35 kV断路器跳合闸线圈实时测控保护装置的研制

金慧，张高潮，刘际波，应海珏，刘化文

（国网浙江文成县供电公司，浙江文成325300）

35 kV断路器跳合闸线圈实时测控保护装置的研制

金慧，张高潮，刘际波，应海珏，刘化文

（国网浙江文成县供电公司，浙江文成325300）

针对35 kV断路器跳合闸线圈易烧毁问题研发了一种线圈测控保护装置，该装置利用单片机系统控制测温模块和电流检测模块实时测量线圈温度和线圈电流，实现线圈过温保护和线圈长期通流保护，当合闸线圈通流时间超过设定值时，使用大功率开关模块断开线圈回路，并借助实时时钟模块记录故障时间和通过液晶显示，达到保护线圈和记录线圈故障信息的目的。

断路器；合闸；线圈；温度；电流；通流时间；保护

0 引言

断路器是变电站中重要的设备之一，无论线路处于何种工作状态，当要求断路器动作时，断路器应能可靠、迅速地动作[1]。在35 kV及以下变电站中，还有大量的电磁操作机构断路器在运行。大量运行数据表明，中低压断路器的电磁操作机构稳定性较差，在操作过程中，经常会出现拒分、拒合等故障，特别是当断路器出现执行机构卡涩、线圈控制回路接点粘连无法断开及辅助开关节点不到位等故障时，线圈常会长期通电，造成线圈过热而烧毁，大大降低断路器的运行可靠性。

目前中低压变电站基本上无人值守，大量断路器都通过远程操作，当出现上述故障时，无法及时断开控制电源，极易造成线圈烧毁，必须到现场人工更换线圈解决，大大增加了负荷恢复供电时间。

针对35 kV断路器跳合闸线圈存在的这一问题，研制了一种能够实时监控线圈动作电流、温度，并在故障时及时断开线圈回路的实时测控保护装置，提高了断路器的运行可靠性。

1 线圈实时测控保护装置构架

装置的系统原理如图1所示，以单片机作为计算与控制核心，通过测温模块实时检测线圈温度，使用电流检测模块检测线圈电流。为提高保护模块工作的可靠性，设计了2套保护（见图2）：第1套为定时限电流保护，通过设定线圈的最长通流时间T1实现对线圈的保护功能，此保护动作后，经过一定时间延时T2后，自动复归；第2套为线圈过温保护，通过测量线圈的实时温度与保护温度设定值进行比较实现，此保护动作后，说明线圈合闸回路出现严重故障，需要现场检查，手动复归。与此同时，装置将记录故障时刻、故障温度、故障电流和通流时长等，并形成报警信息。

图1 装置系统框图

图2 装置保护逻辑框图

2 线圈实时测控保护装置设计

2.1 装置硬件设计

装置的硬件主要包括单片机、电源模块、实时时钟模块、测温模块、电流检测模块、液晶显示模块和大功率开关模块7大部分。

单片机型号为C8051F020，其运算速度快，内存大，有64个I/O口，内置高精度ADC/DAC和定时器，支持22个中断源，符合装置设计要求。

装置电源模块采用输入电压为220 V交直流两用及输出电压为5 V的通用电源模块，具有体积小、在装置安装场所电压容易获得以及输出电压线性、稳定的优点。

实时时钟模块采用DS1302时钟芯片，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，采用三线串行接口方式，可提供年、月、日、星期、时、分和秒等时间信息[2]，工作电压宽，达到2．5～5．5 V，且采用双电源供电，如图3所示，BT1为备用电源。所以DS1302时钟模块可以做到掉电不间断计时，大大提高了系统计时的可靠性和准确性。

图3 DS1302外部接线

测温模块由单片K型热电偶和MAX6675芯片电路组成，其原理图如图4所示。热电偶是一种感温元件，把温度信号转换成热电动势信号，具有测量精度高、热响应时间快、测量范围－40～+ 1 600℃、性能可靠、机械强度好、使用寿命长等优点。MAX6675是K型热电偶信号放大与数字转换器，将温度测量值转换成计算机能够识别的16位二进制数字温度读数，转换误差为0．25℃，可实现0～1 023．75℃范围内温度的转换[3]，而且具有SPI串行口温度输出，可直接与单片机连接。

图4 热电偶测温电路

电流检测模块采用HCS－LSP3额定电流20 A的闭环霍尔电流传感器，具有2．5～5 V电源供电、穿心式结构、将电流量转换成电压量输出的特点，可以直接使用单片机内设的ADC模块进行采集，并计算出相应的电流值。霍尔电流传感器接线如图5所示。

图5 霍尔电流传感器接线

液晶显示模块使用J12864液晶模块，可显示字符和图形，且内置8 192个中文汉字，满足装置显示要求。

35 kV断路器线圈的额定工作电压通常为DC 110 V或220 V，动作电流通常小于10 A，所以普通的继电器、开关器件无法满足设计要求，且继电器具有开断速度慢的缺点，会对断路器分合闸时间造成较大影响。鉴于此，装置设计了一种场效应管开关电路作为大功率开关模块，以控制线圈回路的通断。设计选用了IRFP460型场效应管，其最大工作电压可达500 V，最大工作电流为20 A，满足现场工作环境的需求，且响应快、开断电流无电弧、可靠性高；又由于线圈回路属于高电压、大电流回路，直接使用单片机控制场效应管通断线圈回路可能会造成单片机损坏，因此，在单片机和场效应管之间使用体积小、隔离电压高的P127型光耦隔离元件，增加了设备运行可靠性。其原理图如图6所示。

图6 大功率开关电路原理

2.2 装置软件程序设计

装置的单片机程序主要完成对热电偶温度、实时时钟芯片时间、霍尔电流传感器测量电流的读取，并将读取的信息显示在液晶屏上。为了提高所检测温度值和电流值的精度，在温度、电流检测中断程序中，采用取多点平均的方法进行计算，有效提高了测量的准确度和抗干扰能力。

软件流程如图7所示。当线圈通电动作时，单片机实时比较热电偶测得的线圈温度T和设定温度Tset，当实时温度T大于设定温度Tset时，单片机控制大功率开关电路关断线圈回路，在显示屏上显示当前时间和温度值并报警；同样，线圈通电时开启定时器，记录线圈的通流时间time和电流大小I，time大于设定值Ti时，单片机控制大功率开关电路关断线圈回路，在液晶屏上显示当前时间、通流时间Ti和电流值I，并报警。

图7 单片机工作流程

3 断路器线圈特性试验与定值整定

由于温度是一种惯性较大的物理量，不是一个突变量，当线圈通电后，其温度不会立刻达到最大值，需要一定的温升过程；另外，线圈的电阻会随温度的升高而增大（此温度小于线圈烧毁温度临界值），流过线圈的电流会逐渐减小。根据温度惯性大、线圈电阻受温度影响的特性制定以下试验方案：将可调直流稳压电源输出直接连接线圈，在线圈上安装好测温传感器和电流检测传感器，调整直流稳压电源输出电压为220 V，按下输出按钮，开始计时，记录此时的电流值I1，到达试验通电时间t0时，再记录此时的电流值I2，同时迅速切断电源，记录断电后线圈能达到的最大温度值T，即为线圈在该电压和通电时长下的正确温升。试验室温为25℃，I1为刚通电时流过线圈的电流，在没有温升的情况下，即每组通电时间试验的I1相等，I1=2.33 A。详细数据如表1所示，线圈电流、温度与时间的关系曲线见图8、图9。

通过图8和图9的分析，当通流时长达到105 s时，线圈电流突然增大，线圈烧毁，此时的线圈温度为133.5℃。

根据实验结果，考虑实际正常断路器的动作时间，对装置内2套保护定值进行设定：第1套定时限电流保护的电流定值设定为0.2 A，时间定值T1设定为5 s，自动复归时间定值T2为20 s；第2套温度保护过温定值设定为70℃，该保护动作后，不能自动复归，需技术人员现场检查处理后，手动复归。

表1 线圈特性试验数据

图8 线圈时间-电流曲线

图9 线圈时间-温度曲线

4 结语

研制了一种35 kV断路器跳合闸线圈实时监控保护装置，装置除具备断路器分、合闸过程中线圈温度、动作电流及线圈状态等实时监控功能外，还重点设计并实现了基于线圈电流及温度的双重保护方案，有效防止了跳合闸线圈的烧毁事故，明显减少了断路器的修复时间，提高了配电网供电可靠性。

目前装置还不具备通信功能，下一步重点工作是实现装置与变电站后台测控系统的实时通信，实现对断路器状态的远程监控，进一步提高检修效率，确保配电网的稳定运行。

[1]胡浩，侯慧军.断路器合闸线圈烧毁的原因分析与对策[J].电力安全技术，2014，16（4）:26-28.

[2]王晨光，孙运强.串行时钟芯片DS1302在温度测量记录仪表中的应用[J].电子测试，2008，（12）:65-75.

[3]江和，田晓科.MAX6675在各种型号热电偶温度测量中应用[J].电子测量技术，2004，（4）:31-33.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]王树声.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2010.

[6]吴凌燕，陈世夏，丁国臣.基于C8051F020的液晶显示应用研究[J].仪表技术，2009，（1）:36-38.

[7]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

（本文编辑：杨勇）

Development of Real-time Measurement and Protection Device for Tripping Coil of 35 kV Breaker

JIN Hui，ZHANG Gaochao，LIU Jibo，YING Haijue，LIU Huawen
（State Grid Wencheng Power Supply Company，Wencheng Zhejiang 325300，China）

The tripping coil of 35 kV breaker is frequently burned out.Therefore，a coil measurement and protection device is developed.The device uses single-chip microcomputer（SCM）system to control the temperature measurement module and uses current detection module for real-time measurement of coil temperature and coil current，for the purposes of overtemperature protection of coil and long-term throughflow protection.In case the throughflow time exceeds the set value，high-power switch module is used to disconnect the coil loop and real-time clock module is used for fault time record and LCD display so as to protect the coil and record coil fault information.

breaker；switch-on；coil；temperature；current；throughflow time；protection

TM561

：B

：1007-1881（2016）03-0014-04

2015-12-18

金慧（1975），女，工程师，从事变电站设备运维、检修技术管理工作。