路導通的時間占比極短，因此，裝置設計啟動模塊，僅當斷路器控制回路接通（即控制回路中流過電流）時，啟動模塊發出觸發信號啟動分析裝置。這樣設計保證分析裝置更多地處于休眠狀態，延長其使用壽命。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，能輸出與原檢測電流等比例的電壓模擬量，再經過差分比例運算放大器OP1177后，接至STC12C5616AD單片機的P1.0引腳，當斷路器控制回路中流過電流大于0.4 A 時，電流傳感器等比例線性輸出一模擬量，經過運算放大器后，比較輸出5 V左右電壓值，視為高電平；反之，表明控制回路未導通，視為低電平。

STC12C5616AD單片機的P1.0引腳接收到高電平后，經過P2.0 輸出高電平，啟動控制分析模塊開始工作。

2.4 控制分析模塊

控制分析模塊實現接收AD 轉換模塊數據、判斷電流值大小是否在合理范圍、給出判斷結果等功能，同時完成裝置的其它控制功能。

該模塊采用Atmega16單片機實現，通過PB1口采集AD 轉換模塊輸出的二進制數據，即可等比例折算成控制回路通過的電流值。

基于預設間隔獲取電壓采樣信號，當獲取的電壓采樣信號的數量達到預設值時，計算電壓采樣信號的平均值。根據控制回路分閘（合閘）節點閉合時間較短（通常范圍在20 ms～100 ms）的特點，確定Atmega16 單片機的PB1口獲取電壓采樣信號的預設間隔如表1所示。其中采樣時間0 ms 表示保護裝置的分閘或合閘節點閉合，啟動模塊觸發高電平信號的時刻，在之后的20 ms內，單片機依次完成12次電壓信號的獲取。

表1 單片機獲取電壓信號的預設間隔Table 1 Preset interval at which single-chip microcomputer obtains voltage signal

利用按鍵鍵盤觸發輸入方式，提前將高壓斷路器電氣控制回路的預設標準阻抗值Zt輸入至Atmega16單片機，該阻抗值作為判斷結果的標準值。斷路器控制回路的正電源（+KM/+HM）和負電源（-KM/-HM）分別引自變電站直流系統的正負極母線，因此控制回路兩端的電壓差即為變電站直流系統的母線電壓，而直流母線電壓由直流監控裝置進行控制，其穩壓精度可以達到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計規范不同，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來設置高壓斷路器電氣控制回路兩端電壓差大小，當撥碼開關選擇至“0”時，表示兩端電壓VD為110 V；當撥碼開關選擇至“1”時，表示兩端電壓為220 V。

控制分析模塊的判斷邏輯為：

Step1：根據采樣得到的AD 轉換模塊二進制數據Vs，計算得到霍爾電流傳感器輸出電壓信號模擬值為VA=Vs×0.000 076 3 V，控制分析模塊接收得到12 個電壓值數據后，計算得到平均值VA；

Step2：根據電流采樣模塊電流計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，計算得到高壓斷路器控制回路阻抗值Zj，Zj=VD÷I；

Step4：比較計算得到的回路阻抗值Zj與輸入至單片機的回路阻抗值Zt間的相對誤差y，y=|Zj-Zt|÷Zt；

Step5：參照電力設備試驗規程中對斷路器動作電壓的要求，結合運檢人員工程經驗，并綜合考慮采樣和計算誤差等，y大于20%時，說明回路電阻偏大，存在導線接觸不良現象；除此之外，比較相鄰兩次計算出的相對誤差，若后一次相對誤差比前一次相對誤差大，且兩個相對誤差的差值與前一次相對誤差的比例超過5%，判定控制回路中的電纜連接松動。其它為正常情況。

判斷結果利用液晶屏（顯示模塊）顯示，液晶采用LCD12864F型號，可以顯示兩行字體，單片機采用串口來控制液晶，單片機的PA1、PA2 分別于液晶的4 號、5號引腳相連，實現數據傳輸功能。顯示結果為“導線接觸不良”、“接觸存在松動”或者“接觸良好”3種情況。

另外，考慮到啟動模塊和控制分析模塊的運行延時，如果在第12 次，即斷路器控制回路分閘（合閘）節點閉合后的第20 ms，如果檢測電流數值為0，則說明控制回路存在“控制回路分閘（合閘）節點閉合時間較短”的故障隱患。

2.5 供電電源模塊

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

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

3 現場應用

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 號電容器間隔（斷路器廠家：湖南雁能森源電力設備有限公司，型號：VYSP-12）安裝了1臺斷路器控制回路缺陷在線分析裝置，根據正常運行數據，輸入至單片機的額定回路阻抗值Zt為120 Ω。該間隔于2020 年11 月29 日發生了斷路器控制回路故障，運維人員到達現場后，利用該裝置實現智能化分析結果顯示為：“導線接觸不良”，其中顯示采集到的回路阻抗值達到MΩ級。檢修人員到達現場后，根據缺陷分析內容，判斷是接點接線脫落，進一步排查發現是合閘回路中的斷路器常閉接點接線脫落。該間隔又于2021 年3 月13 日發生了斷路器控制回路故障，該裝置實現智能化分析結果同樣顯示為：“導線接觸不良”，顯示采集到的回路阻抗值為513 Ω，根據分析內容，判斷是接點接線存在松動或虛接情況，進一步排查發現保護裝置背板接線存在松動。借助于此裝置，處理故障的時間平均約為39 min，平均每次節約時間63 min。該故障分析裝置有效指導派工、提高了作業效率，縮短了設備的消缺處理時間。

4 結語

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，實現了運行狀態下控制回路阻抗的檢測及控制回路缺陷的在線分析。現場應用結果表明，該裝置能直接對控制回路缺陷進行判斷并直觀顯示分析結果，從而大幅度降低了故障判斷的時間，有利于檢修人員合理安排工作，提高了消缺工作效率，節約了人力、物力。