剩余電流動作斷路器動作特性自動檢測裝置設計與應用

吳宇紅 ，徐國華 ，丁文軍 ，鄧 慰

（1.國網浙江省電力有限公司德清縣供電公司，浙江 德清 313200; 2.國網浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313200; 3.杭州天目電力科技有限公司，浙江 臨安 311300; 4.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074）

1 斷路器運行規程解讀和運維存在的問題

在低壓配電網中，應采用2～3 級裝設斷路器，上一級應選用延時動作型斷路器，其分斷時間應比下一級斷路器的分斷時間至少增加0.2 s，以實現選擇性。斷路器的額定剩余動作電流值最大值不應超過75～100 mA（非陰雨季節）或200～300 mA（陰雨季節）[3]；家用斷路器應實現直接接觸保護，其動作電流值不應大于30 mA；移動式電力設備及臨時用電設備的斷路器動作電流值為 30 mA[2]。根據GB/T 13955—2017、DL/T 736—2010 等標準的規定，斷路器每月至少開展檢查動作特性試驗一次，并作好記錄[1]。

在檢測過程中，運檢人員通過“看、聽、嗅”等器官感受研判密封設計內部元器件、觸點系統等故障隱患，存在正確率低，且存在較大觸電風險，同時平均每座公變檢測須耗時40 min，中間檢測停電約35 min，嚴重影響著居民正常生活和社會生產用電。

2 斷路器動作特性自動檢測裝置設計

如圖1所示，本裝置主要由電源電路、微控制器、電壓采樣電路、電流采樣電路、通信模塊、阻抗選擇模塊以及相位選擇模塊組成。其中電壓采樣電路采集斷路器的輸出電壓并傳入微控制器，電流采樣電路采集斷路器的輸出電流并傳入微控制器，通信模塊、阻抗選擇模塊以及相位選擇模塊均與微控制器連接， 微控制器可根據斷路器的性能參數進行調整。

圖1 斷路器動作特性自動檢測裝置組成框圖

2.1 斷供電電源設計

斷路器動作特性自動檢測裝置的工作電源采用公變的智能控制終端直流12 V 直接供給，然后通過降壓至3.3 V 供給斷路器動作特性自動檢測裝置斷路器動作特性自動檢測裝置電路板，當斷路器進行動作特性試驗時，無論斷路器動作前后，都不會影響斷路器動作特性自動檢測裝置正常供電。同時裝置的微控制器能夠通過通信模塊調整斷路器額定剩余動作電流值，實現全智能控制，如圖2所示。

圖2 供電電源的電路圖

2.2 控制電路設計

斷路器動作特性自動檢測裝置微控制器主要負責數據采集、通信處理、控制執行等功能。其中S2為撥碼開關用于設置控制器通信地址，發光管D1、D2、D3、D4 指示工作狀態，如圖3所示。

圖3 斷路器動作特性自動檢測裝置微控制器電路圖

2.3 電壓和電流采集電路設計

斷路器動作特性自動檢測裝置電壓采樣電路由三相四線電源輸入與斷路器下端出線處連接，數據經電壓采集模塊進行數據轉換后推送至微控制器備用，該數據采集速率為2 s 循環采集。電流采樣電路直接與電流互感器連接，數據經電流采樣電路進行數據轉換后推送至微控制器備用，該數據采集速率為2 s 循環采集，如圖4所示。

圖4 電壓和電流采樣電路圖

其中采集A 相電壓的電壓互感器H1、采集B相電壓的電壓互感器H2 以及采集C 相電壓的電壓互感器H3，以及電壓互感器H1 輸入端、電壓互感器H2 輸入端以及電壓互感器H3 輸入端均連接有保護電阻，電壓互感器H1 輸出端、電壓互感器H2 輸出端以及電壓互感器H3 輸出端均通過采樣電阻與微控制器的 AD 接口連接。電壓互感器H1、H2、H3 分別與斷路器下樁的A、B、C 相連接。電流采樣電路包括三相電流互感器J1，電流互感器J1 穿接在斷路器輸出端。

2.4 阻抗與相位選擇模塊設計

斷路器動作特性自動檢測裝置阻抗選擇模塊由若干繼電器以及若干接地電阻組成，包括繼電器K2和繼電器K4，繼電器K2 的觸頭一端連接相位選擇繼電器組另一端連接接地電阻R11，繼電器K4 的觸頭一端連接相位選擇繼電器組另一端連接接地電阻R14。可選擇的阻抗共有3 擋，分別為R17，R17與R11 的并聯，R17 與R14 的并聯，可實現3 擋電阻值的選擇。繼電器設置冗余旁路，確保試跳檢測過程中裝置自身穩定性，若干接地電阻即是拓展試跳試驗適用范圍的基礎，越小的接地電阻滿足了越大的斷路器試跳電流試驗要求，如圖5所示。

圖5 阻抗和相位選擇模塊電路圖

3 斷路器動作特性自動檢測裝置的應用

現場依次安裝斷路器、智能控制終端、斷路器動作特性自動檢測裝置、電流互感器、零序互感器。斷路器上部連接于三相四線供電電源、下部連接三相四線用戶供給電源，取供電側三相四線接于智能控制終端供電電源端，斷路器與智能控制終端通信采用RS485 連接。斷路器動作特性自動檢測裝置由智能控制終端輸出的直流供電電源供給，斷路器動作特性自動檢測裝置與電流互感器和零序互感器相連，智能控制終端與斷路器動作特性自動檢測裝置通信采用RS485 連接，接地端與斷路器試跳接地裝置連接。

連接完成后，斷路器動作特性自動檢測流程如圖6 所示。

圖6 斷路器動作特性自動檢測流程圖

3.1 動作特性指令試驗執行

智能控制終端通過定時、手動或編輯短信生成試跳指令，經RS485 通信接口將指令推送至斷路器動作特性自動檢測裝置微控制器，由微控制器生成測斷路器額定剩余動作電流值（mA）指令，經通信端口斷路器接收到指令，并提取存儲器內的額定剩余動作電流值（mA）給裝置微控制器。 微控制器判斷該值是否超300 mA以上后，分別進行余下指令。

3.1.1 斷路器額定剩余動作電流值大于300 mA

生成調節額定剩余動作電流值300 mA 指令經通信接口給斷路器，由斷路器微控制器控制并完成本次額定剩余動作電流值300 mA 調節，并將該值存入存儲器內，然后返回給斷路器動作特性自動檢測裝置指令已完成信息，裝置微控制器發送啟動阻抗選擇繼電器組將試驗電阻R17、R11 并聯接地的調節指令，根據指令導通對應相位選擇繼電器組C相，然后對地導通0.2 s，間隔10 s讀取電壓采樣電路最后推送給微控制器的A/B/C 相電壓數據，判斷是否為0 V，如果是，說明本次試跳動作成功，然后再過10 s 左右讀取電壓和電流采樣電路最后推送給微控制器的A/B/C 相電壓和A/B/C 相電流數據，并經RS485 通信接口推送至智能控制終端協微控制器暫存，然后由協微控制器將數據再推送至主微控制器， 由主微控制器完成相應檢測數據整理、篩選、計算、閾值對比及存儲等判斷與分析。如果讀取電壓采樣電路最后推送給微控制器的A/B/C 相電壓數據不是0 V，則停止試跳指令執行，微控制器經通信接口推送至智能控制終端協微控制器生成“××公變×號斷路器故障”報警信息，由協微控制器經通信模塊同步傳送該報警信息。

3.1.2 斷路器額定剩余動作電流值小于等于300 mA

斷路器動作特性自動檢測裝置微控制器接收的額定剩余動作電流值50 mA 時，微控制器發送阻抗選擇繼電器組將試驗電阻R17 接地的調節指令，導通對應相位選擇繼電器組A 相，額定剩余動作電流值為100 mA 時，微控制器發送阻抗選擇繼電器組將試驗電阻R17、R14 并聯接地的調節指令，導通對應相位選擇繼電器組B 相。

3.2 故障類型判斷

通過斷路器“合—分—合”采集的電壓、電流、剩余電流數據和斷路器開關量3 組數據進行計算和分析，實現斷路器內部電路、觸點系統和連接點的精確故障診斷。

3.2.1 斷路器動作特性檢測準備

智能控制終端根據每月定時或接收到觸發指令，統計斷路器存儲的本月跳閘記錄，如果存儲有跳閘記錄則發送“本月已有跳閘動作記錄”的信息并結束本次斷路器動作特性檢測準備。否則，進入下一個步驟。

3.2.2 調節接地電阻進行檢測

讀取斷路器內預設的“剩余動作電流值”數據，根據“剩余動作電流值”數據的范圍，自動調節相應的接地電阻，并將檢測電路對應接于A 相或者B相或者C 相。

3.2.3 檢測及收集斷路器動作特性檢測數據

收集檢測前、檢測中和檢測后數據，其中斷路器動作特性檢測數據包括Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic、剩余電流IΔn和開關量KGL的數據。

3.2.4 檢測數據對比與分析

如 果 符 合Ua1＞ 0、Ua2= 0、Ua3＞ 0、Ub1＞ 0、Ub2=0、Ub3＞ 0、Uc1＞ 0、Uc2= 0、Uc3＞ 0、Ia1＞ 0、Ia2=0、Ia3＞ 0、Ib1＞ 0、Ib2= 0、Ib3＞ 0、Ic1＞ 0、Ic2= 0、Ic3＞ 0、IΔn1＞ 0、IΔn2= 0、IΔn3＞ 0、KGL1= 1、KGL2= 0和KGL3= 1 條件，則發送“斷路器動作特性檢測正常”信息，并結束本次動作特性檢測準備。否則，發送“斷路器動作特性檢測不正常，需要現場核查”信息，并結束本次動作特性檢測準備。

4 結束語

斷路器動作特性自動檢測裝置采用定時或編輯短信觸發保護器性能檢測任務程序，實現根據讀取試驗保護器跳閘記錄、剩余動作電流值和分斷時間的存儲數據，自動調節試驗裝置的相位和阻抗繼電器，同時導通時間可精準控制，實現了保護器自動性能檢測，實現了斷路器內部電路、觸點系統和連接點的精確故障診斷，解決傳統接地試跳靠人工現場操作的問題，提高了檢測的正確率，避免了人工操作安全風險。