高压断路器合(分)闸线圈电流在线监测系统的研制

陈志英，周小娜，卢超龙

(1.福建省高电压技术重点实验室，福建 厦门 361024；2.厦门国毅科技有限公司，福建 厦门 361006 )



高压断路器合(分)闸线圈电流在线监测系统的研制

陈志英1，周小娜1，卢超龙2

(1.福建省高电压技术重点实验室，福建 厦门 361024；2.厦门国毅科技有限公司，福建 厦门 361006 )

针对目前高压断路器在线监测系统的研究现状与不足，为及时发现运行中的高压断路器故障，提高运行可靠性，提出了一种基于DSP的高压断路器合(分)闸线圈电流在线监测系统的设计方案.该方案以TMS320C28346为系统控制核心，利用AD7606实时采集断路器合(分)闸线圈电流信号，采用包络均值法去除波形中的噪声和干扰，提取线圈电流波形中的关键时间点和电流最大值，计算合(分)闸时间，根据电流最大值与合(分)闸时间是否在正常范围内进行故障判断，并将电流最大值、合(分)闸时间、日期和运行状态显示在LCD上.实验结果证明，该方案可实现断路器合(分)闸线圈电流的实时监测，可及时发现故障，具有实时性能好、精度高等优点，合闸线圈电流最大值误差在1.29%，合闸时间误差在0.26%；分闸线圈电流最大值误差在1.61%，分闸时间误差在0.7%.

高压断路器；合(分)闸线圈电流；在线监测；TMS320C28346；包络均值法

在电力系统的一次设备中，高压断路器是仅次于发电机和变压器的大型电力设备.当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备；当系统发生故障时，它和继电器保护配合，迅速切断故障电流，防止事故范围扩大.若高压断路器无法正常运行，会造成线路、设备受损，电量损失，用户大面积停电，影响正常的社会生产与生活[1].因此，高压断路器作为电力系统中的重要控制与保护设备，对其进行维护与检修以确保它正常运行至关重要[2-3].

对断路器在线监测可以及时发现故障，提高运行可靠性.合(分)闸线圈是断路器操作机构的重要组成部分，线圈电流波形中包含了断路器运行状态的关键信息，如线圈卡滞、辅助触点状态等[4-7].因此，通过对高压断路器的合(分)闸线圈电流的实时监测，分析波形中的关键信息，可判断断路器是否出现故障.

目前，现有的高压断路器在线监测系统多采用高速采集卡采集信号，并将采集的数据通过串口传输给上位机进行故障诊断，成本较高，由于需传输的数据量较大，实时性也受到影响.针对上述缺点，本文提出了一种以TMS320C28346为控制核心的合(分)闸线圈电流在线监测系统设计方案，包括传感器的选型、调理电路和AD采样电路的设计以及软件设计，断路器的合(分)闸线圈电流信号经过传感器、调理电路以及A/D转换后输入到控制核心进行分析、处理，实现电流信号的实时监测、合闸时间等参数的计算以及故障判断.

1 断路器合(分)闸线圈电流信号处理与故障诊断

1.1 合(分)闸线圈电流

断路器的合(分)闸线圈电流信号是判断断路器是否正常运行的重要依据[8-9]，通过分析线圈电流波形可得到触头合(分)闸动作启动时刻、合(分)闸时间等参数，其典型波形如图1所示.图1中线圈电流变化总共经历了4个阶段：t0～t1为铁芯触发阶段，线圈电流不断增大，t0代表断路器合(分)闸动作的触发时刻；t1～t2为铁芯运动阶段，电流逐渐减小，可根据这段波形判断铁芯的运动状态是否正常；t2～t3为触头合(分)闸动作阶段，开始时刻在t2附近，线圈电流在t3时达到稳定值，此时断路器的动触头动作到位；t3～t4为电流切断阶段，辅助开关触头间的电弧被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小直至熄灭[10].因此，t0、t1、t2、t3、t4、I3代表了断路器在动作过程中线圈电流信号的关键点，提取这些关键点，并判断电流的最大值与动作时间是否在正常范围内，即可判断该断路器操动机构是否正常运行[11-13].

1.2 包络均值法

高压断路器在运行过程中存在一些无法避免的干扰信号，为提高在线监测系统的精度，正确提取合(分)闸线圈电流的特征信号，需对采集到的波形进行滤波、平滑等处理.包络均值法在保证波形不失真的前提下可以有效滤除干扰信号，其过程如下：

1)求极大值点对采集到的数据I(t)进行处理，首先找出数据中所有的极大值点(X)以及极大值点所对应的时间(Y)，组成一组新的节点，如式(1)所示：

(1)

2)用三次样条插值函数拟合形成原数据的上包络线在每个分段区间(Xi，Xi+1)内求解三次多项式函数Si(x)，其一阶导数和二阶导数在区间(X0，Xn)内是连续的，因此n个三次多项式的表达式如式(2)所示：

(2)

其中，ai、bi、ci、di代表4n个未知系数，表达式如(3)所示，i=0,1,…,n-1(已标注的除外).

(3)

在求解mi时，其方程仅有n-1个，而未知数有n+1个，因此还需对X0和Xn两端点的微分加些限制，增加两个方程方可解出所有mi的值.常见的限制条件有自由边界、固定边界以及非节点边界，不同的端点条件会得到不同的样条曲线.

3)求极小值点，其过程与1)相同.

4)用三次样条插值函数拟合形成原数据的下包络线，其过程与2)相同.

5)取上包络线和下包络线的均值，得到新的波形.

1.3 断路器动作触发时刻t0的提取方法

高压断路器动作的触发时刻t0为断路器接到合(分)闸指令的时刻，如图1所示，当检测到有上升沿信号时，即认为断路器接到指令.系统选用±10V作为采样芯片AD7606的输入范围，其最低有效位为305.175μV，精度为0.03%，即：采样最小电压变化范围ΔU=1V×0.03%=0.003V，而系统选用的霍尔电流传感器CSM010GT的精度为0.7%，即：转换最小电压变化范围ΔU=1V×0.07%=0.007V.因此，当线圈电流经转换后的电压变化大于0.007V时，认为线圈有电流流过，并将此时刻定义为断路器动作触发时刻t0，系统开始保存采样数据.

1.4 刚合(分)点的提取方法

高压断路器的合(分)闸时间是断路器的一个重要参数，其定义为断路器合(分)闸动作触发时刻到动静触头刚刚接触(或分离)的时间，而刚分、刚合点的提取一直是断路器在线监测分析的难点.目前，刚合(分)点的提取方法主要有振动信号分析法、触头加速度分析法等[14-17]，上述方法精确度较高，但实现过程复杂.本文采用辅助开关的开断确定刚分、刚合点[18]，在断路器动作过程中，主动轴带动主触头旋转到指定位置，辅助开关的状态发生变化，辅助开关状态变化时刻，即为刚分、刚合时刻.1.5 故障诊断方法

同种型号的高压断路器的线圈电流波形具有很高的重复性，通过多次实验，可确定断路器正常工作时的合(分)闸时间与电流最大值的范围.当线圈出现卡滞、匝间短路等故障时，合(分)闸时间与电流最大值会出现明显变化.因此，可采用判断合(分)闸时间与电流最大值是否超出正常范围的方法进行故障诊断.通过断路器合(分)闸线圈电流在线监测系统实时测量线圈电流，经分析计算后，若线圈合(分)闸时间或电流最大值不在正常范围内时，则判断断路器出现故障.

2 系统硬件设计

断路器合(分)闸线圈电流在线监测系统的控制原理如图2.系统上电后对运行中断路器的合(分)闸电流进行不间断实时监测，合(分)闸线圈电流信号经霍尔电流传感器将电流信号转换成电压信号，通过调理电路处理后，将传感器输出电压的范围转换到AD采样芯片的工作电压范围内，AD采样芯片将模拟信号转换为数字信号，并输入到控制核心TMS320C28346，经计算分析后，将监测结果显示在LCD上.其中，电源电路为控制核心以及其他部件提供稳定电源，通过按键电路可选择显示界面及内容.

2.1 信号调理电路

系统选用CSM010GT型霍尔电流传感器将线圈电流转换成电压信号以便采集，该传感器体积小、精度高、线性度好，若仅给传感器供电，原边无电流流过时，传感器输出基准电压2.5V.根据传感器的技术参数，得到输入输出关系为：

(4)

其中：Iin为输入电流，即线圈电流；Vout为传感器输出电压.

高压断路器的合(分)闸线圈电流一般为0～5 A，则由式(4)可知传感器的输出电压范围为2.5～3 V.为满足AD采样芯片的分辨率与采样电压范围，需将传感器输出电压通过调理电路进行放大，其原理图如图3所示.该放大电路的输入输出关系为：

(5)

2.2 AD采样电路

为实现更高精度的采样，增加准确性，系统选用高速、低功耗16位的AD7606作为控制核心的外扩采样芯片，可对8个模拟输入通道进行同步采样，每个通道的吞吐率为200 Kbit/s，且芯片内置滤波器，传感器输出的电压可直接接入芯片的模拟信号输入引脚，采样电路如图4所示.

3 系统软件设计

系统软件主要包括：AD采样子程序、合(分)闸时间计算子程序、按键子程序、LCD12864显示子程序、RTC(实时时钟芯片)时间读取子程序，其主程序流程图如图5所示.上电后系统初始化，调用AD采样子程序，不间断地实时采集线圈电流；将采集到的波形经包络均值法滤波、平滑后，计算合(分)闸电流的最大值，并提取线圈电流的关键时间点，调用合(分)闸时间计算子程序，若超出正常范围，则发出警报，调用RTC时间读取子程序记录合(分)闸动作发生时间；等待按键按下，若有按键按下时，调用相应按键子程序与LCD12864显示子程序.

4 实验结果与分析

为验证系统的功能与正确性，在实验室搭建了断路器合(分)闸线圈电流在线监测的模拟实验平台，以ABB生产的VD4真空断路器为实验对象，采用220 V直流脱扣器，当接到合(分)闸指令后，延时20 ms后合(分)闸线圈才开始有电流，因此，实际合(分)闸时间应加上20 ms.以厦门国毅科技有限公司生产的机械特性仪GYT_07(精度为0.5%)测量的数据为标准对比数据，系统上电后对断路器进行合闸操作，运行一段时间后，对断路器进行分闸操作，采集到的合(分)闸线圈电流经包络均值法滤波，滤波前后的对比图如图6所示.重复合闸与分闸操作各100次，发现合(分)闸线圈电流变化趋势基本不变，特征值也在小范围内变化，任取其中10次实验结果，如表1和表2所示.同时，通过模拟断路器常见的几种机械故障，记录故障时的合(分)闸线圈电流的监测结果，脱扣器卡滞和脱扣器卡死的电流最大值分别为1.14 A和1.19 A，分闸时间分别为59.8 ms和大于100 ms.

实验结果表明，包络均值法能有效滤除干扰，平滑波形，且保证波形不失真；当断路器正常运行时，合(分)闸线圈电流最大值、合(分)闸时间在一定的范围内波动，与GYT_07测量的数据比较，误差在可接受范围内.以断路器分闸动作为例，当出现脱扣器卡滞现象时，会造成分闸时间的增加；当出现脱扣器卡死故障时，断路器无法完成分闸动作.

表1 断路器合闸线圈电流与合闸时间在线监测结果

表2 断路器分闸线圈电流与分闸时间在线监测结果

5 结语

本文提出了一种基于DSP的高压断路器合(分)闸线圈电流在线监测系统的设计方案，通过多次实验进行验证，得到以下结论：1)能够实时监测断路器合(分)闸线圈电流与合(分)闸时间，合闸线圈电流最大值误差在1.29%，合闸时间误差在0.26%，分闸线圈电流最大值误差在1.61%，分闸时间误差在0.7%；2)采用包络均值法对电流信号进行处理，实现波形的滤波与平滑且不失真；3)采用了一种简单且易于实现的刚分、刚合点分析方法，通过辅助开关的状态变化计算得到合(分)闸时间；4)根据合(分)闸时间和电流最大值是否在正常范围内进行故障诊断，可及时发现故障；5)记录动作发生的时间，并将监测结果(合(分)闸时间、电流最大值、日期、是否故障)显示在LCD上.该方案具有实时性好、精度高等优点，具有广阔的市场应用前景.

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(责任编辑 雨 松)

Design of Online Coil Current Monitoring System forHigh Voltage Circuit Breaker

CHEN Zhiying1，ZHOU Xiaona1，LU Chaolong2

(1.Key High-Voltage Laboratory of Fujian Province，Xiamen 361024，China;2.Xiamen Guoyi Technology Co.Ltd.,Xiamen 361024，China)

Presented in this paper is the design of an online monitoring system for coil current of high voltage circuit breaker based on TMS320C28346，aiming to discover faults of high voltage circuit breaker in time and improve operational reliability.With TMS320C28346 at the core of control，the design used AD7606 to acquire the real-time data of coil current and used envelope average method to filter noise and interference signals.It then extracted the key time and maximum value of the current waves，and calculated the closing-opening time and the maximum value to judge whether the breaker was at fault while the online-monitoring results were displayed on LCD screen.Experimental results show that the design is capable of real-time monitoring of closing/opening coil current of high voltage circuit breaker and of timely detection of failure and achieves good real-time performance and accuracy，with the maximum error of closing coil current standing around 1.29%，closing time error around 0.26%，the maximum error of opening coil current around 1.61% and opening time error around 0.7%.

high voltage circuit breaker;coil current;online monitoring;TMS320C28346;envelope average method

2016-07-06

2016-08-11

福建省教育厅省属高校专项课题(JK2013036)

陈志英(1978-)，女，副教授，硕士，研究方向为电器智能化技术及应用.E-mail：chzy207@163.com

TM561

A

1673-4432(2016)05-0006-07