真空斷路器分合閘線圈電阻測量裝置的研制與應用

鄧 濤，丁一岷，夏強峰，屠曄煒

（國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314003）

0 引言

真空斷路器因其滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是高真空而得名。它具有體積小、重量輕、可頻繁操作、滅弧不用檢修的優點，適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的場所使用[1-2]。斷路器分合閘線圈材料質量及制作工藝的缺陷導致線圈電阻不合格問題時有發生，必定違背新建變電站的“零缺陷”投產要求，也給斷路器的正常動作帶來隱患。

傳統的萬用表測量法在分合閘線圈控制回路中只有線圈時測量較為準確，但實際變電站工程中所使用的大部分分合閘線圈回路中均存在整流模塊，這將給測量結果帶來很大偏差。另因在未通電情況下，使用萬用表對分合閘線圈直接測量，線圈阻值可能會與通電情況有偏差。在完成安裝之后，分合閘線圈完全密封于高壓斷路器內，操作人員需確保熟悉斷路器內部工作原理，對拆裝的結構十分了解。高壓斷路器的拆裝過程較為繁瑣，在拆除或更改被試設備上的試驗接線之前，安全一定要得到保證[3-6]。

以下介紹一套真空斷路器分合閘線圈直流電阻（簡稱直阻）測量輔助裝置，該裝置現場應用簡單方便，測量安全風險小，能有效解決真空斷路器分合閘回路帶有整流模塊導致線圈電阻無法測量的難題。

1 傳統測量方法改進

1.1 真空斷路器分合閘線圈電阻測量存在的缺陷

在安裝完成的高壓開關上進行電阻測量，傳統萬用表測量方法試驗原理如圖1所示，即在要測量線圈回路上施加一個電壓VCC，測量取樣電阻R1兩端電壓和電源電壓進行計算。

圖1 傳統測量線圈電阻原理

但實際情況中，在線圈回路里還有整流橋等其他電子器件，有的開關線圈回路既有整流橋又有NMOS（N型金屬-氧化物-半導體）管，見圖2。

圖2 帶有整流器件的線圈回路

圖2中，以電源電壓24 V，取樣電阻100 Ω，線圈電阻129.6 Ω和整流橋壓降共1.4 V為例，在不考慮測量偏差的情況下，根據現有的測量方法計算出線圈阻值約為143.8 Ω，與實際相差較大。如果在線圈回路中多了一個NMOS管，系統的測量必須在NMOS管導通時進行，否則在NMOS管關斷后無法測量。現有技術測量時間太長，測量準確度非常低，因此目前的試驗設備無法在通電情況下對線圈電阻進行測量。

1.2 真空斷路器分合閘線圈電阻測量方法改進

由于整流橋和NMOS管均在高壓斷路器內部，并且各類型號斷路器設備都不相同，因此無法直接得知整流橋的壓降。

針對以上問題，一方面在NMOS管導通期間快速測量，避免關斷之后測量帶來的誤差（若無NMOS管也并無影響），通過軟件的改進能完善這一功能，實現快速測量。另一方面需要降低整流橋壓降的影響。對于這一方面可以分兩部分實施：一是可以增大回路中的電流，如果電流增大，那么大部分電壓會分在取樣電阻和線圈上，此時整流橋的壓降相比于落在取樣電阻和線圈上的電壓較小，從一定程度上提高了測量精度，所以測量的電源電壓需提高；二是在提高電壓之后若能進一步減小整流橋壓降所帶來的誤差，那么線圈電阻測量試驗就能順利開展。針對這一情況，可以分2次使用不同大小的取樣電阻進行測量。因整流橋在一定的范圍內改變電流值，其壓降不會有很大變化，因此可假定2次測量的壓降相同，從而更準確地計算出線圈電阻值。設計思路如圖3所示。圖3中R1和R2分別為2次測量的取樣電阻，通過2次測量可得：

式中：I1為第一次測量時流過取樣電阻R1的電流；I2為第二次測量時流過取樣電阻R2的電流；Vf1為第一次測量時整流橋的壓降；Vf2為第二次測量時整流橋的壓降，假定2次壓降相同；Rx為要測量的線圈電阻。 由式（1）和（2）可得 I1×（R1+Rx）=I2×（R2+Rx）， 即可求得 Rx。

圖3 設計電路原理

2 真空斷路器分合閘線圈電阻測量裝置設計與研制

測試系統由操作電源、輔助電源、主控制器、顯示屏及按鍵組成。操作電源提供操作機構正常分合閘的直流操作電壓，輔助電源由開關電源產生，供主控制器及其他采樣、控制電路工作。主控制器通過顯示屏和按鍵組成人機交互界面，控制測量輸出和操作輸出，測量電壓信號，計算直流電阻并顯示在屏幕上。裝置原理框如圖4所示。

圖4 裝置原理框圖

制作與實施小型開關直阻測試輔助裝置，需要搭建電源模塊、控制模塊、測量模塊、操作模塊和顯示模塊5個部分的功能。

2.1 電源模塊

工程應用中，常采用的電源技術有2種，即線性電源技術和開關電源技術，而開關電源技術具有效率高、體積小、發熱小、功耗低和重量輕（體積和重量只有線性電源的20%~30%）等優點，并且自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、易于模塊化[7-8]。結合實際需要，決定采用以開關電源技術為主體的電源模塊，主要實現以下2個目標：

（1）將220 V AC電源轉換成30~270 V操作電源、24 V的開關電源以及3.3 V，5 V，12 V，-15 V的輔助電源。

（2）實現操作電源的連續可調。設計采用電源模塊的核心部分電路如圖5所示。

采用開關電源技術得到裝置工作所需的直流電壓，包含開關操作電源、線圈電阻測量電源、輔助電源3個子模塊。操作電源提供操作機構正常分合閘的直流操作電壓，輔助電源由線圈電阻測量電源產生，供主控制器及其他采樣、控制電路工作。

圖5 電源模塊電路設計

2.2 控制模塊

裝置需要對各模塊間進行有效的配合控制，對采集到的電壓、電流進行準確監測，并將電壓、電流數據輸出到數據處理模塊，將處理得到的線圈電阻值在顯示屏上進行顯示。單片機在我國普及程度高、體積小、功能強、工作可靠性好、性價比高，且能夠處理復雜的邏輯計算，滿足項目中相關邏輯計算要求，各類接口也比較豐富[9-10]，綜合考慮采用單片機作為系統的控制核心來搭建控制模塊，主要實現以下2個目標：

（1）將接收到的指令信號進行處理并存儲。

（2）有效控制其他各模塊的運行狀態。

數據控制處理模塊主要實現裝置對試驗過程的控制及保護，采用的是單片機MEGA64芯片，其主要電路如圖6所示。

圖6 控制模塊電路設計

選用AVR的MEGA64作為主控制器，I/O口較多，將顯示屏接口直接掛在控制器的數據總線上，操作速度快，無延時和閃屏現象。另外控制器內置的8通道10位A/D轉換器，無需外部基準電壓，就可以對各路電壓信號進行測量。

2.3 測量模塊

常用的測量模式主要有直接測量模式、間接測量模式和組合測量模式，通過比較發現組合測量模式在測量過程中，改變測量條件來獲得不同被測量的組合，可通過直接測量和間接測量所得的數值，進行求解組合方程而得到被測量的數值[11-12]。該方式綜合了直接與間接2種測量方法的優點，能夠真實反映裝置需要監測的電壓、電流數值，能全面反映裝置各部分的電氣量數值，雖然稍顯復雜，但是滿足裝置設計監控要求。

故采用組合測量模式來搭建測量模塊，主要實現以下2個目標：

（1）裝置輸出的電壓、電流信號的采集正確率達100%。

（2）采集數據反饋給被測線圈回路以及數據處理模塊的正確率達100%。

測量模塊電路如圖7所示，其中K1用于切換測量電源和操作電源輸出；K2為分閘輸出繼電器；繼電器K3用于切換一次測量和二次測量的回路電阻；K4為合閘輸出繼電器；運放U1測量電阻R1和R2的上端電壓；運放U2測量電阻R1和R2的下端電壓。2次測量的電壓組成方程式，即可計算出負載的線圈電阻大小。

2.4 操作模塊

為實現斷路器分合狀態的選擇操作，以及操作電壓的設置，選擇矩陣模式設計操作模塊。矩陣模式原理也相對比較簡單，實現起來難度不大，適用于按鍵數目較多的裝置或設備，可避免單片機I/O資源的浪費[13-15]。

采用矩陣模式來搭建操作模塊，其電路設計如圖8所示，主要實現以下2個目標：

（1）斷路器分合狀態的選擇操作正確率100%。（2）操作電壓的設置，精確到個位。

使用矩陣式操作模式，實現分合閘線圈測量狀態的選擇和參數的設置功能。

2.5 顯示模塊

觸摸液晶、彩色液晶、黑白液晶各有特點，在各類儀器設備中廣泛應用，由于本裝置僅需顯示操作電壓設定值以及線圈電阻測量的數值，對于顯示要求不高，經過各方面比較，黑白液晶可與任何單片機、ARM處理器、DSP（數字信號處理器）配套使用，技術成熟度高，適用于對顯示要求不高的場合，且電路簡單，穩定可靠[16-17]。

圖7 測量模塊電路設計

故采用以黑白液晶模式來搭建顯示模塊，其電路設計如圖9所示，主要實現以下2個目標：

（1）具有常態與背光2種模式，適應不同工作環境。

（2）以數字方式顯示操作電壓設定值、電阻測量值，保留小數點后1位。

圖8 操作模塊電路設計

圖9 顯示模塊電路設計

液晶顯示電路用于液晶屏的顯示與驅動，選取122×32的小型圖形點陣式液晶屏，能夠顯示較多的文字信息和數字信息。

2.6 裝置整體組裝驗證

為驗證裝置在分合閘線圈電阻測量數據方面的準確性，任意選取6組分合閘線圈，分別采用萬用表法和本裝置進行測量，并與銘牌數據進行對比，測量結果如表1所示。

由試驗對比數據可知，本裝置測得的電阻值符合分合閘線圈銘牌數據，測量數據具有較高的準確性，裝置得到了有效驗證。

表1 線圈電阻測量對比數據

3 真空斷路器分合閘線圈電阻測量裝置的應用

經統計，某公司2016年承擔工程中有13個涉及到真空斷路器分合閘線圈電阻測量，只有1個順利實現了電阻的測量。2017年所承擔工程中有9個涉及到真空斷路器分合閘線圈直阻測量，在裝置研制出之前，均無法實現直阻測量，研制出后直阻試驗順利開展。在裝置研制出前后，真空斷路器分合閘線圈電阻通過航空插頭測量的完成率如圖10所示，同時完善了試驗報告內容，進而有效全面檢查了設備的工藝質量，保證設備零缺陷投產送電。

圖10 真空斷路器分合閘線圈電阻通過航空插頭測量完成率

所研制的真空斷路器分合閘線圈直阻測量裝置在斷路器安裝交接試驗中進行了實際應用，取得了較好的效果，試驗的準確性和效率均很高，裝置研制完成后真空斷路器分合閘線圈均順利開展了電阻值的測量試驗，測量率達100%，解決了分合閘線圈電阻難以測量的難題，對于全面檢查真空斷路器質量，保證工程零缺陷投產送電具有重要意義。

4 結論

（1）裝置可直接通過航空插頭測量真空斷路器分合閘線圈的電阻值，無須拆裝高壓開關內部元件，實現了斷路器分合閘線圈電阻智能化全面測試，保障了電力設備入網質量。

（2）裝置的研制革新了采用萬用表測量線圈電阻的傳統模式，實現斷路器分合閘線圈電阻的智能化測試，測量數據模擬運行狀態使得試驗結果更加真實可靠，提升現場試驗工作效率，具有較大的經濟效益。

（3）所研制的裝置可推廣應用于所有電氣設備有動作線圈的測量作業，甚至推廣至高壓斷路器分合閘線圈運行狀態的監控，具有很高的應用價值。

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