10kV真空断路器备用合闸线圈自动投入装置

摘要

本发明公开了一种10kV真空断路器备用合闸线圈自动投入装置，包括备用线圈自动投入回路、原合闸回路、控制电源与测控装置，控制电源包括控制电源负端与控制电源正端，备用线圈自动投入回路是在原合闸回路的基础上在原合闸线圈与控制电源负端之间串联控制继电器A；并在常闭辅助触点QF与控制电源负端之间并联一个串联回路；该串联回路包括备用合闸线圈与控制继电器B，不改变原合闸回路。本发明在原合闸线圈基础上并联备用合闸线圈，在原合闸线圈烧毁后可以实现备用合闸线圈的自动切换功能，提高供电可靠性，提高合闸线圈使用寿命，改善合闸线圈工作环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于保护断路器操作机构的测量控制系统，具体是一种10kV真空断 路器操作机构中备用合闸线圈自动投入的控制装置。

背景技术

随着经济社会的发展，对电力系统的用电需求量也在不断升高，对电力系统安全可靠 运行的要求也就越来越高。电力系统中10kV真空开关有着极为广泛的应用，因此10kV真 空开关的可靠运行电网中起着至关重要的作用。

10kV真空断路器由断路器本体、操动机构、电源三部分组成。10kV真空断路器本体 的可靠性已经达到相当高的水平，它的平均无故障时间已可达数十年。然而在实际运行中， 10kV真空断路器的可靠性却并不乐观，远远低于其本体已达到的可靠性水平。统计资料表 明：10kV真空断路器故障中有70％～90％以上为操动机构的故障。

调查发现，操动机构故障中绝大多数都是合闸线圈烧毁，此类故障造成的非计划停电 直接影响供电可靠性，而且增加检修工作量。

合闸线圈是由一个空心多匝线圈，线圈带电后产生的磁场会使得中间的连杆动作，从 而打开闭锁储能弹簧的销子，储能弹簧释放能量断路器合闸，此时线圈回路中的常闭辅助 触点断开使得线圈失电，线圈失电后连杆上的复位弹簧会使得连杆复位。

但是如果连杆从线圈获得的能量不够、机构卡涩或者线圈绝缘损坏等都都会导致线圈 长时间通电工作于短路状态进而烧毁线圈。同时，实际使用中仍存在因为误操作、短时间 内多次分合等人为原因损毁线圈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高合闸线圈使用寿命，改善合闸线圈工作环境，实 现10kV真空断路器备用合闸线圈自动投入装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

10kV真空断路器备用合闸线圈自动投入装置，包括备用线圈自动投入回路、原合闸回 路、控制电源与测控装置，控制电源包括控制电源负端与控制电源正端，备用线圈自动投 入回路是在原合闸回路的基础上在原合闸线圈与控制电源负端之间串联控制继电器A；并 在常闭辅助触点QF与控制电源负端之间并联一个串联回路；该串联回路包括备用合闸线 圈与控制继电器B，不改变原合闸回路；

测控装置包括霍尔传感器、调理模块、AD转换模块、DSP芯片；霍尔传感器实现对原 合闸线圈和备用合闸线圈两端的电压、电流信号进行采集并按照一定的变比转换为二次电 流值；调理模块对二次电流值再次转换为电压值并放大处理成为值域在AD转换模块输入 范围内的值，AD转换模块将输入模拟值转换为数字信号，DSP芯片对AD转换模块输出的 数字信号进行采集并计算分析；输出控制继电器A、控制继电器B的控制信号，最终实现 备用线圈自动投入功能。

作为本发明进一步的方案：控制继电器A、控制继电器B选用SSR固态继电器，型号 为GJ-5FA-L。

作为本发明进一步的方案：霍尔传感器包括HNV025A霍尔电压传感器与HNC03SY霍尔 电流传感器。

作为本发明进一步的方案：AD转换模块采用AD7656转换芯片。

作为本发明进一步的方案：DSP芯片采用TMS320F2812芯片。

作为本发明进一步的方案：光耦隔离模块采用HCPL4504光电耦合器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用TMS320F2812芯片作为核心处理器，实现强大的数据实时处理能力， 采用更精确更快速的A/D采样芯片AD7656转换芯片，可以对合闸线圈工作电压和合闸时 的电流变化情况主进行实时采集和分析处理。

(2)本发明采用线性度高、转换速度快的霍尔传感器，二次输出为电流信号提高了 装置的抗干扰性能。

(3)本发明在原合闸线圈基础上并联备用合闸线圈，在原合闸线圈烧毁后可以实现 备用合闸线圈的自动切换功能，提高供电可靠性。

(4)本发明对原合闸脱扣器进行改造，增加合闸脱扣器的长度以保证备用合闸线圈 的备用合闸撞杆能够撞击到合闸脱扣触发板延长部分，有效满足了备用合闸线圈完成合闸 的功能。

(5)控制算法采用电压。电压值与电流值联合控制的结构，有效满足了原合闸线圈 故障状态下备用合闸线圈自动投入的需要，高速数据采集频率为数据进一步分析处理提供 了可能。

附图说明

图1为10kV真空断路器备用合闸线圈自动投入装置框图；

图2为测控装置原理图；

图3为备用线圈自动投入回路接线图；

图4为新型合闸触发器透视图；

图5为备用线圈安装示意图；

图6为原合闸线圈动作示意图；

图7为备用合闸线圈动作示意图；

图8为本发明DSP测控算法程序流程图；

图9为原合闸回路的电路图；

图中：1-备用线圈自动投入回路、2-常闭辅助触点QF、3-原合闸回路、4-控制电源与 测控装置、5-控制电源正端、6-控制电源负端、7-备用合闸线圈、8-控制继电器A、9-控 制继电器B、10-霍尔传感器、11-调理模块、12-AD转换模块、13-DSP芯片、14-光耦隔离 模块、21-合闸脱扣触发板、22-辅助轴、23-合闸脱扣触发板延长部分、24-紧固螺丝、25- 新型合闸脱扣器、26-固定点、27-原合闸线圈、28-原合闸线圈电源线、29-原合闸撞杆、 30-备用合闸撞杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。

请参阅图1与图9，本发明实施例中，10kV真空断路器备用合闸线圈自动投入装置， 包括备用线圈自动投入回路1、原合闸回路3、控制电源与测控装置4，控制电源包括控制 电源负端6与控制电源正端5，备用线圈自动投入回路1是在原合闸回路3的基础上在原 合闸线圈27与控制电源负端6之间串联控制继电器A8；并在常闭辅助触点QF2与控制电 源负端6之间并联一个串联回路；该串联回路包括备用合闸线圈7与控制继电器B9，不改 变原合闸回路3。

原合闸回路3包括防跳继电器、手动合闸继电器与合闸保持继电器，在断路器合闸时， 启动合闸保持继电器HBJ，合闸保持继电器HBJ的常开保持触点自保持，使合闸回路一直 导通，直至断路器合上。断路器合闸后用断路器断弧能力较强的常闭辅助触点QF2断开合 闸回路，避免断弧能力较差的合闸继电器的常开触点SHJ或ZHJ提前返回而拉弧烧坏，并 能保证正常合闸及重合闸动作时可靠合上断路器。当分闸回路处于接通状态时，防跳继电 器TBJV1触点打开，使合闸回路一直处于断开状态，防止断路器的跳跃。

测控装置4包括霍尔传感器10、调理模块11、AD转换模块12、DSP芯片13。霍尔传 感器10实现对原合闸线圈27和备用合闸线圈7两端的电压、电流信号进行采集并按照一 定的变比转换为二次电流值。调理模块11对二次电流值再次转换为电压值并放大处理成 为值域在AD转换模块12输入范围内的值，AD转换模块12将输入模拟值转换为数字信号， DSP芯片13对AD转换模块12输出的数字信号进行采集并计算分析；输出控制继电器A8、 控制继电器B9的控制信号，最终实现备用线圈7自动投入功能。

请参阅图2-图3，霍尔传感器电压采样部分101选用2个HNV025A霍尔电压传感器分别采 集原合闸线圈27即HQ1、备用合闸线圈7即HQ2两端的电压，霍尔电压传感器适用于测量电 压10～500V，副边额定输出电流为25mA，采样得到的电流分别经调理模块11中的电阻R5、 电阻R7分压，该电压经过RC滤波电路输入至由AD620放大器芯片组成的放大电路，将电压 模拟值转换为-5V～+5V之间的模拟信号乘以霍尔电压传感器的变比即可得到原边的电压 值，该信号输出到AD转换模块12。

霍尔传感器电流采样部分102选用2个HNC03SY霍尔电流传感器分别采集流经HQ1、HQ2 的电流，采样得到的模拟值经调理电路模块11中的电阻R4、电阻R2分压后经过RC滤波电路 输入至由AD620放大器芯片组成的放大电路将电压模拟值转换为-5V～+5V之间的模拟信号 输入到AD转换模块12。

AD转换模块12采用采用美国AD公司的AD7656转换芯片作为A/D转换芯片，该芯片是一 种高速16位模数转换器，其采样速率为250kS/s，具有极低功耗的特点，输入范围为-5V～ +5V，可以满足本装置的需要。其中AD7656转换芯片将模拟信号转换为数字信号输出至DSP 芯片13中；

测控装置4中的DSP芯片13作为核心处理器是测实现测控功能的关键。选用 TMS320F2812作为DSP芯片13，具有如下特点：(1)高主频，即150MHz的主频；(2)低功 耗，1.8V和3.3V供电；(3)128K内部FLASH，18K内部SARAM，可外扩1M存储器，存储器是 统一编址的，其寻址空间达4M；(4)中断资源丰富，可支持45个外设级中断和3个外部中 断；提取中断向量和保存现场只需9个时钟周期，响应迅速。

DSP芯片13固化了整个系统控制部分的程序，它对采集到的电压V1、电压V2和电流11、 电流I2进行分析计算，并根据计算结果将输出IO口GPIOA0、GPIOA1置1或清零，即发出合 上或者断开控制继电器A8、控制继电器B9的命令。

由于DSP芯片13发出的开关命令信号不足以使得控制继电器A8、控制继电器B9动作， 需要增加光耦隔离模块14来增强开关命令信号的驱动能力以使得控制继电器A8、控制继电 器B9动作，并且实现强电与弱电的隔离，增强系统的抗干扰性能。光耦隔离模块14主要由 两块HCPL4504光电耦合器组成，根据DSP芯片13资料，输入端Up_1为高电平+5V时，其输出 端Uin电压为+15V；输入端Up_1低电平0V时，其输出端Uin电压为OV；HCPL4504光电耦合器 的输出直接加到控制继电器A8、控制继电器B9的输入端从而实现合上或者断开的命令。

控制继电器A8、控制继电器B9选用SSR固态继电器，型号为GJ-5FA-L，采用直流控直 流的控制方式，其负载电压为220VDC，控制电压为3-32VDC，负载电流为30A，满足辅助触 点开断时对灭弧能力的要求。

两个电压传感器分别采集HQ1、HQ2两端的电压，采集到的电压接到测控装置4的电 压传感器lH1、H2和L1、L2端子；两个电流传感器分别采集流经HQ1、HQ2的电流，采集 到的电流接到测控装置4的H7、H8和L7、L8端子。HQ1回路中的控制继电器A8输入端接 到H4、H6端子，控制继电器A8为常闭式控制继电器，而HQ2回路中的控制继电器B9输 入端接到L4、L6端子；S1、S2为测控装置4的电源正端和负端，控制继电器B9为常开式 控制继电器。

请参阅图4-图7，传统的合闸脱扣器由合闸脱扣触发板21和辅助轴22构成。原合闸线 圈27得电后使得原合闸撞杆29在磁场作用下撞击合闸脱扣触发板21，带动辅助轴22转动， 从而实现合闸过程。为了使得备用合闸线圈7的备用合闸撞杆30能够起到合闸的作用，在 原来合闸脱扣触发板21的基础上增加了一个合闸脱扣触发板延长部分23，其与合闸脱扣触 发板21经过紧固螺丝24连接在一起。因此，新型合闸脱扣器25由合闸脱扣触发板21、辅助 轴22、合闸脱扣触发板延长部分23和紧固螺丝24组成。

原合闸线圈27中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，原合闸撞杆29受到电磁力作用吸 合，撞击新型合闸脱扣器25，带动辅助轴22转动，完成合闸过程。此时备用合闸线圈7中 没有流过电流，因此备用合闸撞杆30不动作。

备用合闸线圈7中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，备用合闸撞杆30受到电磁力作 用吸合，撞击新型合闸脱扣器25的拐臂延长部分，带动辅助轴22转动，完成合闸过程。此 时原合闸线圈7中没有流过电流，因此原合闸撞杆30不动作。

在DSP芯片13上根据如上所述的内容设计了基于TMS320F2812芯片的控制算法，流程如 下：

首先，系统完成TMS320F2812芯片启动所需的初始化过程，步骤包括：

1)系统初始化：系统时钟设置，禁止并清除所有CPU中断，初始化向量表到默认状态， 初始化向量表。

2)GPIO模块初始化，初始化引脚GPIOA0/PWM1、GPIOA1/PWM2为通用的I/O口，方向为 输出。

3)系统使能定时器的下溢中断，用以启动AD采样和计算。

4)重新分配中断向量，使能PIE组2的中断6(T1UFINT)，使能CPU INT2(T1UFINT)。

5)使能全局中断和最高优先级实时调试事件管理器功能。

6)进入循环等待状态，等待中断。

7)中断发生，进入中断子程序进行处理：依次执行AD采样模块，电压检测模块，电 流检测模块，合闸回路故障判断模块。依次执行完上述模块后，刷新中断向量表，并恢复 到主程序中，重新进入循环等待状态，等待下一次中断的发生。

7.1)电压检测模块：DSP芯片13对采集到的V1与正常工作时HQ1两端电压U比较， 并得到其差值E＝U-V，如果表达式E/U×100％的值在-5％～+5％之间则认为有合闸命令发 出，进入电流检测模块；否则，跳出中断程序。

7.2)电流检测模块：判断采样得到的电流值I1，若I1小于线圈额定电流的10％，则 认为HQ1故障，将IO口GPIOA0、GPIOA1均置1，断开控制继电器A8并合上控制继电器 B9，HQ2投入。

7.3)合闸回路故障判断模块：设置index初值为0，若I1的值在线圈额定电流的-10 ％～+10％之间，则index+1。如果index的值大于512，则认为合闸线圈回路存在异常或 者故障，不能自行断开。为防止线圈长时间通电导致烧毁，将IO口GPIOA0置1，断开控 制继电器A8；类似地，如果12的值在线圈额定电流的-10％～+10％之间，将IO口GPIOA1 清零，断开控制继电器B9。

8)DSP程序在定时器的作用下不断的进入中断程序中进行处理，并最终保证合闸线圈 回路处于在控的安全工作状态。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用TMS320F2812芯片作为核心处理器，实现强大的数据实时处理能力， 采用更精确更快速的A/D采样芯片AD7656转换芯片，可以对合闸线圈工作电压和合闸时 的电流变化情况主进行实时采集和分析处理。

(2)本发明采用线性度高、转换速度快的霍尔传感器，二次输出为电流信号提高了 装置的抗干扰性能。

(3)本发明在原合闸线圈27基础上并联备用合闸线圈7，在原合闸线圈27烧毁后可 以实现备用合闸线圈7的自动切换功能，提高供电可靠性。

(4)本发明对原合闸脱扣器进行改造，增加合闸脱扣器的长度以保证备用合闸线圈7 的备用合闸撞杆30能够撞击到合闸脱扣触发板延长部分23，有效满足了备用合闸线圈7 完成合闸的功能。

(5)控制算法采用电压。电压值与电流值联合控制的结构，有效满足了原合闸线圈 27故障状态下备用合闸线圈7自动投入的需要，高速数据采集频率为数据进一步分析处理 提供了可能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从 哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含 一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将 说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可 以理解的其他实施方式。