PT熔断器故障监测系统研制

郑 燕 刘国华

(1.浙江华电乌溪江水力发电厂， 浙江 衢州 324000； 2.国网浙江衢州供电公司， 浙江 衢州 324000)

浙江华电乌溪江水力发电厂位于浙江省衢州市境内，是浙江电网的主力调峰电厂，在运行过程中机组PT断线报警故障信号较多。根据运行经验，PT熔断器故障引起的停电故障频频发生，占各类故障的一半以上[1-2]。电磁式电压互感器熔断器熔断后，将影响电费的计量，严重时甚至烧毁电压互感器，造成不必要的损失。熔断器安装位置分散，依靠人力对其监视的工作量极大，而且熔断器在发生熔断后，不易被发现，导致其更换周期长，极易造成重大的经济损失[3]。为保证供电的可靠性，必须在线对熔断器的运行状态进行监视以便及时采取措施，避免重大事故的发生及重大经济损失。

本文设计一套在线远程监控PT熔断器工作状态的系统。通过在线监测采集的电压、电流数据与设定的正常工作的电压、电流数据进行比较，若偏差超过设定值，数据处理系统发出预警信息，并给出对应故障类型；若熔断器已经发生故障，数据处理系统则发出报警信息，有助于工作人员及时发现停电故障位置及故障原因，及时进行维修。因此，使PT熔断器始终工作在可控状态，对提高供电可靠性是非常有意义的。

1 系统组成和功能

PT熔断器故障监测报警系统包括熔断器监测点数据采集系统、数据处理系统和远程通信系统。数据采集系统主要完成对PT熔断器相关数据的采集处理；数据处理系统主要对数据采集系统采集的相关数据进行分析处理，当PT熔断器发生故障时，数据处理系统发出报警信息；远程通信系统将数据处理系统发出的预警信息、报警信息及相应熔断器的运行状况发送至监测人员的手机中，以便及时发现并处理故障[1]，其结构如图1所示。

图1 PT熔断器故障监测报警系统结构图

数据处理系统主要由单片机PIC18F4420组成，它是整套系统的核心[4]。通信系统包括通信的管理、通信相关协议转换及信息传输途径，主要内容包括通信通道及相关设施，为了降低系统的复杂程度，以简便的方式运行，决定采用GSM通信方式[5]数据采集系统安装在熔断器现场，通过电压互感器(PT)和电流互感器(CT)对熔断器的三相电压、电流参数进行采集监测；同时，将所采集到的数据送入数据处理系统进行分析处理，并存储相关数据。本系统采用MG8型电流互感器，同时采用TR1102-C型电压互感器。

2 PT熔断器故障监测系统硬件设计

2.1 电压采集前端处理电路

电压采集前端处理电路的主要功能是将高电压信号按比例变换并对其进行直流偏置，以匹配ADC模块的测量电压。这部分电路包含了电压转换电路、直流偏置电路和反相电路[6]，如图2所示。

图2 电压采集前端处理电路

电路输出电压U0：

2.2 电流采集前端处理电路

熔断器电流信号通过电流互感器CT(Current Transformer)输出后经由精密多圈电位器R2将电流转换为电压，它的幅值大小可通过电位器来进行调节，直流偏置电路的原理和反相电路的原理与电压采集前端处理电路相同[7],如图3所示。

图3 电流采集前端处理电路

2.3 单片机电路设计

单片机外围电路包含有时钟电路和复位电路。时钟采用4 MHz无源晶振,复位电路支持上电复位和按键复位。单片机串行接口电路实现RS232电平转换，见图4。

2.4 远程通信模块外围电路设计

本系统采用西门子公司生产的TC35GSM通信模块，其适用于GSM通信方式。TC35的供电范围为3.3～5.5 V，采用单片机供电电源(5V)为其供电。通过串口电路将TC35与图5中的DB9连接，实现通信。

3 PT熔断器故障监测报警系统软件设计

软件系统需要完成的是采集数据、对数据进行分析判断以及发送故障信息等，其总体流程框架图如图6所示。

图4 单片机外围电路设计

图5 GSM模块串行口电平转换电路

图6 软件流程框图

PIC18F4420的程序包含数据采集、分析处理和通信控制,由C语言编写。通信控制程序完成系统初始化，建立网络连接，解析远程主机请求，将指定数据源加上标志信息和验证信息构成数据帧并发送[8]，其程序流程见图7。

图7 终端控制与通信程序流程图

数据采集系统对各信道数据进行采集与存储，为数据分析程序提供原始数据。数据分析程序将分析计算得出的结果传输给通信控制程序，为其提供源数据。

4 实验分析

本装置采用220 V电源供电，体积小，安装简单。两侧接口分别采集熔断器的电压、电流信号，经单片机处理后由GSM将故障信息发送至监测人员。

(1)单相接地引发铁磁谐振故障

单相接地结束时，由于系统中的电容和电感导致系统出现过电压现象，此种过电压可以引发设备故障甚至断电等，其波形图如图8所示。

图8 单相接地故障引发的铁磁谐振故障C相电压波形(故障后未切掉电源)

在系统出现此类故障时，熔断器在线监测系统采集熔断器的电压信号，并对其进行傅里叶变换，分析判定熔断器的故障为铁磁谐振故障，然后通过GSM通信端向监控人员发送故障报告、故障类型及故障地点，以使故障得到及时处理。

(2)电压互感器二次侧发生短路故障

当电压互感器二次侧出现短路故障时，极易在短时间内造成熔断器发生熔断故障，其波形图如图9所示。当熔断器在线监测系统监测到流经熔断器的电流突变3～5倍时，通过GSM通信端向监控人员发送报警信息，指出短路故障发生的地点，以便在故障后及时得到维护。

图9 电压互感器二次侧短路故障分析

(3)负载过重导致熔断器故障

若系统负载过重，流经熔断器的电流将变大，尤其是负载突然增加时，会导致流经熔断器的电流发生突变，极易造成熔断器发生熔断故障，此时，熔断器在线监测系统会判定此类故障为负载过重引起的，并向监控人员发送故障报告。

5 结 语

本文研制了一套基于GSM的PT熔断器在线监测系统，在实验室运行结果表明，系统在熔断器发生故障后能及时向监控人员发送报警信息，尤其是在熔断器发生熔断故障后，该系统能够及时将故障信息发送到监测人员的手机上，以便能快速准确的更换故障熔断器。

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