一直以來，因缺乏有效檢測手段而導(dǎo)致變電站高壓開關(guān)柜斷路器三相不同期的情況時(shí)而出現(xiàn)，造成電力系統(tǒng)中零序電壓、網(wǎng)絡(luò)阻抗增大等現(xiàn)象發(fā)生，引發(fā)電網(wǎng)各類事故。為此，電力公司常采用定期檢修，將斷路器停運(yùn)，用離線方法對其機(jī)械特性進(jìn)行檢測，從而增加了運(yùn)維成本，影響了電網(wǎng)的供電可靠性。

隨著人們對供電質(zhì)量要求日益提升，電力生產(chǎn)對斷路器機(jī)械特性在線檢測裝置的需求也更加迫切，但現(xiàn)有的斷路器機(jī)械特性檢測儀均為離線。斷路器機(jī)械特性不可實(shí)現(xiàn)在線檢測的主要原因是，斷路器在線狀態(tài)下分合閘周期不易準(zhǔn)確檢測。

目前的斷路器分合閘周期在線檢測研究方法，對于斷路器分合閘周期的起始時(shí)刻提取均通過采用霍爾電流傳感器采集分合閘線圈得電時(shí)刻獲取。

對于斷路器分合閘周期的終止時(shí)刻（即斷路器剛分或剛合時(shí)刻）的提取主要有3種方法：①采用斷路器輔助觸頭獲取，該方法由于機(jī)械觸頭存在時(shí)間延遲，測得的斷路器分合閘周期存在很大誤差，不滿足工程要求；②運(yùn)用振動傳感器提取振動信號峰值法，該方法受環(huán)境影響較大且與振動傳感器安裝位置有關(guān)，提取方法較為復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)較為困難；③通過在斷路器三相觸頭安裝電流互感器，利用斷路器分合閘時(shí)三相動靜觸頭的電流出現(xiàn)或消失時(shí)刻來確定，該方法可以較為準(zhǔn)確獲取斷路器剛分剛合時(shí)刻，但在斷路器不帶負(fù)荷或負(fù)荷較小的情況下實(shí)現(xiàn)困難，存在較大缺陷。

本文針對目前斷路器分合閘周期在線檢測裝置的工程研究由于存在種種原因不具備可操作性的情況，提出一種基于高頻信號耦合解耦原理提取高壓斷路器分合閘周期終止時(shí)刻的在線檢測裝置，該裝置可以較好地提取高壓斷路器分合閘周期的終止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器分合閘周期的在線檢測。

1 斷路器分合閘過程分析

為了更好地理解斷路器分合閘周期所涉及的相關(guān)參數(shù)概念，可將斷路器分閘、合閘過程分解成不同的時(shí)間段，每個時(shí)間段都有各自的動作特性，而可將斷路器分合閘周期整個動作過程看成由各個動作過程時(shí)間段組成。基于這種思想，繪制了圖1和圖2斷路器動作過程的時(shí)序圖。從斷路器分合閘時(shí)序圖中，可以清晰、直觀地了解到斷路器分合閘過程不同時(shí)間段的定義。

圖1 開關(guān)合閘過程時(shí)序圖

圖2 斷路器開關(guān)分閘過程時(shí)序圖

在GB 1984—2014中對斷路器時(shí)間參數(shù)有詳細(xì)定義[12]。其中，斷路器分閘周期是從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時(shí)間間隔，合閘周期是指從合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時(shí)間間隔。

2 檢測裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測裝置組成及工作原理

該檢測裝置主要包括霍爾電流傳感器及其輸出信號調(diào)理電路、高頻信號耦合電路及解耦電路、數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）微處理器單元、液晶顯示、聲光報(bào)警和無線通信單元，如圖3所示。

圖3 檢測裝置高壓端模塊框圖

霍爾電流傳感器用于獲取斷路器分合閘線圈得電時(shí)間，即斷路器分合閘起始時(shí)刻，其輸出信號調(diào)理電路的作用是轉(zhuǎn)化、調(diào)理其輸出信號，為DSP微處理器外部中斷提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓脈沖信號。高頻信號耦合電路可將DSP微處理器產(chǎn)生的低壓高頻信號，疊加在斷路器動靜觸頭一端的高壓工頻交流信號中。高頻信號解耦電路可使低壓高頻信號，從斷路器動靜觸頭另一端的高壓工頻信號中解耦出來，實(shí)現(xiàn)高低信號隔離。

無線通信模塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測上傳，該模塊采用433MHz頻段，屬于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療（industrial scientific medical, ISM）免申請頻段，發(fā)送功率最大可達(dá)到30dbm，最遠(yuǎn)可以通信5km。

該裝置通過霍爾電流傳感器獲取斷路器分合閘周期的起始時(shí)刻，通過高頻信號耦合解耦聯(lián)合作用來獲取斷路器分合閘周期的終止時(shí)刻，并計(jì)算得出斷路器分合閘周期。在霍爾傳感器獲取斷路器分合閘線圈得電時(shí)刻（即分合閘周期起始時(shí)刻）的同時(shí)，該信號觸發(fā)DSP發(fā)出高頻信號并使能CAP捕獲端口。

高頻信號通過在斷路器主回路三相動靜觸頭的一端分別進(jìn)行耦合，在對應(yīng)相的另一端分別進(jìn)行高頻信號解耦，實(shí)現(xiàn)分合閘周期終止時(shí)刻在線檢測，通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘周期及三相不同期性在線檢測。具體來講，分閘時(shí)，檢測裝置檢測到分閘信號時(shí)，裝置輸出高頻信號，并通過持續(xù)捕獲端口捕獲高頻信號的次數(shù)，信號消失的那一刻即為斷路器剛分時(shí)刻。分別記下三相的剛分時(shí)刻，通過計(jì)算，就可得出分閘周期及三相不同期性。

合閘時(shí)，檢測裝置檢測到合閘信號后，裝置輸出端輸出高頻信號并使能捕獲中斷功能，同時(shí)使3個計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)捕獲端口信號出現(xiàn)的那一刻即為斷路器剛合時(shí)刻，這時(shí)三相的定時(shí)器停止計(jì)時(shí)并分別記下三相的合閘時(shí)間，進(jìn)而得出斷路器合閘周期及三相不同期性。

2.2 霍爾電流傳感器輸出信號調(diào)理電路

霍爾電流傳感器輸出信號調(diào)理電路是用來將霍爾電流傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。圖4為霍爾電流傳感器輸出調(diào)理電路。

圖4 霍爾電流傳感器輸出調(diào)理電路

運(yùn)用霍爾電流傳感器對電信號的快速響應(yīng)特性（微秒級），可以準(zhǔn)確獲取斷路器分合閘線圈帶電時(shí)刻，也就是斷路器分合閘周期的起始時(shí)刻。圖中R5為取樣電阻，其作用是將霍爾電流傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化電壓信號，U2為施密特觸發(fā)門電路芯片，它可將電壓信息進(jìn)行整形、濾噪，得到一個比較理想的矩形脈沖信號，從而為DSP外部中斷提供較好的沿觸發(fā)。

2.3 高頻信號耦合電路

高頻信號耦合電路的作用是將DSP產(chǎn)生的低壓高頻信號耦合在高壓斷路器靜觸頭的一端，實(shí)現(xiàn)高低電壓隔離。

圖5 高頻信號耦合電路

圖5中GPIOA0為DSP的I/O引腳，AC_L為高壓斷路器某相的靜觸頭端。DSP產(chǎn)生的高頻脈沖信號經(jīng)光電隔離后傳送至高頻耦合變壓器的初級線圈端子。另外，為防止高頻信號在傳輸中衰減所導(dǎo)致的高頻信號變?nèi)醵灰撞东@，可在光耦芯片的輸出端加一適當(dāng)大的直流電源進(jìn)行放大，考慮到工程實(shí)際，本裝置采用+5V直流電源進(jìn)行放大。

圖中T1高頻信號耦合變壓器可以實(shí)現(xiàn)初級線圈與次級線圈高頻信號的電磁隔離，次級線圈的高頻信號經(jīng)過高壓電力耦合電容器C1，耦合至高壓工頻交流電中，C1還可阻止高壓的工頻電壓量傳輸?shù)礁哳l耦合變壓器的次級線路端子上來。

圖5中電感L1可有效防止次級線路端子的高頻信號流入地中。該耦合電路采用了高低壓光耦隔離和高頻變壓器兩級隔離來防止高壓信號傳輸至低壓端對設(shè)備或人身可能造成的傷害。

2.4 高頻信號解耦電路

耦合在斷路器某一相靜觸頭的高頻信號通過圖6高頻信號解耦電路從高壓斷路器動觸頭端的高壓工頻信號中解耦出來。

圖6 高頻信號解耦電路

圖6中電力解耦電容器C2端子被安裝在對應(yīng)的高頻信號耦合電路連接相的另一端，其作用是將高頻信號從高壓工頻信號解耦出來傳遞到高頻隔離變壓器T2初級線圈的一端，高頻隔離變壓器T2初級線圈的另一端通過電感器L2接地，電感器L2阻止了高頻信號傳入大地；高頻隔離變壓器T2將解耦的高頻信號從高電壓端初級線圈傳送到低電壓端次級線圈，高頻隔離變壓器T2的次級線圈將高頻信號經(jīng)光耦芯片進(jìn)行電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換后傳送至DSP的捕獲單元。

2.5 裝置檢測斷路器單相的安裝結(jié)構(gòu)

通過霍爾電流傳感器提取分合閘周期的起始時(shí)刻以及通過耦合解耦電路聯(lián)合作用提取分合閘周期的終止時(shí)刻，最終可實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘周期的在線檢測功能。圖7為該裝置檢測斷路器單相時(shí)的電路連接圖。經(jīng)現(xiàn)場勘測試驗(yàn)，該檢測裝置可以在開關(guān)柜內(nèi)安裝，且不影響開關(guān)柜的絕緣性能。

圖7 檢測斷路器單相時(shí)的電路連接圖

3 高頻信號耦合解耦電路的仿真

為選取合適的電力耦合電容、電感及頻率，采用Electronics Workbench電子仿真軟件，對高頻信號耦合解耦電路進(jìn)行了仿真。圖8為在該仿真環(huán)境下搭建的高頻信號耦合解耦仿真電路。

圖8 高頻信號耦合解耦仿真電路

圖8中雙蹤示波器的輸入分別接在電容器兩端，電容器采用比較常用的100pF高壓電容作為耦合電容，電感選用1mH。當(dāng)輸入信號為50Hz時(shí)，雙蹤示波器得到的耦合波形如圖9所示。

圖9 50Hz輸入信號時(shí)的耦合波形

從圖9可以看出，50Hz的工頻信號很難傳遞到后級，全部壓降落在了高壓電容上。

當(dāng)輸入信號為200kHz時(shí)，雙蹤示波器得到的耦合波形如圖10所示。仿真過程中，隨著信號頻率的增加，高壓電容器的傳遞性逐漸加強(qiáng)。從圖10可以看到，當(dāng)頻率為200kHz時(shí)，高頻信號可以無失真?zhèn)鬟f。

圖10 200kHz輸入信號時(shí)的耦合波形

考慮到實(shí)際的工程可行性，選取100kHz的信號作為實(shí)際電路的測試信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 檢測裝置的軟件設(shè)計(jì)

該裝置程序主要包括外部中斷處理程序、頻率信號采集處理程序、定時(shí)器處理程序和通信程序。這些程序綜合完成了斷路器分合閘周期的在線檢測及處理，無線通信程序完成了本檢測裝置與站內(nèi)監(jiān)測上位機(jī)的并網(wǎng)連接和數(shù)據(jù)共享。

4.1 外部中斷1處理程序流程圖

外部中斷1處理程序完成了分閘周期起點(diǎn)計(jì)時(shí)，其觸發(fā)信號是通過霍爾電流傳感器獲取分閘線路得電時(shí)刻，并通過其輸出調(diào)理電路的沿電平信號提供的。該信號同時(shí)使微處理器發(fā)出高頻信號，并且使能捕獲單元開始進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，其程序流程圖設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 外部中斷1處理程序流程圖

圖11中CAP1、CAP2、CAP3為微處理器捕獲單元端子。Tfa、Tfb、Tfc分別為斷路器A相、B相、C相的分閘時(shí)間。根據(jù)GB 1984—2014對分合閘中時(shí)間參數(shù)的定義中對斷路器分閘周期的定義可知，分閘周期為Tfa、Tfb、Tfc的最大值，三相不同期為Tfa、Tfb、Tfc的最大值與Tfa、Tfb、Tfc的最小值之差。

4.2 外部中斷2處理程序流程圖

外部中斷2處理程序完成了合閘周期起點(diǎn)計(jì)時(shí)，其觸發(fā)信號是通過霍爾電流傳感器獲取合閘線路得電時(shí)刻，并通過其輸出調(diào)理電路的沿電平信號提供的。該信號同時(shí)使微處理器發(fā)出高頻信號，并且使能定時(shí)器開始計(jì)時(shí)同時(shí)使能捕獲中斷，在捕獲單元捕獲到第一個脈沖時(shí)停止定時(shí)器計(jì)時(shí)；頻率信號采集程序完成了信號的頻率采集計(jì)算及頻率信號與分合閘周期對應(yīng)關(guān)系處理，其程序流程圖設(shè)計(jì)如圖12所示。圖中Tha、Thb、Thc分別為斷路器A相、B相、C相的合閘時(shí)間。

圖12 外部中斷2處理程序流程圖

5 裝置實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)是在高壓斷路器靜觸頭帶高壓電的情況下進(jìn)行的，主要目的是檢測高頻信號在該裝置高壓耦合解耦電路中的傳遞性和該裝置的高壓隔離性能及裝置的可靠性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了該裝置的主要性能指標(biāo)和功能。裝置整體性能檢測需通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，以ABB生產(chǎn)的高壓斷路器為實(shí)驗(yàn)對象對該裝置進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合調(diào)試，現(xiàn)場檢測如圖13所示。實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該裝置硬件電路設(shè)計(jì)合理，軟件編寫正確，裝置能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測斷路器分合閘周期，滿足工程實(shí)際要求。

圖13 裝置軟硬件聯(lián)合調(diào)試

表1 實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)

總結(jié)

該裝置采用常規(guī)元件和材料，成本低，工業(yè)實(shí)現(xiàn)方便，是一種工業(yè)上較為實(shí)用、功能比較完備的高壓開關(guān)柜斷路器分合閘周期在線檢測裝置。本檢測裝置克服了其他檢測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號處理不合理和隨機(jī)性大的缺點(diǎn)。

其主要特點(diǎn)是，可以準(zhǔn)確獲取斷路器起止時(shí)刻，而受外界干擾因素較少；該裝置對斷路器實(shí)施檢測時(shí)，高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)無需變動，不影響其性能，特別是其絕緣性不受影響。該裝置的運(yùn)用可以減少開關(guān)柜斷路器的停運(yùn)時(shí)間，提高了電網(wǎng)供電可靠性。