一種斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置及保護方法與流程
2023-10-18 00:02:09
本發明涉及的是一種斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置及保護方法，屬於變電站安全運行監測保護技術領域。
背景技術：
斷路器是變電站中重要的設備之一，無論線路處於何種工作狀態，當要求斷路器動作時，斷路器應能可靠、迅速地動作。在35 kV及以下變電站中，還有大量的電磁操作機構斷路器在運行。大量運行數據表明，中低壓斷路器的電磁操作機構穩定性較差，在操作過程中，經常會出現拒分、拒合等故障，特別是當斷路器出現執行機構卡澀、線圈控制迴路接點粘連無法斷開及輔助開關節點不到位等故障時，線圈常會長期通電，造成線圈過熱而燒毀，大大降低斷路器的運行可靠性。
目前中低壓變電站基本上無人值守，大量斷路器都通過遠程操作，當出現上述故障時，無法及時斷開控制電源，極易造成線圈燒毀，必須到現場人工更換線圈解決，大大增加了負荷恢復供電時間。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，而提供一種結構組成合理、簡單，能夠實時監控線圈動作電流、溫度，並在故障時及時斷開線圈迴路，提高斷路器運行可靠性的斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置及保護方法。
本發明的目的是通過如下技術方案來完成的，一種斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置，它主要包括單片機、電源模塊、實時時鐘模塊、測溫模塊、電流檢測模塊、液晶顯示模塊和大功率開關模塊，所述的單片機分別配置有電源模塊、實時時鐘模塊和液晶顯示模塊，並分別連接能實時檢測斷路器線圈溫度的測溫模塊和能檢測斷路器線圈電流的電流檢測模塊；
所述的單片機還連接用於關斷斷路器線圈迴路的、可控制的大功率開關模塊。
作為優選：所述的單片機選用運算速度快、內存大、有64個 I/O口、內置高精度ADC／DAC和定時器、支持22個中斷源的C8051F020晶片；
所述的電源模塊採用輸入電壓為220 V交直流兩用及輸出電壓為5 V的通用電源模塊；
所述的實時時鐘模塊採用DS1302時鐘晶片，採用三線串行接口方式，可提供年、月、日、星期、時、分和秒等時間信息；
所述的測溫模塊由一把溫度信號轉換成熱電動勢信號的單片K型熱電偶感溫元件和K型熱電偶信號放大與數字轉換器MAX6675晶片電路組成，
所述的電流檢測模塊採用HCS-LSP3額定電流20 A的閉環霍爾電流傳感器；
所述的液晶顯示模塊選用J12864液晶模塊；
所述斷路器線圈的額定工作電壓通常為DC 110 V或220 V，動作電流通常小於10 A，與之配套的大功率開關模塊選用最大工作電壓可達500 V、最大工作電流為20 A的IRFP460型場效應管並構成大功率開關電路，所述的單片機和場效應管之間設置有體積小、隔離電壓高的P127型光耦隔離元件。
一種利用所述斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置進行保護方法，所述的保護方法是：
當線圈通電動作時，單片機實時比較熱電偶測得的線圈溫度T和設定溫度Tset，當實時溫度T大於設定溫度Tset時，單片機控制大功率開關電路關斷斷路器線圈迴路，在顯示屏上顯示當前時間和溫度值並報警；
同樣，線圈通電時開啟定時器，記錄線圈的通流時間time和電流大小I，time大於設定值Ti時，單片機控制大功率開關電路關斷線圈迴路，在液晶屏上顯示當前時間、通流時間Ti和電流值I，並報警。
本發明具有結構組成合理、簡單，能夠實時監控線圈動作電流、溫度，並在故障時及時斷開線圈迴路，提高斷路器運行可靠性等特點。
附圖說明
圖1是本發明的系統組成框圖。
圖2是本發明的系統保護邏輯框圖。
圖3是本發明所述DS1302時鐘晶片的外部接線圖。
圖4是本發明所述的熱電偶測溫電路圖。
圖5是本發明所述的霍爾電流傳感器接線圖。
圖6是本發明所述的大功率開關電路原理圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作詳細的介紹：圖1所示，本發明所述的一種斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置，它主要包括單片機1、電源模塊2、實時時鐘模塊3、測溫模塊4、電流檢測模塊5、液晶顯示模塊6和大功率開關模塊7，所述的單片機1分別配置有電源模塊2、實時時鐘模塊3和液晶顯示模塊6，並分別連接能實時檢測斷路器線圈溫度的測溫模塊4和能檢測斷路器線圈電流的電流檢測模塊5；
所述的單片機1還連接用於關斷斷路器線圈迴路8的、可控制的大功率開關模塊9。
本發明所述一種利用所述斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置進行保護方法，所述的保護方法是：
當線圈通電動作時，單片機實時比較熱電偶測得的線圈溫度T和設定溫度Tset，當實時溫度T大於設定溫度Tset時，單片機控制大功率開關電路關斷斷路器線圈迴路，在顯示屏上顯示當前時間和溫度值並報警；
同樣，線圈通電時開啟定時器，記錄線圈的通流時間time和電流大小I，time大於設定值Ti時，單片機控制大功率開關電路關斷線圈迴路，在液晶屏上顯示當前時間、通流時間Ti和電流值I，並報警。
實施例：單片機1選用型號為C8051F020晶片，其運算速度快，內存大，有64個 I/O口，內置高精度ADC／DAC和定時器，支持22個中斷源，符合裝置設計要求；
電源模塊採用輸入電壓為220 V交直流兩用及輸出電壓為5 V的通用電源模塊，具有體積小、在裝置安裝場所電壓容易獲得以及輸出電壓線性、穩定的優點；
實時時鐘模塊採用DS1302時鐘晶片，DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘晶片，採用三線串行接口方式，可提供年、月、日、星期、時、分和秒等時間信息，工作電壓寬，達到2.5～5.5 V，且採用雙電源供電；如圖3所示，BT1為備用電源；所以DS1302時鐘模塊可以做到掉電不問斷計時，大大提高了系統計時的可靠性和準確性。
測溫模塊由單片K型熱電偶和MAX6675晶片電路組成，其原理圖如圖4所示；熱電偶是一種感溫元件，把溫度信號轉換成熱電動勢信號，具有測量精度高、熱響應時間快、測量範圍-40~+1600℃、性能可靠、機械強度好、使用壽命長等優點；
MAX6675是K型熱電偶信號放大與數字轉換器，將溫度測量值轉換成計算機能夠識別的16位二進位數字溫度讀數，轉換誤差為0.25℃．可實現0~1 023.75℃範圍內溫度的轉換，而且具有SPI串行口溫度輸出，可直接與單片機連接；
電流檢測模塊採用HCS-LSP3額定電流20 A的閉環霍爾電流傳感器，具有2.5～5 V電源供電、穿心式結構、將電流量轉換成電壓量輸出的特點，可以直接使用單片機內設的ADC模塊進行採集，並計算出相應的電流值；霍爾電流傳感器接線如圖5所示。
液晶顯示模塊使用J12864液晶模塊。可顯示字符和圖形，且內置8 192個中文漢字，滿足裝置顯示要求。
35 kV斷路器線圈的額定工作電壓通常為DC 110 V或220 V，動作電流通常小於10 A，所以普通的繼電器、開關器件無法滿足設計要求，且繼電器具有開斷速度慢的缺點，會對斷路器分合閘時間造成較大影響；鑑於此，本發明採用一種場效應管開關電路作為大功率開關模塊並構成大功率開關電路，以控制線圈迴路的通斷；選用了IRFP460型場效應管，其最大工作電壓可達500 V，最大工作電流為20 A，滿足現場工作環境的需求．且響應快、開斷電流無電弧、可靠性高；又由於線圈迴路屬於高電壓、大電流迴路，直接使用單片機控制場效應管通斷線圈迴路可能會造成單片機損壞，因此，在單片機和場效應管之間使用體積小、隔離電壓高的P127型光耦隔離元件，增加了設備運行可靠性；其原理圖如圖6所示。
所述斷路器線圈的額定工作電壓通常為DC 110 V或220 V，動作電流通常小於10 A，與之配套的大功率開關電路選用最大工作電壓可達500 V、最大工作電流為20 A的IRFP460型場效應管，所述的單片機和場效應管之間設置有體積小、隔離電壓高的P127型光耦隔離元件。
本發明以單片機作為計算與控制核心，通過測溫模塊實時檢測線圈溫度。使用電流檢測模塊檢測線圈電流。為提高保護模塊工作的可靠性，設計了2套保護，見圖2所示：第l套為定時限電流保護，通過設定線圈的最長通流時間T1實現對線圈的保護功能，此保護動作後，經過一定時間延時T2後，自動復歸；第2套為線圈過溫保護，通過測量線圈的實時溫度與保護溫度設定值進行比較實現，此保護動作後，說明線圈合閘迴路出現嚴重故障，需要現場檢查，手動復歸；與此同時，裝置將記錄故障時刻、故障溫度、故障電流和通流時長等，並形成報警信息。
單片機主要完成對熱電偶溫度、實時時鐘晶片時間、霍爾電流傳感器測量電流的讀取，並將讀取的信息顯示在液晶屏上。為了提高所檢測溫度值和電流值的精度，在溫度、電流檢測中斷程序中，採用取多點平均的方法進行計算，有效提高了測量的準確度和抗幹擾能力。
當線圈通電動作時，單片機實時比較熱電偶測得的線圈溫度T和設定溫度Tset，當實時溫度T大於設定溫度Tset時，單片機控制大功率開關電路關斷線圈迴路，在顯示屏上顯示當前時間和溫度值並報警；同樣，線圈通電時開啟定時器，記錄線圈的通流時間time和電流大小I，time大於設定值Ti時，單片機控制大功率開關電路關斷線圈迴路，在液晶屏上顯示當前時間、通流時間Ti和電流值I，並報警。
本發明所述斷路器線圈特性與定值整定：由於溫度是一種慣性較大的物理量，不是一個突變量，當線圈通電後，其溫度不會立刻達到最大值．需要一定的溫升過程；另外，線圈的電阻會隨溫度的升高而增大(此溫度小於線圈燒毀溫度臨界值)．流過線圈的電流會逐漸減小。根據溫度慣性大、線圈電阻受溫度影響的特性制定以下試驗方案：將可調直流穩壓電源輸出直接連接線圈，在線圈上安裝好測溫傳感器和電流檢測傳感器，調整直流穩壓電源輸出電壓為220 V，按下輸出按鈕，開始計時，記錄此時的電流值I1，到達試驗通電時間t0時，再記錄此時的電流值I2，同時迅速切斷電源，記錄斷電後線圈能達到的最大溫度值I1．即為線圈在該電壓和通電時長下的正確溫升；試驗室溫為25℃，I1為剛通電時流過線圈的電流，在沒有溫升的情況下，即每組通電時間試驗的I1相等，I1=2.33 A。
當通流時長達到105 s時，線圈電流突然增大，線圈燒毀，此時的線圈溫度為133.5℃。
根據實驗結果，考慮實際正常斷路器的動作時間，對裝置內2套保護定值進行設定：第1套定時限電流保護的電流定值設定為0.2 A，時間定值T1設定為5s，自動復歸時間定值T2為20 s；第2套溫度保護過溫定值設定為70℃，該保護動作後，不能自動復歸，需技術人員現場檢查處理後，手動復歸。
本發明所述的一種35 kV斷路器跳合閘線圈實時監控保護裝置，它除具備斷路器分、合閘過程中線圈溫度、動作電流及線圈狀態等實時監控功能外，還實現了基於線圈電流及溫度的雙重保護方案，有效防止了跳合閘線圈的燒毀事故，明顯減少了斷路器的修復時間，提高了配電網供電可靠性。