断路器跳闸脉冲监测系统的研制与应用

薛 峰 ，童勤毅 ，谢夏寅 ，王坚嵘 ，沈永东

(1.苏州供电公司，江苏 苏州 215004；2.江苏省电力公司检修分公司苏州分部，江苏 苏州 215004)

电力系统中高压断路器偷跳时有发生，给系统安全稳定运行带来了一定的危害。一般造成断路器偷跳的原因有两方面，一是断路器机构本身的机械故障引起的跳闸，二是二次回路故障引起的跳闸。由于在可能导致断路器跳闸的各个电气回路没有对应的具有记录功能的跳闸脉冲监测设备，往往使得断路器发生偷跳后无法可靠区分是机构原因造成的偷跳，还是二次回路故障造成的偷跳。因此，专门研制跳闸脉冲监测系统，用来甄别断路器偷跳的真正原因，以便缩小查找范围，快速排除故障。

跳闸脉冲监测系统有两部分组成，跳闸脉冲监测器和跳闸信号手持式阅读器。两部分是相互独立的，断路器发生偷跳后，如果是二次回路故障引起的，跳闸脉冲监测器将记录下跳闸发生的绝对时间和跳闸脉冲宽度并存储（可掉电保存）。然后用手持式阅读器通过红外收发模块接收跳闸脉冲监测器中记录的跳闸脉冲发生时间和跳闸脉冲宽度数据，通过与系统精确时间的对比并结合断路器跳闸发生的实际绝对时间，可分析判断出此次断路器偷跳行为是否为二次回路故障造成。合理地设置跳闸脉冲监测器的监测点，可以有效地缩小查找范围，快速排除故障。

1 硬件系统

1.1 跳闸脉冲监测器的性能要求

（1）跳闸脉冲监测器为一个独立器件，使用磁感应原理采集信号，不与断路器二次回路发生电气连接，不使用变电站内的交直流电源，信号不接入监控系统。

（2）跳闸脉冲监测器使用微型电池供电，静态功耗不大于2 μA，要求电池有效时间大于5年。

（3）跳闸脉冲监测器要求外形小巧，自身重量不大于30 g，适合在二次导线上悬挂安装，采用开口式磁感应探头，适应不停电安装。

（4）跳闸脉冲监测器能够监测的跳闸脉冲电流范围为0.3～5 A。可记录5组以上跳闸脉冲发生的绝对时间、脉冲宽度。时间精度小于1 ms，脉冲宽度精度小于5 ms。

（5）跳闸脉冲监测器具有良好的抗干扰性能。

（6）跳闸脉冲监测器通过红外收发模块与手持式阅读器进行数据交换。

1.2 手持式阅读器的性能要求

（1）手持式阅读器通过红外收发模块与跳闸脉冲监测器进行数据交换。

（2）手持式阅读器可通过GPS授时，准确设定系统时间，时间误差不大于1 μs。

（3）手持式阅读器可以显示接收到的跳闸脉冲发生的相关时间数据。

（4）手持式阅读器可以存储多组已接收数据，便于事后查看。

（5）手持式阅读器具有标准跳闸脉冲发生器功能，具有对跳闸脉冲监测器进行测试的功能。

1.3 硬件构成

（1）跳闸脉冲监测器硬件结构如图1所示。

图1 跳闸脉冲监测器结构框图

（2）手持式阅读器硬件结构如图2所示。

图2 手持式阅读器结构框图

1.4 跳闸脉冲监测器的设计

跳闸脉冲监测器主要由跳闸脉冲感应模块，微控制器，红外收发模块，实时时钟芯片，按键和指示灯组成。

（1） 微控制器选用TI公司超低功耗MSP430F2132单片机，带 8 kB Program，512 kB SRAM，一组IrDA接口和一组I2C接口。工作电压1.8～3.6 V，低功耗模式可达0.1 μA，适合电池供电系统[1-3]。

（2）实时时钟采用ST公司的M41T62高精度低功耗的实时时钟芯片，时间精确到10 ms，提供给系统一个精确日历时间，低功耗模式电流为0.35 μA。串行接口支持I2C总线，与单片机硬件连接如图 3 所示[4，5]。

图3 实时时钟芯片与单片机的连接

（3）红外收发模块采用 SHARP公司的GP2W0110YPS红外收发模块。该模块体积小，低功耗，关断状态电流不大于0.1 μA，符合irDA1.2串行红外传输标准，其最高的红外传输速度可达115.2 kb/s。可以和单片机IrDA接口直接连接，不需要编码/解码芯片，即可实现对数据的发送和接收。硬件连接如图4所示[6]。

图4 红外线收发模块与单片机连接图

（4）按键和指示灯。采用1个独立式按键，2个LED指示灯（红色和绿色）有单片机直接驱动。根据按键按下到松开的时间确定3种不同状态，分别是数据发送状态，数据接收状态和数据擦除状态。

（5）跳闸脉冲感应模块。该模块有感应探头，低功耗运放，滤波电路和三极管组成。低功耗运放MAX4474在无信号的状态下，工作电流小于0.8 μA。感应探头感应跳闸回路通电及断电瞬间的瞬变电流得到通电及断电的脉冲信号后，经过低通滤波、全波整流放大和三极管转换为单片机可认的TTL电平信号，触发单片机中断。单片机监测该中断响应的时间和由跳闸回路通电及断电的脉冲而引起的两次单片机中断的间隔时间，就可以测量出二次回路上跳闸回路跳闸脉冲发生的时间和脉宽。电路原理如图5所示[7，8]。其中H1为感应探头。

图5 跳闸脉冲感应模块电路原理图

1.5 跳闸信号手持阅读器电路设计

跳闸信号手持阅读器由微控制器、红外收发模块、实时时钟芯片、GPS授时模块、LCD模块、EEPROM、跳闸试验信号、按键和指示灯组成。能够实现对系统的精确授时，设置并接收跳闸脉冲监测器的数据并予以显示。

（1）微控制器选用TI公司超低功耗MSP430F 248单片机,带48 kB Program，4096 kB SRAM和一组IrDA接口，两组I2C接口，一组USCI接口，最大48个I/O接口。工作电压1.8～3.6 V，低功耗模式可达 0.1 μA，适合电池供电系统[9，10]。

（2）实时时钟采用ST公司的M41T62芯片，红外模块采用SHARP公司的GP2W0110YPS红外数据收发模块。

（3）GPS授时模块集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。支持准确1 b/s输出信号接轨GPS校准，其脉冲前沿与UTC的同步误差不超过1 μs，实现对系统的精确对时，达到电力系统要求的精度。支持串口9600波特率通信，与单片机的硬件连接如图6所示。

（4）LCD模块采用规格为240×160，和单片机并口连接，进行接收数据显示，或者系统其他显示。

图6 GPS模块与单片机的连接

（5）电可擦可编程只读存储器 （EEPROM）是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。对红外接收到的数据进行保存，以便于以后的查看。EEPROM采用常用的AT24C08芯片，可以存储约80组跳闸监测器的数据。串行接口支持I2C总线，与单片机硬件连接如图7所示。

图7 AT24C08与单片机的连接

（6）按键为独立式按键，使用按键完成对系统的时间设置，数据收发，数据存储或擦除，自检等等。指示灯采用2个LED指示灯（红色和绿色），用微控制器直接驱动，对系统的不同状态进行指示。

（7）跳闸脉冲模拟电路由大容量电池，电阻、MOSFET继电器和单片机组成，电路原理如图8所示。MOSFET继电器选用欧姆龙G3VM-21HR型号，可实现最大2.5 A开闭电流。单片机通过控制MOSFET继电器模拟跳闸时的脉冲电流，用于检验跳闸回路脉冲监测器能否监测到跳闸信号。同时单片机记录继电器闭合时的系统准确时间，然后再接收跳闸回路脉冲监测器的数据，两个时间进行对比，就可检验出跳闸回路脉冲监测器工作是否正常。

图8 跳闸脉冲模拟电路原理图

1.6 硬件抗干扰措施

根据变电站常见干扰信号的特点，装置硬件上主要通过低通滤波电路和外加接地屏蔽罩来实现抗干扰。

2 软件系统

2.1 跳闸脉冲监测器

跳闸脉冲监测器主要由主程序和2个中断服务程序组成。中断服务程序包括跳闸监测中断服务程序和按键中断服务程序。

（1）主程序主要是进行初始化以及外围设备初始化，然后进入低功耗模式。程序流程如图9所示。

图9 主程序流程

（2）跳闸中断服务程序主要是完成记录跳闸脉冲发生的时间和脉宽。程序框图如图10所示。

图10 跳闸脉冲监测中断程序流程

按键中断程序则主要完成对数据的收发、擦除及系统设置。程序框图如图11所示。

2.2 跳闸信号手持阅读器

跳闸信号手持阅读器系统程序要由主程序和按键中断程序组成。

（1）主程序完成对设备的初始化及LCD显示，等待按键中断响应，程序框图如图12所示。

（2）按键中断程序主要完成数据接受、数据查询、监测器设置、主机设置、数据擦除等工作，程序流程如图13所示。

图11 按键中断程序流程

图12 主程序流程

图13 按键中断程序流程

2.3 软件抗干扰措施

首先分别检测跳闸回路直流触发脉冲及返回脉冲的个脉冲宽度，滤除小于0.5 ms脉宽的脉冲信号，解决高频干扰。再检测触发脉冲上升沿与返回脉冲上升沿之间的宽度，判断是否大于10 ms，滤除小于10 ms脉宽的数据，以此判断是否为正常的分闸信号。最后再通过设置软件“看门狗”定时监视程序循环运行，若超出已知的循环设定时间进入死循环，则强迫系统复位，使系统恢复正常运行。

3 应用举例

本系统应用的最终目的是快速查明造成断路器偷跳的原因。对于无保护动作信号的断路器偷跳事件，现场最大的难题是如何甄别本次断路器跳闸是二次回路故障原因造成的，还是机构本身机械原因造成的。如果是二次回路故障造成的，那么如何快速甄别跳闸脉冲来自哪个回路是现场的主要工作。因此，合理设置监测点，可以有效地缩小查找范围，快速接近故障点。具体运用举例如图14所示。

图14 跳闸脉冲监测系统的应用示意图

按图14布置的5个监测点中，安装在跳闸线圈根部的1号监测点为电气量跳闸的总监测点，如果发生断路器偷跳事故后在1号监测点未检测到跳闸脉冲，可认为本次断路器偷跳事故是由于断路器本身的机械原因造成。如果在1号监测点检测到跳闸脉冲，而2，3，4，5号监测点未检测到跳闸脉冲，则可认为A点到B点之间的二次电缆可能存在故障。如果在2，3，4，5号监测点检测到得到了某一对应的跳闸脉冲，则可根据监测器安装的位置得到故障支路的具体位置信息。监测器可以在基建施工时统一安装使用。也可以在发生断路器偷跳故障后，其原因不明时则有针对性地安装使用。

5 结束语

跳闸脉冲监测器具有外形小巧、低功耗、免维护，适应不停电安装的特点，合理适时地布置监测点，可以快速有效地缩小故障查找范围，快速排除故障，保障系统安全运行。

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