真空断路器分合闸线圈电阻测量装置的研制与应用

2018-06-11丁一岷夏强峰屠晔炜

浙江电力 2018年5期

邓涛，丁一岷，夏强峰，屠晔炜

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江嘉兴 314003）

0 引言

真空断路器因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名。它具有体积小、重量轻、可频繁操作、灭弧不用检修的优点，适用于要求无油化、少检修及频繁操作的场所使用[1-2]。断路器分合闸线圈材料质量及制作工艺的缺陷导致线圈电阻不合格问题时有发生，必定违背新建变电站的“零缺陷”投产要求，也给断路器的正常动作带来隐患。

传统的万用表测量法在分合闸线圈控制回路中只有线圈时测量较为准确，但实际变电站工程中所使用的大部分分合闸线圈回路中均存在整流模块，这将给测量结果带来很大偏差。另因在未通电情况下，使用万用表对分合闸线圈直接测量，线圈阻值可能会与通电情况有偏差。在完成安装之后，分合闸线圈完全密封于高压断路器内，操作人员需确保熟悉断路器内部工作原理，对拆装的结构十分了解。高压断路器的拆装过程较为繁琐，在拆除或更改被试设备上的试验接线之前，安全一定要得到保证[3-6]。

以下介绍一套真空断路器分合闸线圈直流电阻（简称直阻）测量辅助装置，该装置现场应用简单方便，测量安全风险小，能有效解决真空断路器分合闸回路带有整流模块导致线圈电阻无法测量的难题。

1 传统测量方法改进

1.1 真空断路器分合闸线圈电阻测量存在的缺陷

在安装完成的高压开关上进行电阻测量，传统万用表测量方法试验原理如图1所示，即在要测量线圈回路上施加一个电压VCC，测量取样电阻R1两端电压和电源电压进行计算。

图1 传统测量线圈电阻原理

但实际情况中，在线圈回路里还有整流桥等其他电子器件，有的开关线圈回路既有整流桥又有NMOS（N型金属-氧化物-半导体）管，见图2。

图2 带有整流器件的线圈回路

图2中，以电源电压24 V，取样电阻100 Ω，线圈电阻129.6 Ω和整流桥压降共1.4 V为例，在不考虑测量偏差的情况下，根据现有的测量方法计算出线圈阻值约为143.8 Ω，与实际相差较大。如果在线圈回路中多了一个NMOS管，系统的测量必须在NMOS管导通时进行，否则在NMOS管关断后无法测量。现有技术测量时间太长，测量准确度非常低，因此目前的试验设备无法在通电情况下对线圈电阻进行测量。

1.2 真空断路器分合闸线圈电阻测量方法改进

由于整流桥和NMOS管均在高压断路器内部，并且各类型号断路器设备都不相同，因此无法直接得知整流桥的压降。

针对以上问题，一方面在NMOS管导通期间快速测量，避免关断之后测量带来的误差（若无NMOS管也并无影响），通过软件的改进能完善这一功能，实现快速测量。另一方面需要降低整流桥压降的影响。对于这一方面可以分两部分实施：一是可以增大回路中的电流，如果电流增大，那么大部分电压会分在取样电阻和线圈上，此时整流桥的压降相比于落在取样电阻和线圈上的电压较小，从一定程度上提高了测量精度，所以测量的电源电压需提高；二是在提高电压之后若能进一步减小整流桥压降所带来的误差，那么线圈电阻测量试验就能顺利开展。针对这一情况，可以分2次使用不同大小的取样电阻进行测量。因整流桥在一定的范围内改变电流值，其压降不会有很大变化，因此可假定2次测量的压降相同，从而更准确地计算出线圈电阻值。设计思路如图3所示。图3中R1和R2分别为2次测量的取样电阻，通过2次测量可得：

式中：I1为第一次测量时流过取样电阻R1的电流；I2为第二次测量时流过取样电阻R2的电流；Vf1为第一次测量时整流桥的压降；Vf2为第二次测量时整流桥的压降，假定2次压降相同；Rx为要测量的线圈电阻。由式（1）和（2）可得 I1×（R1+Rx）=I2×（R2+Rx），即可求得 Rx。

图3 设计电路原理

2 真空断路器分合闸线圈电阻测量装置设计与研制

测试系统由操作电源、辅助电源、主控制器、显示屏及按键组成。操作电源提供操作机构正常分合闸的直流操作电压，辅助电源由开关电源产生，供主控制器及其他采样、控制电路工作。主控制器通过显示屏和按键组成人机交互界面，控制测量输出和操作输出，测量电压信号，计算直流电阻并显示在屏幕上。装置原理框如图4所示。

图4 装置原理框图

制作与实施小型开关直阻测试辅助装置，需要搭建电源模块、控制模块、测量模块、操作模块和显示模块5个部分的功能。

2.1 电源模块

工程应用中，常采用的电源技术有2种，即线性电源技术和开关电源技术，而开关电源技术具有效率高、体积小、发热小、功耗低和重量轻（体积和重量只有线性电源的20%~30%）等优点，并且自身抗干扰性强、输出电压范围宽、易于模块化[7-8]。结合实际需要，决定采用以开关电源技术为主体的电源模块，主要实现以下2个目标：

（1）将220 V AC电源转换成30~270 V操作电源、24 V的开关电源以及3.3 V，5 V，12 V，-15 V的辅助电源。

（2）实现操作电源的连续可调。设计采用电源模块的核心部分电路如图5所示。

采用开关电源技术得到装置工作所需的直流电压，包含开关操作电源、线圈电阻测量电源、辅助电源3个子模块。操作电源提供操作机构正常分合闸的直流操作电压，辅助电源由线圈电阻测量电源产生，供主控制器及其他采样、控制电路工作。

图5 电源模块电路设计

2.2 控制模块

装置需要对各模块间进行有效的配合控制，对采集到的电压、电流进行准确监测，并将电压、电流数据输出到数据处理模块，将处理得到的线圈电阻值在显示屏上进行显示。单片机在我国普及程度高、体积小、功能强、工作可靠性好、性价比高，且能够处理复杂的逻辑计算，满足项目中相关逻辑计算要求，各类接口也比较丰富[9-10]，综合考虑采用单片机作为系统的控制核心来搭建控制模块，主要实现以下2个目标：

（1）将接收到的指令信号进行处理并存储。

（2）有效控制其他各模块的运行状态。

数据控制处理模块主要实现装置对试验过程的控制及保护，采用的是单片机MEGA64芯片，其主要电路如图6所示。

图6 控制模块电路设计

选用AVR的MEGA64作为主控制器，I/O口较多，将显示屏接口直接挂在控制器的数据总线上，操作速度快，无延时和闪屏现象。另外控制器内置的8通道10位A/D转换器，无需外部基准电压，就可以对各路电压信号进行测量。

2.3 测量模块

常用的测量模式主要有直接测量模式、间接测量模式和组合测量模式，通过比较发现组合测量模式在测量过程中，改变测量条件来获得不同被测量的组合，可通过直接测量和间接测量所得的数值，进行求解组合方程而得到被测量的数值[11-12]。该方式综合了直接与间接2种测量方法的优点，能够真实反映装置需要监测的电压、电流数值，能全面反映装置各部分的电气量数值，虽然稍显复杂，但是满足装置设计监控要求。

故采用组合测量模式来搭建测量模块，主要实现以下2个目标：

（1）装置输出的电压、电流信号的采集正确率达100%。

（2）采集数据反馈给被测线圈回路以及数据处理模块的正确率达100%。

测量模块电路如图7所示，其中K1用于切换测量电源和操作电源输出；K2为分闸输出继电器；继电器K3用于切换一次测量和二次测量的回路电阻；K4为合闸输出继电器；运放U1测量电阻R1和R2的上端电压；运放U2测量电阻R1和R2的下端电压。2次测量的电压组成方程式，即可计算出负载的线圈电阻大小。

2.4 操作模块

为实现断路器分合状态的选择操作，以及操作电压的设置，选择矩阵模式设计操作模块。矩阵模式原理也相对比较简单，实现起来难度不大，适用于按键数目较多的装置或设备，可避免单片机I/O资源的浪费[13-15]。

采用矩阵模式来搭建操作模块，其电路设计如图8所示，主要实现以下2个目标：

（1）断路器分合状态的选择操作正确率100%。（2）操作电压的设置，精确到个位。

使用矩阵式操作模式，实现分合闸线圈测量状态的选择和参数的设置功能。

2.5 显示模块

触摸液晶、彩色液晶、黑白液晶各有特点，在各类仪器设备中广泛应用，由于本装置仅需显示操作电压设定值以及线圈电阻测量的数值，对于显示要求不高，经过各方面比较，黑白液晶可与任何单片机、ARM处理器、DSP（数字信号处理器）配套使用，技术成熟度高，适用于对显示要求不高的场合，且电路简单，稳定可靠[16-17]。

图7 测量模块电路设计

故采用以黑白液晶模式来搭建显示模块，其电路设计如图9所示，主要实现以下2个目标：

（1）具有常态与背光2种模式，适应不同工作环境。

（2）以数字方式显示操作电压设定值、电阻测量值，保留小数点后1位。

图8 操作模块电路设计

图9 显示模块电路设计

液晶显示电路用于液晶屏的显示与驱动，选取122×32的小型图形点阵式液晶屏，能够显示较多的文字信息和数字信息。

2.6 装置整体组装验证

为验证装置在分合闸线圈电阻测量数据方面的准确性，任意选取6组分合闸线圈，分别采用万用表法和本装置进行测量，并与铭牌数据进行对比，测量结果如表1所示。

由试验对比数据可知，本装置测得的电阻值符合分合闸线圈铭牌数据，测量数据具有较高的准确性，装置得到了有效验证。

表1 线圈电阻测量对比数据

3 真空断路器分合闸线圈电阻测量装置的应用

经统计，某公司2016年承担工程中有13个涉及到真空断路器分合闸线圈电阻测量，只有1个顺利实现了电阻的测量。2017年所承担工程中有9个涉及到真空断路器分合闸线圈直阻测量，在装置研制出之前，均无法实现直阻测量，研制出后直阻试验顺利开展。在装置研制出前后，真空断路器分合闸线圈电阻通过航空插头测量的完成率如图10所示，同时完善了试验报告内容，进而有效全面检查了设备的工艺质量，保证设备零缺陷投产送电。

图10 真空断路器分合闸线圈电阻通过航空插头测量完成率

所研制的真空断路器分合闸线圈直阻测量装置在断路器安装交接试验中进行了实际应用，取得了较好的效果，试验的准确性和效率均很高，装置研制完成后真空断路器分合闸线圈均顺利开展了电阻值的测量试验，测量率达100%，解决了分合闸线圈电阻难以测量的难题，对于全面检查真空断路器质量，保证工程零缺陷投产送电具有重要意义。