10kV断路器智能化关键技术

国网江苏省电力有限公司建湖县供电分公司 周红军 吴东宁 沈 胜 丁 勇

1 引言

断路器是电力系统重要组成部分，可以执行电力线路的电流操作，并及时接通和断开。因此，断路器的正常操作是电力系统可靠运行的必要条件[1]。

2 智能断路器

智能断路器是由自动控制技术、现代微电子数字技术、新型传感器和数据采集技术组成的新型二次断路器。新型传感器与数字控制装置兼容，并自采集工作数据，可以分析断路器的工作状态、修改断路器的操作过程、数据和显示断路器的功能以及检查设备错误，并在缺陷损坏之前发出警报，以避免发生事故。断路器操作所需的信息由安装在电源系统中的数字控制设备直接处理，并独立于变电站级控制系统在本地运行，具有真空断路器的一般功能，并且具有理论知识、判断知识和操作知识[2]。

3 高压断路器智能化技术

3.1 智能监测技术

3.1.1 断路器机械特性监测技术

机械特性监测原理。机械特性监测原理包括开合速度、超程、开合距离和行程，以及开合时间共同决定了每种特征的水平。当触头的开闭速度过高时，在接触过程中，会对机械系统产生严重的扰动和应力，从而导致电气系统的机械接触。此外，断路器的超程、开路距离和行程等参数可以确定其接触器的安全性是否满足要求[3]。

t1～t2相：当在t1接收到闭合指令时，断路器开始工作，断路器仅在t2处接触；断路器仅于t2处接触；t2～t3阶段：在t2-t3期间，由于惯性和非惯性，触点开始反弹，直到其能量充满。根据该曲线可以获得该反弹和超程时间，然后可以确定水力模型是否良好。t3～t4相：触点看起来稳定，闭合顺序完整。连接断路器的分闸位移和力矩之间的关系如图2所示。

t1～t2阶段：检修时断路器触头开始分闸，t2时断路器触针到达自动分闸位置；t2～t3相：断路器呼叫连续性；t3～t4相：在t3时，断路器的触点达到分闸距离的临界点，触点移动导致高速，因此不能及时停止在此位置。为了防止接触损坏，渐开线起始点和接触返回点，直到接触速度最终降至零，其稳定性在开口点。

研究机械系统的特性。不同的因素可以影响不同的特性，并且所有的特性都不能预测或确定断路器的操作时间。

变更的含义。开放距离：运动和静态接触取决于静止位置时的最大距离；超程：从接触开始到闭合顺序结束的距离；行程：断路器开路距离和超程之间的平衡。

信号密度的内容。最大合闸速度：合闸时触头的最大速度；平均闭合速度：80%的行程在闭合前接触过程中，其运动的平均速度；最大分闸速度：分闸动作时触头的最大速度；平均开启速度：开启前6个月接触力移动的平均速度。

时间信号的含义。闭合时间：从电流流过控制闭合的线圈到闭合过程完成的时间；超时开关：从电流流过控制开关的线圈到开关结束的时间；差分时间：三相触点的开/关时间之间的最大差。

3.1.2 触头温升监测技术

由于电弧造成接触线的电损耗，触点的温度急剧升高。因此，有必要监测点火系统的温度，以确定触点是否处于良好状态，实现了功率成本，并且可以输出电源。互认系统具有运行时间长、无需转换、运行稳定的特点。大电流长时间流过接触位置，因此很难获得数据。为了确保可在不影响电力系统正常运行的情况下监测触点的温度，本文采用无线通信模式获取触点的温度。

3.2 数据处理技术

数据滤波是监测结果准确性的基础。

3.3 数据通信技术

随着智能电网的发展，可以将智能设备的数据计算和分析以各种方式传输到上位机进行备份和显示。

4 断路器智能化装置硬件设计

4.1 智能化系统架构设计

随着智能信号的应用，电力系统向高压、大机组、大容量方向发展，电站朝着无维护、智能化的方向普及，系统在智能监控领域的应用越来越广泛。所有技能包括智能监测、数据处理、数据通信、故障信息系统和故障诊断等功能，并对底层数据进行协议转换，以便在软件之间发送到智能计算机。断路器严格按照IEC61850协议。

智能变电站采用“三层两网”模式，建立统一的通信和数据结构。所谓“三层”是指系统层、系统段层和车站层，“两网”是指在系统层和车站管理层之间的网络。该系统结构对电站的供电进行监控，由智能和智能监控装置组成。可以通过智能设备完成电量检测、供电控制和电量分配的任务。延时系统位于系统层和车站层之间，实现了电源的继电保护、记录和切换协议功能。智能电子控制系统分为三个部分：系统层、系统段和站控层。上位机采用JPower200软件开发，与南方电网相连，并在本文中使用。

4.2 智能化装置硬件架构设计

温度接收接触器的温度，在光耦分离后，通过主控制芯片读取。

4.3 微处理器

选用St公司引进的StM32F407ZEt6芯片，可以用于控制浮动函数流，如小波变换、FFt和FIR，从而提高效率。与常用的tMS320F28335相比，该芯片具有成本低、功耗小、电压保护好等优点，具有功耗低、功耗低、电压保护性能好等优点。以下是StM32F407ZEt6的功能：

一是高频范围为168MHz，报告周期仅为5.95ns，芯片核心和I0端口之间的电源支持1.8V至3.6V；二是通信能力强，具有4个USARt、2个UARt（10.5 Mbps）和2个CAN接口；

A/D和DMA数据处理模块：将测量来自16个其他源的信号。AD转换器可以进行一次采样、连续采样、扫描或连续操作，相邻两个样本的短时仅为100us，系统的频率限制为100us。

温度传感器接收StM8L151芯片作为微处理器，该芯片是一个8位低功耗处理器，最大支持16MHz的工作频率，由32KB闪存和2KB RAM组成。该芯片有四个电路，包括SPI、端口和IIC等通信设备。该芯片最大的优点在于功耗低，当需要操作时，单片机通过寄存器管理从低功耗转变为传统的操作模式。

4.4 信号采集传感器设计

在比较不同传感器的基础上，选择线位移传感器获取断路器的行程信号选用KSF-50微滑块传感器，具有体积小、安装维护方便等特点。可以测量5～50mm的距离，线性自由度精度高达0.3，最大工作速度为5m/s，工作温度为-30～125℃，传感器的参数完全满足集成断路器的移动性特性。

支架由螺钉固定，因此探头可靠且靠近凹槽。断路器工作时，曲柄臂槽中的传感器探头随曲柄臂的移动而移动，移动方向均基于曲柄臂，从而输出传感器的输出信号。用于微处理器监控。

5 断路器智能化装置软件设计

5.1 主程序设计

其主要由数据处理和数据通信模块组成，系统由自动时钟模块和外围模块组成[4]。主程序流程图如图5所示。

发电机开启后，通过监测开环电气系统和开闭电流转向系统的实时性，可以确定电机是否工作。当动作发生时，调用B代码分析子程序来获取操作系统的实时数据，并采用A/D DMA干扰模式来采集和传输模拟通道的信号数据传输完成后，DMA接口关闭。联系基于输出模型的函数将样本数据存储在缓存阵列中，并调用滤波程序算法来滤除干扰噪声。过滤后，调用数据处理子程序计算断路器的动态特性并打包。

5.2 分合闸采样子程序

通过确定电流是否流过开口账户状态和开口线圈，可以确定断路器是否发生开口操作。同时，断路器是否闭合取决于电流是否流过断开状态和闭合线圈。根据继电保护规则，一般来说，断路器内部问题大多是“长”型的，永久性问题不到10%。因此，在通过继电保护断路器终止故障后，可以恢复电弧放电和短路绝缘。作为一种继电保护策略，自动停机的时间间隔通常为0.3s。如果电源故障消除，电源将不再接通；否则，故障可被视为永久性故障，断路器可在尽可能短的时间内打开和闭合。当断路器发生故障时，在断路器断开后，为了确定故障是否稳定，断路器将在断开后0.3s再次闭合。如果故障是永久性的，断路器将在闭合后第一次再次断开。

5.3 储能电机子程序

储能电机为断路器的打开和关闭操作提供电源。通常，在电机关闭操作后，电机存储系统开始电动操作，并驱动弹簧存储系统存储能量。电机存储子程序的流程图如图6所示。

5.4 小波去噪子程序

将第一分解阶段设置为1，分析比较接收尺度系数的噪声。如果量化函数不足以指示噪声特性，则对其进行初始化，将1添加到分解级别，然后执行下一个分解，并重复上述步骤，直到分解的量化结果可以看到噪声中包含的特征。在去除噪声后，高效地重构信号，最终得到去噪后的信号。

5.5 无线通信模块子程序

当接收温度高于传统温度时，将缩短信息传输的时间限制，并防止由于故障而获得的温度信息不完整的问题。如果指令正确，向主机发送响应信号，并开始记录传入邮件中的温升。如果三次收到的所有信息都错误，则应命令切断从机。

5.6 CAN通信子程序

断路器的动态特性通过CAN通信方式传输。并将CAN配置为发送模式，当指令分别根据开户状态、打开和关闭中的一种时，电机存储功率或触点温升指南，并将相关文件打包分发。在传输错误的波形数据时，采用分包的方法，从而提高了传输效率和准确性。一旦收到消息，出现三个连续错误，将被确认为通信故障，必须及时调试和处理。

6 结语

传统的10kV电网线路框架短路断路器存在许多问题。一方面设备的操作有限；另一方面，对电子产品的质量产生了负面影响，不适合电子产品的稳定运行[5]。因此，各地区电力部门对10kV电网供电的实时性问题越来越重视，对其认识不断加深，为群众提供优质供电，智能升级真空断路器，并严格控制电气、输电和电流设备，这不仅减少了设备的损坏，而且提高了电气设备的质量，以智能方式增强了真空断路器的效率，提高能源供应质量。