基于DSP的智能断路器合闸线圈保护装置

甘凌霄, 张大贵, 张衡, 朱剑宇, 卢兴福, 刘洋

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550000)

0 引 言

高压断路器在电力系统中扮演着非常重要的角色[1-2]，起着控制和保护作用[3]。它是变电站机械和电气动作最频繁的设备,在运行过程中有很高的故障率,并易引起电网事故,造成较大的经济损失[4]。在电力系统的实际生产运行中，断路器的分/合闸线圈由于操作频繁，导致事故频发[5-8]。电网公司中有部分高压断路器由于运行时间较长，设备老化严重，内部设计不合理等原因，在日常生产过程中给运行与检修人员带来了极大的不便。对于老式的断路器，其合闸线圈往往放置在机构内部，不易拆卸与更换。一旦合闸线圈发生烧损等故障，那么对其进行更换将是一件费时费力的技术工作，将严重降低电网公司的供电可靠性，增加电网运行风险。目前国内、外在合闸线圈保护领域的研究主要集中在高压领域。这类保护的主要特点是：系统复杂，功能强大，价格高昂，技术先进[9]。而在电网实际生产运行中，单独针对合闸线圈保护的研究几乎还处于停滞阶段。针对这一实际生产情况，研发了一种基于DSP的新型智能断路器合闸线圈保护装置。相对于传统的断路器合闸线圈保护装置，该装置采用单独的外接式电源，通过程序智能的判断出断路器的运行状态。当断路器发生故障或者不满足合闸要求时，保护装置智能的切换断路器的控制回路，以达到保护合闸线圈的目的。此外，该装置完全独立于断路器的控制回路，对原断路器的控制回路不造成任何干扰。即使保护装置发生异常，也不会对断路器的正常运行造成影响，大大地提升了电网的供电可靠性，减少了电网停电时间。

1 常规断路器合闸线圈故障原因分析

对于断路器合闸线圈来说，造成其故障的原因很多。但是从电网多年的运行实际与经验来看，造成合闸线圈故障的主要原因有以下两点：一是由于电压不足，导致分/合闸线圈两端长期带电。根据中国南方电网公司《电力设备检修规程》，合闸脱扣器应能在其交流额定电压的85%～110%范围或直流额定电压的80%～110%范围内可靠动作；分闸脱扣器应能在其额定电源电压的65%～120%范围内可靠动作，当电源电压低至额定值的30%或更低时不应脱扣[10]。当变电站直流系统发生故障时，断路器实际控制电压低于《电力设备检修规程》所要求的操作电压时，就可能造成断路器合闸线圈两端长期带低压电，导致合闸线圈烧损。或者断路器保护装置的操作箱内部发生故障，导致断路器输出的正电压低于《电力设备检修规程》所要求的操作电压时，也可能造成断路器合闸线圈烧损。二是断路器在合闸过程中，由于断路器故障，辅助开关DL不能正确动作，导致合闸线圈HQ两端长期带电，致使合闸线圈烧损，具体原理如图1所示。图1为国内常用的某型号断路器操作箱原理图。作如下说明，当合闸指令下发时，合闸保持继电器HBJ启动，合闸保持继电器HBJ的常开触点变为常闭触点，从而形成自保持，直至合闸线圈HQ动作完成以后，使辅助开关DL的触点完成切换后，合闸保持继电器HBJ失去负电，使合闸保持继电器HBJ复归，完成整个合闸过程。但是如果断路器机构发生故障时，辅助开关DL不能正确动作，那么合闸线圈HQ将会由于长期带电，造成线圈损坏。

图1 某型号断路器操作箱原理图

2 新型智能断路器合闸线圈保护装置介绍

图2 断路器合闸线圈保护原理

针对上述在运行过程中发现的实际问题与缺陷，设计了该新型的智能断路器合闸线圈保护装置，以解决断路器在实际运行过程中出现的缺陷。该装置设计原理如图2所示。本装置通过实时监测控制回路的电压信号，诊断断路器故障状态，从而控制串联在控制回路中的具有开断能力的继电器常闭接点来实现对断路器合闸回路的保护。相对于传统的合闸线圈保护装置，本装置有以下几方面的优点：一是只将继电器的常闭接点串联于断路器合闸回路中，能保证断路器的合闸回路不增加任何电阻，不对断路器的动作电压产生任何负面影响。此前有学者将时间继电器并联于合闸回路中，虽然也能实现合闸线圈的简单保护，但是对合闸回路的整体电阻值造成了影响，可能会影响断路器正常合闸。二是本装置选用的是具有开断能力的继电器，从源头上面防止了接点粘连，甚至接点拉弧等现象的出现，能够保护断路器在故障状态下顺利地断开接点，起到保护合闸线圈的作用。三是通过电压型霍尔传感器来采样，保证了控制电缆的完整性，不会导致因为线头表皮破损而造成直流接地等增加断路器的故障点。四是故障判断通过数字处理分析，使得故障判断更为精准，故障时间判断提升至毫秒级，继电器输出更为精确。

2.1 智能保护装置硬件设计

所设计的断路器合闸线圈保护装置主要由CPU核心电路、检测回路、通信回路、存储回路和控制回路构成，如图3所示。

图3 断路器合闸线圈保护装置硬件结构

与一般的单片机控制系统相比,数字信号处理器DSP具有更高的处理速度、更小的功耗和体积,因此CPU核心电路采用美国德州仪器(TI)设计生产的TMS320LF2407A芯片，其内部具有10位A/D转换器,最大采样速度可达2 MHz，拥有40个可独立编程的复用I/O口，片内串行通信接口可实现上位机通讯和外设之间通信，满足所需实现功能外，也简化了外围电路的设计。

检测回路主要由电压霍尔传感器和信号调理电路组成，电压霍尔传感器采用FW.BELL公司的CLSM-10MA型号传感器，对直流电压隔离转换并经过信号调理为0～3.3 V，传输给DSP自带A/D转换模块进行采样计算；通信回路用来实现对动作事件的上报和参数的远程设置；存储回路用来存储设置参数和动作事件；控制回路主要用来断开常闭继电器和发出报警信息。

2.2 智能保护装置软件设计

DSP运算模块是本装置最为核心的模块。其核心功能是把从采样模块输入的模拟电压值转为数字信号,数字信号再传入故障判断子模块。故障判断子模块中是以单片机语言所编译的程序，数字信号输入故障判断子模块中的程序后，DSP会智能的判断出当前断路器所处的状态，并将指令下发至开出模块，由此控制继电器动作，以实现断路器合闸线圈保护的功能。

本装置针对上文所述合闸线圈容易发生的缺陷，设计了电压保护子模块和时间保护子模块。电压保护子模块主要是考虑在现场运行实际中，由于保护装置或者直流电源可能发生异常，导致断路器合闸回路在实际运行中造成合闸线圈两端的电压超过《电力设备检修规程》的规定，导致合闸线圈烧损。

电压保护子模块具体设计方案如下:

(1)

式中:U+KM为控制正电压；U-KM为控制负电压；Ue为额定控制电压；

装置保护逻辑为：U≥Uset，电压质量合格，则装置常闭触点不变位；U

本装置除了电压保护子模块以外，还设计了时间保护子模块，其主要功能是：

针对上文所描述的断路器在合闸过程中，由于断路器故障，辅助开关DL不能正确动作或者相关接点粘连等，导致合闸线圈HQ两端长期带电，致使合闸线圈烧损的情况，基于DSP程序判断了出当前断路器的实际状态，通过计时开出模块实现合闸线圈的保护功能。

(2)

式中:T为采样时间，即输入时间；Tset为装置定值设置时间；

装置保护逻辑为：当电压保护满足技术要求时，装置认为输入电压合格，常闭接点不启动。T≤Tset,输入时间合格，装置常闭触点不变位，合闸回路正常；T>Tset，输入时间不合格，装置常闭触点打开，红灯亮，报警提示时间不合格。

3 结束语

根据电网公司在现场运行实际中提出了一种基于DSP的智能断路器合闸线圈保护装置，能够较好地解决断路器在合闸过程中因故障造成合闸线圈频繁故障的缺陷，大大降低了检修人员的工作量，降低了电网运行风险，提高了供电可靠性。相对于传统的断路器合闸线圈保护装置，该装置采用单独的外接式电源，通过程序智能的判断断路器的运行状态，当断路器发生故障或者不满足合闸要求时，保护装置智能的切换断路器的控制回路，再者本装置完全独立于断路器的控制回路，对原断路器的控制回路不造成任何干扰。即使保护装置发生异常，也不会对断路器的正常运行造成影响。本装置通过电压保护子模块和时间保护子模块，良好的区分了电网公司专业班组的分工界面，极大的提升了电网公司的生产效率，为日后的智能化一次设备的广泛应用奠定了坚实基础。