断路器弹簧操动机构在线监测系统设计

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【摘要】断路器的弹簧操动机构故障是断路器主要故障之一，对其进行在线监测，可提高断路器工作的可靠性。叙述了弹簧操动机构常见故障，提出了以数字信号处理器（DSP）为核心的电路设计方案，并进行了故障诊断分析。

【关键词】配电线路；断路器；在线监测；电流信号

引言

断路器在电力系统中是重要的控制和保护设备，是高压电器中最重要的一类电器[1]。断路器性能关系到电力系统的正常运行，断路器本身价格不算高，但其本身故障造成的损失已远远超过断路器本身的价格，比如造成其它设备的损坏和电力系统的停电，因而需要对断路器作定期检修以保证其可靠性。随着经济发展，断路器数量在逐年增加，定期检修的工作量大、费用高等弊端已显现出来，因此状态监测便应运而生。状态监测可及时了解断路器的工作状态、故障部位，使检修人员能有针对性地对断路器进行检修。

1.弹簧操动机构常见故障

a） 合分闸控制回路断线。航插松动、控制电缆头与航插断开、断路器接线端子松动、断路器行程开关辅助节点异常等原因造成断路器无法遥控；

b） 合跳闸线圈烧坏。合分闸机构卡涩、断路器行程开关辅助节点异常等原因造成合跳闸线圈烧坏，断路器无法遥控；

c） 弹操机构未储能。储能机构卡涩、辅助节点异常等原因造成储能弹簧无法拉紧，断路器不能合闸。

本文提出了一种针对以上三种故障的在线监测设计思路，在不引起断路器的成本增加、不降低断路器可靠性的前提下，能及时监测到故障发生。

2.在线监测系统硬件设计

2.1 硬件框图

如图1所示，通过传感器采集电流信号，经“信号处理电路”模块处理后，由DSP（数字信号处理器）芯片自带的AD（数字信号模拟信号）转换模块进行数模转换，“回路断线监测电路”的信号传入DSP，DSP根据采集到的各种信号，判断所监测设备是否正常。图1中，ADC即模拟信号数字信号转换器，IO是数字信号输入输出接口，JTAG是仿真器接口，用来给DSP（数字信号处理器）录入程序。

图1 在线监测系统的硬件框图

2.2 采集电流传感器

传感器采用锰铜分流器，分流器是一个可通过大电流的精确电阻，当电流流过分流器时，在它两端就会出现一个毫伏级电压，于是通过测量这个电压，再将这个电压换算成电流，就完成了大电流的测量。

2.3 信号处理电路

电流经锰铜分流器后，需采集的差模电压信号仅是毫伏级，较大的共模电压对测量无用。因此，应采用运算放大器来放大两输入端信号的差模信号，抑制共模信号。实现方法有两种：a） 由3个运算放大器组成的三运放仪表放大电路；b） 采用专用的集成芯片。

组合的三运放仪表放大器如图2所示，U1、U2、U3为放大器；R、R1、R2、Rf分别为电阻，不同的符号，代表电阻值大小不同，作用都是让各个结点的电压不同，Ω；UI1为放大器U1的输入电压，V；UI2为放大器U2输入电压，V；UO1、UO2、UO分别为U1、U2、U3的输出电压，V。

图2 三运放仪表放大器电路

根据运算电路的基本算法分析：

虽然三运放仪表放大器的结构并不复杂，但输入阻抗、共模抑制比等特性受匹配电阻影响很大。而采用专用的集成芯片则无需考虑这些问题，仅需1个电阻或引脚来配置增益即可。

本文信号处理电路采用集成芯片INA826仪表放大器，其引脚配置如图3所示，REF（参考电压）引脚通常接地，+VS与-VS为电源引脚，+IN与-IN为信号输入引脚，放大器的倍数通过电阻RG来控制。

图3 信号处理电路

放大倍数公式为： ，（3）

式（3）中，G为放大倍数；RG为控制放大倍数的电阻，Ω。

经过放大后的电压从VOUT（电压输出端）输出传给DSP的模拟信号输入通道，由DSP内部的AD转换器进行数模转换，最后进行数据处理。

2.4 分合闸断线监测电路

分合闸回路的电压高于DSP所能承受的电压，所以需要光耦元件隔离。光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了"电-光-电"转换[2]。由于它具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛应用[3]。电路图如图4所示，R为控制DSP端电压的电阻，Ω；C为电容，F。

图4 分合闸断线监测电路

3.故障诊断分析

3.1 分合闸回路断线故障诊断分析

合闸控制回路断线监测的原理图如图5所示。U为合闸控制回路电压，GND为合闸控制回路地线，HC为合闸线圈，DL为辅助接点，YH为合闸开关，当断路器在分闸状态时，DL为闭合状态。当合闸开关闭合时，如果整个控制回路正常，则HC得电，驱动合闸机构动作，断路器合闸，合闸结束后，辅助接点断开，HC断电。如果控制回路中有断开点，则HC无法得电，断路器拒动。

用光耦和电阻R串联后并接在YH两端，即便YH平时打开，只要控制回路中没有断开点，就会有电流流过整个控制回路，这个电流的大小可通过调节电阻R的阻值来调整，使之维持在很低的范围，既不会误驱动HC，又能使光耦中的发光二极管发光，光敏三极管导通，终端DSP采集到低电平，认为控制回路正常。如果控制回路中有异常断开点，则光耦中的发光二极管灭，光敏三极管截止，终端DSP采集到高电平，认为控制回路断线，发出报警信息。

图5 合闸控制回路断线监测的原理图

以上所述为合闸控制回路监测原理，分闸控制回路监测的原理相同，只是在断路器处于合位时，再进行分闸控制回路监测。

3.2 分合闸电流与储能电机电流波形分析

相同型号、相同环境下的分合闸与储能电机，其状态是相似的。因此可利用已知的正常分合闸电流数据拟合出理想电流曲线，本文使用的是最小二乘法曲线拟合。

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可简便地求得未知数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小[4]。简单来说，已知有限多个点（xi，yi），这些点代表实际数据，由于实际数据分布并不呈线性，要找出规律很难，人们想到求出一条线，代表理想数据，使所有点到这条线的距离最小，也就是所有实际数据和理想数据误差最小，这条线就叫拟合曲线，对于m个实际数据，设：

y=a0+a1x+a2x2+……+anxn，（4）

式（4）为数据纵坐标y与数据横坐标x关系的方程式，其可代表拟合曲线；a0、a1、a2 ……an为方程系数。

误差平方和如下：

，（4）

式（4）中，R2为误差平方和，xi和yi分别为各实际点的横纵坐标，按照误差平方和最小原则（误差平方和越小说明误差越小），对各个待定系数a0、a1、a2 ……an求偏导数，使之都等于0。

，（5）

将等式写成矩阵形式

m为实际点数量，a0、a1、a2 ……an为方程系数，xi和yi分别为各实际点的横纵坐标。当n=1时，拟合线为直线，当n≥2时，拟合线为曲线。当数据点较多时，拟合方程阶数较低时，拟合曲线精度不理想，但阶数太高又会带来计算上的复杂性，所以一般采用分段曲线拟合，把数据分段再拟合[5]。从理想电流曲线中取得理想数据组A（n），再与实际电流采样数据组B（n）求差，差值越小说明实际电流越接近于正常。由此可设定一个临界值，当差值大于临界值时表明电流异常，发出报警信号。

3.3 分合闸与储能电机卡滞分析

当分合闸电流及储能电机电流值大于0时，DSP计数器开始计时，到电流时重新变为0时结束计时，通过理想电流曲线可知正常分合闸动作时间，由此可设定1个临界值，当实际动作时间大于临界值表明设备存在卡滞，发出报警信号。如果分合闸和储能电机没有完全卡死，仍然完成动作，可以通过电流波形判断是否存在故障隐患。

4.结语

通过分析配电线路上的断路器分合闸及储能电机电流波形的特点，设计了采集电流信号的电路，再对采集到的电流信号进行分析处理，经过测试研究，此方法可判断出断路器是否存在机械故障以及故障原因，可及时发现断路器运行过程中存在的隐患，然后进行必要检修，为日常维护提供可靠的依据。具有一定的先进性及很好的实用性，可应用到具体的电力系统工程实践当中。

参考文献

[1]李志强，张蓬鹤，王蔚.探讨断路器时间测量中的几个问题[J].自动化与仪器仪表，2007（2）：68 -69.

[2]沙占友，王彦明，王晓群.线性光电耦合器在开关电源中的应用[J].通信电源技术，2001（2）：25-26

[3]曾兀彧.光电耦合器典型应用电路剖析[J].井冈山学院学报，2008，29（12）：18-20.

[4]田垅，刘宗田.最小二乘法分段直线拟合[J].计算机科学，2012，39（12）：482-484

[5]蔡山，张浩，陈洪辉，等.基于最小二乘法的分段三次曲线拟合方法研究[J].科学技术与工程，2007，7（3）：352 -355.

作者简介

米杰，1988年生，男，河北石家庄人，2010年毕业于河北工程大学电气工程自动化专业，在读硕士。