一种断路器跳合闸线圈实时测控保护装置及保护方法与流程

本发明涉及的是一种断路器跳合闸线圈实时测控保护装置及保护方法，属于变电站安全运行监测保护技术领域。

背景技术：

断路器是变电站中重要的设备之一，无论线路处于何种工作状态，当要求断路器动作时，断路器应能可靠、迅速地动作。在35 kV及以下变电站中，还有大量的电磁操作机构断路器在运行。大量运行数据表明，中低压断路器的电磁操作机构稳定性较差，在操作过程中，经常会出现拒分、拒合等故障，特别是当断路器出现执行机构卡涩、线圈控制回路接点粘连无法断开及辅助开关节点不到位等故障时，线圈常会长期通电，造成线圈过热而烧毁，大大降低断路器的运行可靠性。

目前中低压变电站基本上无人值守，大量断路器都通过远程操作，当出现上述故障时，无法及时断开控制电源，极易造成线圈烧毁，必须到现场人工更换线圈解决，大大增加了负荷恢复供电时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成合理、简单，能够实时监控线圈动作电流、温度，并在故障时及时断开线圈回路，提高断路器运行可靠性的断路器跳合闸线圈实时测控保护装置及保护方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种断路器跳合闸线圈实时测控保护装置，它主要包括单片机、电源模块、实时时钟模块、测温模块、电流检测模块、液晶显示模块和大功率开关模块，所述的单片机分别配置有电源模块、实时时钟模块和液晶显示模块，并分别连接能实时检测断路器线圈温度的测温模块和能检测断路器线圈电流的电流检测模块；

所述的单片机还连接用于关断断路器线圈回路的、可控制的大功率开关模块。

作为优选：所述的单片机选用运算速度快、内存大、有64个 I/O口、内置高精度ADC／DAC和定时器、支持22个中断源的C8051F020芯片；

所述的电源模块采用输入电压为220 V交直流两用及输出电压为5 V的通用电源模块；

所述的实时时钟模块采用DS1302时钟芯片，采用三线串行接口方式，可提供年、月、日、星期、时、分和秒等时间信息；

所述的测温模块由一把温度信号转换成热电动势信号的单片K型热电偶感温元件和K型热电偶信号放大与数字转换器MAX6675芯片电路组成，

所述的电流检测模块采用HCS-LSP3额定电流20 A的闭环霍尔电流传感器；

所述的液晶显示模块选用J12864液晶模块；

所述断路器线圈的额定工作电压通常为DC 110 V或220 V，动作电流通常小于10 A，与之配套的大功率开关模块选用最大工作电压可达500 V、最大工作电流为20 A的IRFP460型场效应管并构成大功率开关电路，所述的单片机和场效应管之间设置有体积小、隔离电压高的P127型光耦隔离元件。

一种利用所述断路器跳合闸线圈实时测控保护装置进行保护方法，所述的保护方法是：

当线圈通电动作时，单片机实时比较热电偶测得的线圈温度T和设定温度Tset，当实时温度T大于设定温度Tset时，单片机控制大功率开关电路关断断路器线圈回路，在显示屏上显示当前时间和温度值并报警；

同样，线圈通电时开启定时器，记录线圈的通流时间time和电流大小I，time大于设定值Ti时，单片机控制大功率开关电路关断线圈回路，在液晶屏上显示当前时间、通流时间Ti和电流值I，并报警。

本发明具有结构组成合理、简单，能够实时监控线圈动作电流、温度，并在故障时及时断开线圈回路，提高断路器运行可靠性等特点。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图。

图2是本发明的系统保护逻辑框图。

图3是本发明所述DS1302时钟芯片的外部接线图。

图4是本发明所述的热电偶测温电路图。

图5是本发明所述的霍尔电流传感器接线图。

图6是本发明所述的大功率开关电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种断路器跳合闸线圈实时测控保护装置，它主要包括单片机1、电源模块2、实时时钟模块3、测温模块4、电流检测模块5、液晶显示模块6和大功率开关模块7，所述的单片机1分别配置有电源模块2、实时时钟模块3和液晶显示模块6，并分别连接能实时检测断路器线圈温度的测温模块4和能检测断路器线圈电流的电流检测模块5；

所述的单片机1还连接用于关断断路器线圈回路8的、可控制的大功率开关模块9。

本发明所述一种利用所述断路器跳合闸线圈实时测控保护装置进行保护方法，所述的保护方法是：

当线圈通电动作时，单片机实时比较热电偶测得的线圈温度T和设定温度Tset，当实时温度T大于设定温度Tset时，单片机控制大功率开关电路关断断路器线圈回路，在显示屏上显示当前时间和温度值并报警；

同样，线圈通电时开启定时器，记录线圈的通流时间time和电流大小I，time大于设定值Ti时，单片机控制大功率开关电路关断线圈回路，在液晶屏上显示当前时间、通流时间Ti和电流值I，并报警。

实施例：单片机1选用型号为C8051F020芯片，其运算速度快，内存大，有64个 I/O口，内置高精度ADC／DAC和定时器，支持22个中断源，符合装置设计要求；

电源模块采用输入电压为220 V交直流两用及输出电压为5 V的通用电源模块，具有体积小、在装置安装场所电压容易获得以及输出电压线性、稳定的优点；

实时时钟模块采用DS1302时钟芯片，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，采用三线串行接口方式，可提供年、月、日、星期、时、分和秒等时间信息，工作电压宽，达到2.5～5.5 V，且采用双电源供电；如图3所示，BT1为备用电源；所以DS1302时钟模块可以做到掉电不问断计时，大大提高了系统计时的可靠性和准确性。

测温模块由单片K型热电偶和MAX6675芯片电路组成，其原理图如图4所示；热电偶是一种感温元件，把温度信号转换成热电动势信号，具有测量精度高、热响应时间快、测量范围-40~+1600℃、性能可靠、机械强度好、使用寿命长等优点；

MAX6675是K型热电偶信号放大与数字转换器，将温度测量值转换成计算机能够识别的16位二进制数字温度读数，转换误差为0.25℃．可实现0~1 023.75℃范围内温度的转换，而且具有SPI串行口温度输出，可直接与单片机连接；

电流检测模块采用HCS-LSP3额定电流20 A的闭环霍尔电流传感器，具有2.5～5 V电源供电、穿心式结构、将电流量转换成电压量输出的特点，可以直接使用单片机内设的ADC模块进行采集，并计算出相应的电流值；霍尔电流传感器接线如图5所示。

液晶显示模块使用J12864液晶模块。可显示字符和图形，且内置8 192个中文汉字，满足装置显示要求。

35 kV断路器线圈的额定工作电压通常为DC 110 V或220 V，动作电流通常小于10 A，所以普通的继电器、开关器件无法满足设计要求，且继电器具有开断速度慢的缺点，会对断路器分合闸时间造成较大影响；鉴于此，本发明采用一种场效应管开关电路作为大功率开关模块并构成大功率开关电路，以控制线圈回路的通断；选用了IRFP460型场效应管，其最大工作电压可达500 V，最大工作电流为20 A，满足现场工作环境的需求．且响应快、开断电流无电弧、可靠性高；又由于线圈回路属于高电压、大电流回路，直接使用单片机控制场效应管通断线圈回路可能会造成单片机损坏，因此，在单片机和场效应管之间使用体积小、隔离电压高的P127型光耦隔离元件，增加了设备运行可靠性；其原理图如图6所示。

所述断路器线圈的额定工作电压通常为DC 110 V或220 V，动作电流通常小于10 A，与之配套的大功率开关电路选用最大工作电压可达500 V、最大工作电流为20 A的IRFP460型场效应管，所述的单片机和场效应管之间设置有体积小、隔离电压高的P127型光耦隔离元件。

本发明以单片机作为计算与控制核心，通过测温模块实时检测线圈温度。使用电流检测模块检测线圈电流。为提高保护模块工作的可靠性，设计了2套保护，见图2所示：第l套为定时限电流保护，通过设定线圈的最长通流时间T1实现对线圈的保护功能，此保护动作后，经过一定时间延时T2后，自动复归；第2套为线圈过温保护，通过测量线圈的实时温度与保护温度设定值进行比较实现，此保护动作后，说明线圈合闸回路出现严重故障，需要现场检查，手动复归；与此同时，装置将记录故障时刻、故障温度、故障电流和通流时长等，并形成报警信息。

单片机主要完成对热电偶温度、实时时钟芯片时间、霍尔电流传感器测量电流的读取，并将读取的信息显示在液晶屏上。为了提高所检测温度值和电流值的精度，在温度、电流检测中断程序中，采用取多点平均的方法进行计算，有效提高了测量的准确度和抗干扰能力。

当线圈通电动作时，单片机实时比较热电偶测得的线圈温度T和设定温度Tset，当实时温度T大于设定温度Tset时，单片机控制大功率开关电路关断线圈回路，在显示屏上显示当前时间和温度值并报警；同样，线圈通电时开启定时器，记录线圈的通流时间time和电流大小I，time大于设定值Ti时，单片机控制大功率开关电路关断线圈回路，在液晶屏上显示当前时间、通流时间Ti和电流值I，并报警。

本发明所述断路器线圈特性与定值整定：由于温度是一种惯性较大的物理量，不是一个突变量，当线圈通电后，其温度不会立刻达到最大值．需要一定的温升过程；另外，线圈的电阻会随温度的升高而增大(此温度小于线圈烧毁温度临界值)．流过线圈的电流会逐渐减小。根据温度惯性大、线圈电阻受温度影响的特性制定以下试验方案：将可调直流稳压电源输出直接连接线圈，在线圈上安装好测温传感器和电流检测传感器，调整直流稳压电源输出电压为220 V，按下输出按钮，开始计时，记录此时的电流值I1，到达试验通电时间t0时，再记录此时的电流值I2，同时迅速切断电源，记录断电后线圈能达到的最大温度值I1．即为线圈在该电压和通电时长下的正确温升；试验室温为25℃，I1为刚通电时流过线圈的电流，在没有温升的情况下，即每组通电时间试验的I1相等，I1=2.33 A。

当通流时长达到105 s时，线圈电流突然增大，线圈烧毁，此时的线圈温度为133.5℃。

根据实验结果，考虑实际正常断路器的动作时间，对装置内2套保护定值进行设定：第1套定时限电流保护的电流定值设定为0.2 A，时间定值T1设定为5s，自动复归时间定值T2为20 s；第2套温度保护过温定值设定为70℃，该保护动作后，不能自动复归，需技术人员现场检查处理后，手动复归。

本发明所述的一种35 kV断路器跳合闸线圈实时监控保护装置，它除具备断路器分、合闸过程中线圈温度、动作电流及线圈状态等实时监控功能外，还实现了基于线圈电流及温度的双重保护方案，有效防止了跳合闸线圈的烧毁事故，明显减少了断路器的修复时间，提高了配电网供电可靠性。