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高压电源断路器分合闸周期在线检测装置研究


高压电源断路器分合闸过程,设计了基于高频信号耦合解耦原理的高压开关柜高压电源断路器分合闸周期在线检测装置,详细介绍了装置硬件和软件设计。该装置较好地实现了高压隔离,可以准确地获取高压电源断路器分合闸周期的起始和终止时刻。


试验结果表明,该装置霍尔电流传感器输出信号调理电路、高频信号耦合和解耦电路设计合理,程序编写正确,装置能够比较准确地对高压电源断路器分合闸时间进行在线检测,满足工程实际需求。


一直以来,因缺乏有效检测手段而导致变电站高压开关柜高压电源断路器三相不同期的情况时而出现,造成电力系统中零序电压、网络阻抗增大等现象发生,引发电网各类事故。为此,电力公司常采用定期检修,将高压电源断路器停运,用离线方法对其机械特性进行检测,从而增加了运维成本,影响了电网的供电可靠性。


随着人们对供电质量要求日益提升,电力生产对高压电源断路器机械特性在线检测装置的需求也更加迫切,但现有的高压电源断路器机械特性检测仪均为离线。高压电源断路器机械特性不可实现在线检测的主要原因是,高压电源断路器在线状态下分合闸周期不易准确检测。


目前的高压电源断路器分合闸周期在线检测研究方法,对于高压电源断路器分合闸周期的起始时刻提取均通过采用霍尔电流传感器采集分合闸线圈得电时刻获取。


对于高压电源断路器分合闸周期的终止时刻(即高压电源断路器刚分或刚合时刻)的提取主要有3种方法:①采用高压电源断路器辅助触头获取,该方法由于机械触头存在时间延迟,测得的高压电源断路器分合闸周期存在很大误差,不满足工程要求;②运用振动传感器提取振动信号峰值法,该方法受环境影响较大且与振动传感器安装位置有关,提取方法较为复杂,工程实现较为困难;③通过在高压电源断路器三相触头安装电流互感器,利用高压电源断路器分合闸时三相动静触头的电流出现或消失时刻来确定,该方法可以较为准确获取高压电源断路器刚分刚合时刻,但在高压电源断路器不带负荷或负荷较小的情况下实现困难,存在较大缺陷。


本文针对目前高压电源断路器分合闸周期在线检测装置的工程研究由于存在种种原因不具备可操作性的情况,提出一种基于高频信号耦合解耦原理提取高压电源断路器分合闸周期终止时刻的在线检测装置,该装置可以较好地提取高压电源断路器分合闸周期的终止时刻,实现高压电源断路器分合闸周期的在线检测。


1  高压电源断路器分合闸过程分析


为了更好地理解高压电源断路器分合闸周期所涉及的相关参数概念,可将高压电源断路器分闸、合闸过程分解成不同的时间段,每个时间段都有各自的动作特性,而可将高压电源断路器分合闸周期整个动作过程看成由各个动作过程时间段组成。基于这种思想,绘制了图1和图2高压电源断路器动作过程的时序图。从高压电源断路器分合闸时序图中,可以清晰、直观地了解到高压电源断路器分合闸过程不同时间段的定义。


高压电源断路器分合闸周期在线检测装置研究

图1  开关合闸过程时序图


高压电源断路器分合闸周期在线检测装置研究

图2  高压电源断路器开关分闸过程时序图


在GB 1984—2014中对高压电源断路器时间参数有详细定义[12]。其中,高压电源断路器分闸周期是从分闸回路有电流开始到所有极触头都分离瞬间为止的时间间隔,合闸周期是指从合闸回路有电流开始到所有极触头都接触瞬间为止的时间间隔。


2  检测装置硬件设计


2.1  检测装置组成及工作原理


该检测装置主要包括霍尔电流传感器及其输出信号调理电路、高频信号耦合电路及解耦电路、数字信号处理器(digital signal processor, DSP)微处理器单元、液晶显示、声光报警和无线通信单元,如图3所示。


霍尔电流传感器用于获取高压电源断路器分合闸线圈得电时间,即高压电源断路器分合闸起始时刻,其输出信号调理电路的作用是转化、调理其输出信号,为DSP微处理器外部中断提供标准的电压脉冲信号。高频信号耦合电路可将DSP微处理器产生的低压高频信号,叠加在高压电源断路器动静触头一端的高压工频交流信号中。高频信号解耦电路可使低压高频信号,从高压电源断路器动静触头另一端的高压工频信号中解耦出来,实现高低信号隔离。


无线通信模块可实现数据检测上传,该模块采用433MHz频段,属于工业、科学、医疗(industrial scientific medical, ISM)免申请频段,发送功率最大可达到30dbm,最远可以通信5km。


该装置通过霍尔电流传感器获取高压电源断路器分合闸周期的起始时刻,通过高频信号耦合解耦联合作用来获取高压电源断路器分合闸周期的终止时刻,并计算得出高压电源断路器分合闸周期。在霍尔传感器获取高压电源断路器分合闸线圈得电时刻(即分合闸周期起始时刻)的同时,该信号触发DSP发出高频信号并使能CAP捕获端口。


高频信号通过在高压电源断路器主回路三相动静触头的一端分别进行耦合,在对应相的另一端分别进行高频信号解耦,实现分合闸周期终止时刻在线检测,通过计算实现高压电源断路器分合闸周期及三相不同期性在线检测。具体来讲,分闸时,检测装置检测到分闸信号时,装置输出高频信号,并通过持续捕获端口捕获高频信号的次数,信号消失的那一刻即为高压电源断路器刚分时刻。分别记下三相的刚分时刻,通过计算,就可得出分闸周期及三相不同期性。


合闸时,检测装置检测到合闸信号后,装置输出端输出高频信号并使能捕获中断功能,同时使3个计时器开始计时,当捕获端口信号出现的那一刻即为高压电源断路器刚合时刻,这时三相的定时器停止计时并分别记下三相的合闸时间,进而得出高压电源断路器合闸周期及三相不同期性。


2.2  霍尔电流传感器输出信号调理电路


霍尔电流传感器输出信号调理电路是用来将霍尔电流传感器输出的电流信号转换成电压信号。图4为霍尔电流传感器输出调理电路。


运用霍尔电流传感器对电信号的快速响应特性(微秒级),可以准确获取高压电源断路器分合闸线圈带电时刻,也就是高压电源断路器分合闸周期的起始时刻。图中R5为取样电阻,其作用是将霍尔电流传感器输出的电流信号转化电压信号,U2为施密特触发门电路芯片,它可将电压信息进行整形、滤噪,得到一个比较理想的矩形脉冲信号,从而为DSP外部中断提供较好的沿触发。


2。3  高频信号耦合电路


高频信号耦合电路的作用是将DSP产生的低压高频信号耦合在高压电源断路器静触头的一端,实现高低电压隔离。


图5中GPIOA0为DSP的I/O引脚,AC_L为高压电源断路器某相的静触头端。DSP产生的高频脉冲信号经光电隔离后传送至高频耦合变压器的初级线圈端子。另外,为防止高频信号在传输中衰减所导致的高频信号变弱而不易捕获,可在光耦芯片的输出端加一适当大的直流电源进行放大,考虑到工程实际,本装置采用+5V直流电源进行放大。


图中T1高频信号耦合变压器可以实现初级线圈与次级线圈高频信号的电磁隔离,次级线圈的高频信号经过高压电力耦合电容器C1,耦合至高压工频交流电中,C1还可阻止高压的工频电压量传输到高频耦合变压器的次级线路端子上来。


图5中电感L1可有效防止次级线路端子的高频信号流入地中。该耦合电路采用了高低压光耦隔离和高频变压器两级隔离来防止高压信号传输至低压端对设备或人身可能造成的伤害。


2.4  高频信号解耦电路


耦合在高压电源断路器某一相静触头的高频信号通过图6高频信号解耦电路从高压电源断路器动触头端的高压工频信号中解耦出来。


图6中电力解耦电容器C2端子被安装在对应的高频信号耦合电路连接相的另一端,其作用是将高频信号从高压工频信号解耦出来传递到高频隔离变压器T2初级线圈的一端,高频隔离变压器T2初级线圈的另一端通过电感器L2接地,电感器L2阻止了高频信号传入大地;高频隔离变压器T2将解耦的高频信号从高电压端初级线圈传送到低电压端次级线圈,高频隔离变压器T2的次级线圈将高频信号经光耦芯片进行电气隔离和电平转换后传送至DSP的捕获单元。


2。5  装置检测高压电源断路器单相的安装结构


通过霍尔电流传感器提取分合闸周期的起始时刻以及通过耦合解耦电路联合作用提取分合闸周期的终止时刻,最终可实现高压电源断路器分合闸周期的在线检测功能。图7为该装置检测高压电源断路器单相时的电路连接图。经现场勘测试验,该检测装置可以在开关柜内安装,且不影响开关柜的绝缘性能。


3  高频信号耦合解耦电路的仿真


为选取合适的电力耦合电容、电感及频率,采用Electronics Workbench电子仿真软件,对高频信号耦合解耦电路进行了仿真。图8为在该仿真环境下搭建的高频信号耦合解耦仿真电路。


图8中双踪示波器的输入分别接在电容器两端,电容器采用比较常用的100pF高压电容作为耦合电容,电感选用1mH。当输入信号为50Hz时,双踪示波器得到的耦合波形如图9所示。


从图9可以看出,50Hz的工频信号很难传递到后级,全部压降落在了高压电容上。


当输入信号为200kHz时,双踪示波器得到的耦合波形如图10所示。仿真过程中,随着信号频率的增加,高压电容器的传递性逐渐加强。从图10可以看到,当频率为200kHz时,高频信号可以无失真传递。


考虑到实际的工程可行性,选取100kHz的信号作为实际电路的测试信号进行实验。


4  检测装置的软件设计


该装置程序主要包括外部中断处理程序、频率信号采集处理程序、定时器处理程序和通信程序。这些程序综合完成了高压电源断路器分合闸周期的在线检测及处理,无线通信程序完成了本检测装置与站内监测上位机的并网连接和数据共享。


4.1  外部中断1处理程序流程图


外部中断1处理程序完成了分闸周期起点计时,其触发信号是通过霍尔电流传感器获取分闸线路得电时刻,并通过其输出调理电路的沿电平信号提供的。该信号同时使微处理器发出高频信号,并且使能捕获单元开始进行脉冲计数,其程序流程图设计如图11所示。


图11中CAP1、CAP2、CAP3为微处理器捕获单元端子。Tfa、Tfb、Tfc分别为高压电源断路器A相、B相、C相的分闸时间。根据GB 1984—2014对分合闸中时间参数的定义中对高压电源断路器分闸周期的定义可知,分闸周期为Tfa、Tfb、Tfc的最大值,三相不同期为Tfa、Tfb、Tfc的最大值与Tfa、Tfb、Tfc的最小值之差。


4.2  外部中断2处理程序流程图


外部中断2处理程序完成了合闸周期起点计时,其触发信号是通过霍尔电流传感器获取合闸线路得电时刻,并通过其输出调理电路的沿电平信号提供的。该信号同时使微处理器发出高频信号,并且使能定时器开始计时同时使能捕获中断,在捕获单元捕获到第一个脉冲时停止定时器计时;频率信号采集程序完成了信号的频率采集计算及频率信号与分合闸周期对应关系处理,其程序流程图设计如图12所示。图中Tha、Thb、Thc分别为高压电源断路器A相、B相、C相的合闸时间。

5  装置实验及结果分析


实验是在高压电源断路器静触头带高压电的情况下进行的,主要目的是检测高频信号在该装置高压耦合解耦电路中的传递性和该装置的高压隔离性能及装置的可靠性和准确性。实验还验证了该装置的主要性能指标和功能。装置整体性能检测需通过软硬件联合调试,根据实验室条件,以ABB生产的高压电源断路器为实验对象对该装置进行了软硬件联合调试,现场检测如图13所示。实验得到的实验数据见表1。


实验数据表明,该装置硬件电路设计合理,软件编写正确,装置能够准确、可靠地检测高压电源断路器分合闸周期,满足工程实际要求。


总结

该装置采用常规元件和材料,成本低,工业实现方便,是一种工业上较为实用、功能比较完备的高压开关柜高压电源断路器分合闸周期在线检测装置。本检测装置克服了其他检测装置结构复杂、信号处理不合理和随机性大的缺点。


其主要特点是,可以准确获取高压电源断路器起止时刻,而受外界干扰因素较少;该装置对高压电源断路器实施检测时,高压开关柜结构无需变动,不影响其性能,特别是其绝缘性不受影响。该装置的运用可以减少开关柜高压电源断路器的停运时间,提高了电网供电可靠性。

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