基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法及装置

摘要

本发明提出了一种基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法及装置，包括：在操作箱出口处将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，生成电压采样信号；判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号；当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值；计算相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障。实现在运行状态下判断控制回路是否有电缆接触不良的功能，解决了难以确定是否因电缆接触不良导致断路器拒动的困难。

说明书

技术领域

本发明属于高压断路器故障分析领域，尤其涉及一种基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法及装置。

背景技术

高压断路器具备完善的灭弧结构和足够的断流能力，一方面可用于切断或接通高压电路中的空载电流及负荷电流，另一方面当电力系统发生故障时可利用断路器切断故障电流。通常将高压断路器的分闸线圈和合闸线圈接入具有一定逻辑功能的控制回路中，控制回路一般由正电源、保护装置、操作箱、开关端子箱、分/合闸线圈以及负电源通过电缆依次连接，实现控制高压断路器的分闸和合闸操作，当控制回路中的电缆接触不良或松动时，会增大控制回路的总阻抗，控制回路中分闸线圈或合闸线圈的功率不足以使其正常励磁，导致无法正常实现分闸或合闸功能，即高压断路器拒动，由此可见，控制回路的电缆接触情况对维持高压断路器正常工作具有重要意义。

然而，控制回路电缆接触不良或松动具有隐蔽性，且高压断路器在运行状态下由于控制回路带有正负直流电源，无法直接测量导通节点间的电阻值，在日常的故障检测中难以被发现，另外高压电工作业人员也难以在运行状态下真实还原高压断路器拒动时的电缆接线接触状况场景，无法确切得知高压断路器拒动的原因是否由于电缆线接触不良或松动导致，给控制回路的故障检测及分析带来困难。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法，包括：

在操作箱出口处将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，生成电压采样信号；

判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号；

当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值；

计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障。

可选的，所述在操作箱出口处将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，生成电压采样信号，包括：

通过霍尔电流传感器感应流过电缆的电流所产生的变化磁场；

根据变化磁场产生霍尔电动势，将霍尔电动势经放大后作为电压采样信号发送至单片机。

可选的，所述判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号，包括：

通过启动模块获取保护装置与操作箱之间电缆流过的电流值，当所述电流值超过预设阈值时，判定控制回路接通。

可选的，所述当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值，包括：

通过拨码开关设置控制回路两端的电压差；

基于预设间隔获取电压采样信号，当获取的电压采样信号的数量达到预设值时，计算电压采样信号的平均值；

结合电压采样信号的平均值以及霍尔电流传感器的输出电压采样信号与电流的对应关系，解算出流过电缆的电流；

将控制回路两端的电压差与电缆电流相除，得到控制回路阻抗的测量值。

可选的，所述计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障，包括：

计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，若相对误差超过预设阈值时，判断控制回路存在接触不良现象。

可选的，所述计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障，还包括：

比较相邻两次计算出的相对误差，若后一次相对误差比前一次相对误差大，且两个相对误差的差值与前一次相对误差的比例超过预设比例，判定控制回路中的电缆连接松动。

本发明还基于同样的思路提出了一种基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析装置，包括：

采集单元：用于在操作箱出口处将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，生成电压采样信号；

触发单元：用于判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号；

计算单元：用于当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值；

分析单元：用于计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障。

可选的，所述计算单元具体用于：

通过拨码开关设置控制回路两端的电压差；

基于预设间隔获取电压采样信号，当获取的电压采样信号的数量达到预设值时，计算电压采样信号的平均值；

结合电压采样信号的平均值以及霍尔电流传感器的输出电压采样信号与电流的对应关系，解算出电缆电流；

将控制回路两端的电压差与电缆电流相除，得到控制回路阻抗的测量值。

可选的，所述分析单元具体用于：

计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，若相对误差超过预设阈值时，判断控制回路存在接触不良现象。

可选的，所述分析单元还具体用于：

比较相邻两次计算出的相对误差，若后一次相对误差比前一次相对误差大，且两个相对误差的差值与前一次相对误差的比例超过预设比例，判定控制回路中的电缆连接松动。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本发明提出的故障分析方法采集控制回路中流过的电流，并根据采集到的电流间接计算出控制回路的阻抗，实现在运行状态下通过阻抗的大小判断控制回路是否有电缆连接情况的功能，同时利用相邻两次的判断结果进一步分析电缆接触不良的原因，从而能够及时发现电缆连接松动，解决了难以在运行状态下确定是否因电缆接触不良导致断路器拒动的困难，维护了高压断路器的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法的流程示意图；

图2为高压断路器控制回路的结构示意图；

图3为电流采样模块的电路结构示意图；

图4为本发明提出的基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法，包括：

S1：在操作箱出口处将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，生成电压采样信号；

S2：判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号；

S3：当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值；

S4：计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障。

通过本实施例提出的故障分析方法采集控制回路中流过的电流，并根据采集到的电流间接计算出控制回路的阻抗，实现在运行状态下通过阻抗的大小判断控制回路是否有电缆连接情况的功能，解决了难以在运行状态下确定是否因电缆接触不良导致断路器拒动的困难。

如图2所示，高压断路器控制回路中的正电源(+KM+HM)、保护装置、操作箱、开关端子箱、分闸线圈、合闸线圈、断路器辅助节点、负电源(-KM-HM)之间依次通过电缆相连，其中保护装置中包含合闸节点和分闸节点。正常情况下电缆接线接触点电阻较小，可近似等于0；如果电缆接线处接触不牢固，接触点电阻值为远大于0的数值。因此，可通过整个控制回路中导通节点间的电阻值大小分析控制回路中电缆的接触状况。由于运行状态下的控制回路因带有正负直流电源，无法直接测量导通节点间的电阻值，本实施例提出基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法，间接计算出控制回路中的电阻。

本实施例中通过图3所示的电路结构获取电缆电流，将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的型号为OPCT10AL。当电缆中有电流流通时将产生一个变化磁场，通过霍尔电流传感器感应流过电缆的电流所产生的变化磁场；根据变化磁场产生霍尔电动势，将霍尔电动势经放大后作为电压信号发送至单片机。

在本实施例中，霍尔电流传感器将霍尔电动势经芯片内部放大、滤波后按一定比例从输出电压信号，以电压信号反映流过电缆的电流值。所述霍尔电流传感器输出的电压信号与电流之间的线性关系为I＝(V-2.5)÷0.12，I为操作箱和开关端子箱之间流过电缆的电流，V为霍尔电流传感器输出的电压信号的值。采用霍尔电流传感器生成电压信号，具有精度高、线性度好、抗干扰能力强的优点。

霍尔电流传感器生成的电压信号需要通过外围放大电路调整到合适的量程，再经AD转换模块转换为数据信号，以使单片机能够对电压信号进行分析。因此，在图3所示的电路结构中，所述霍尔电流传感器的输入端连接操作箱和开关端子箱之间的电缆，以获取外部被采样电流，所述霍尔电流传感器的输出端经电阻R

在实际应用中，当运算放大器的输入两端电压差为零时，输出端仍然会有±(0.2～10)mV的失调电压，因此通常需要在调零电路进行校正，本实施例中所述调零电路为常规的电路设计，此处不再赘述。

在本实施例中，所述AD转换模块为16位单通道的模数转换芯片，所述模数转换芯片型号为AD7663，是一款单通道、低功耗、逐次逼近型模数转换器，具有分辨率高、采样速率高、功耗小的优点，经所述模数转换芯片转换后的其分辨率为0.0000763V，通过模数转换芯片将接收到的电压信号转换为数据信号后输入单片机。

相比于高压断路器的使用时长，其控制回路导通的时间占比极短，因此，本实施例判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号，包括：通过启动模块获取保护装置与操作箱之间电缆的电流值，当所述电流值超过预设阈值时，判定控制回路接通。仅当高压断路器的控制回路接通，即控制回路中流过电流时，启动模块发出触发信号启动单片机，从而保证单片机更多地处于休眠状态，延长其使用寿命。在本实施例中，所述启动模块与获取电缆电流的电路结构类似，采用型号为PH-T4I的线性电流传感器安装在图2所示的控制回路中的位置C处和位置D处，能够输出与检测到的电流等比例的电压模拟量，再经过差分比例运算放大器OP1177后接至单片机，当高压断路器控制回路中流过电流大于0.4A时，启动模块等比例线性输出一电压模拟量，经过运算放大器后，比较输出5V左右电压值，视为高电平，即触发信号；反之，表明控制回路未导通，视为低电平。

当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值，包括：

通过拨码开关设置控制回路两端的电压差，当拨码开关选择至“0”时，表示控制回路两端电压差V

基于预设间隔获取电压信号，当获取的电压采样信号的数量达到预设值时，计算电压采样信号的平均值，本实施例中单片机采集电压采样信号的预设间隔如表1所示；

表1

表1中所述的时刻表示采集过程中随时间推移的时刻点，单位为毫秒，将保护装置的分闸或合闸节点闭合，启动模块触发高电平信号后1ms的时刻作为第0时刻。考虑到分合闸回路是一种典型的RL一阶电路，在合闸时，通过分合闸回路的电流并不会突变至稳态值，而是遵循RL一阶电路的零状态响应规律，表现为：

式中，R为控制回路总电阻值，L为分合闸线圈电感值。

考虑到实际情况，若控制回路接触完好，控制回路总电阻值最小不小于分合闸线圈阻值，工程中一般不小于100Ω，工程中分合闸线圈电感值一般不大于10mH。因此，所述一阶回路的时间常数τ可按照0.1ms估算。通常，当t＝3τ时，即0.3ms时可以认为此时的电流已达到稳态值。考虑一定的裕度，电流采样从1ms时开始，从而确保后续对回路稳态时的总电阻的计算准确。

在本实施例中，根据AD转换模块的分辨率计算霍尔电流传感器输出的电压信号的模拟值为V

结合电压采样信号的平均值以及霍尔电流传感器的输出电压与电流的对应关系，解算出电缆电流，即根据上述霍尔电流传感器输出的电压采样信号与电流之间的线性关系计算电缆电路I＝(V

将控制回路两端的电压差与电缆电流相除，得到控制回路阻抗的测量值，即控制回路阻抗的测量值Z

在本实施例中，所述单片机的型号为Atmega16。

在本实施例中，计算测量值Zj与预设标准阻抗Zt的相对误差，即相对误差y＝|Zj-Zt|÷Zt，当相对误差超过预设阈值时，判断控制回路存在接触不良现象。在本实施例中，根据设备运维人员经验得到判断结果，y大于20％时，说明回路电阻偏大，存在导线接触不良现象。

所述预设标准阻抗是利用按键键盘触发输入方式，提前将高压断路器电气控制回路中分闸线圈与合闸线圈的阻抗值输入至Atmega16单片机，作为阻抗比较的参考。

在本实施例中，所述故障分析方法还包括：比较相邻两次计算出的相对误差，若后一次相对误差比前一次相对误差大，且两个相对误差的差值与前一次相对误差的比例超过预设比例，判定控制回路中的电缆连接松动，其它为正常情况，本实施例中所述预设比例为5％。利用相邻两次的判断结果进一步分析电缆接触不良的原因，从而能够及时发现电缆连接松动，使运维人员明确接触不良的数值分析结果。

除此之外，在实际工程中，通常将保护装置中的分闸或合闸节点闭合时间设置超过20ms，确保能够可靠完成控制功能，低于20ms时可能导致分闸(合闸)线圈励磁过程时间太短，从而引发控制功能失效的故障隐患，因此，如果在第12次，即断路器保护装置的分闸或合闸节点闭合后的第20ms，如果检测电流数值为0，则判断控制回路存在保护装置总分闸或合闸节点闭合时间较短的故障隐患。

本实施例通过单片机对电压采样信号进行分析，实现在控制回路运行状态下检测回路阻抗，并能够根据不同采集时刻的电压采样信号所携带的信息判别因接触不良导致故障的具体情况，有利于运维人员快速针对具体情况进行维护检修。

实施例二

如图4所示，本实施例提出了一种基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析装置5，包括：

采集单元51：用于在操作箱出口处将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，生成电压采样信号；

触发单元52：用于判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号；

计算单元53：用于当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值；

分析单元54：用于计算测量值与预设标准阻抗的相对误差，通过比较相对误差与预设阈值以及比较相邻两次采样的相对误差，判断控制回路是否存在接触不良以及电缆连接松动的故障。

通过本实施例提出的故障分析方法采集控制回路中流过的电流，并根据采集到的电流间接计算出控制回路的阻抗，实现在运行状态下通过阻抗的大小判断控制回路是否有电缆连接情况的功能，解决了难以在运行状态下确定是否因电缆接触不良导致断路器拒动的困难。

如图2所示，高压断路器控制回路中的正电源(+KM+HM)、保护装置、操作箱、开关端子箱、分闸线圈、合闸线圈、断路器辅助节点、负电源(-KM-HM)之间依次通过电缆相连，其中保护装置中包含合闸节点和分闸节点。正常情况下电缆接线接触点电阻较小，可近似等于0；如果电缆接线处接触不牢固，接触点电阻值为远大于0的数值。因此，可通过整个控制回路中导通节点间的电阻值大小分析控制回路中电缆的接触状况。由于运行状态下的控制回路因带有正负直流电源，无法直接测量导通节点间的电阻值，本实施例提出基于高压断路器控制回路阻抗的故障分析方法，间接计算出控制回路中的电阻。

所述采集单元51如图3所示，通过图3所示的电路结构获取电缆电流，将操作箱与高压断路器线圈之间的电缆穿过霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的型号为OPCT10AL。当电缆中有电流流通时将产生一个变化磁场，通过霍尔电流传感器感应流过电缆的电流所产生的变化磁场；根据变化磁场产生霍尔电动势，将霍尔电动势经放大后作为电压信号发送至单片机。

在本实施例中，霍尔电流传感器将霍尔电动势经芯片内部放大、滤波后按一定比例从输出电压信号，以电压信号反映流过电缆的电流值。所述霍尔电流传感器输出的电压信号与电流之间的线性关系为I＝(V-2.5)÷0.12，I为操作箱和开关端子箱之间流过电缆的电流，V为霍尔电流传感器输出的电压信号的值。采用霍尔电流传感器生成电压信号，具有精度高、线性度好、抗干扰能力强的优点。

霍尔电流传感器生成的电压信号需要通过外围放大电路调整到合适的量程，再经AD转换模块转换为数据信号，以使单片机能够对电压信号进行分析。因此，在图3所示的电路结构中，所述霍尔电流传感器的输入端连接操作箱和开关端子箱之间的电缆，以获取外部被采样电流，所述霍尔电流传感器的输出端经电阻R

在实际应用中，当运算放大器的输入两端电压差为零时，输出端仍然会有±(0.2～10)mV的失调电压，因此通常需要在调零电路进行校正，本实施例中所述调零电路为常规的电路设计，此处不再赘述。

在本实施例中，所述AD转换模块为16位单通道的模数转换芯片，所述模数转换芯片型号为AD7663，是一款单通道、低功耗、逐次逼近型模数转换器，具有分辨率高、采样速率高、功耗小的优点，经所述模数转换芯片转换后的其分辨率为0.0000763V，通过模数转换芯片将接收到的电压信号转换为数据信号后输入单片机。

相比于高压断路器的使用时长，其控制回路导通的时间占比极短，因此，本实施例判断控制回路是否接通，若接通则通过启动模块向单片机发送触发信号，包括：通过启动模块获取保护装置与操作箱之间电缆的电流值，当所述电流值超过预设阈值时，判定控制回路接通。仅当高压断路器的控制回路接通，即控制回路中流过电流时，启动模块发出触发信号启动单片机，从而保证单片机更多地处于休眠状态，延长其使用寿命。在本实施例中，所述启动模块与获取电缆电流的电路结构类似，采用型号为PH-T4I的线性电流传感器安装在图2所示的控制回路中的位置C处和位置D处，能够输出与检测到的电流等比例的电压模拟量，再经过差分比例运算放大器OP1177后接至单片机，当高压断路器控制回路中流过电流大于0.4A时，启动模块等比例线性输出一电压模拟量，经过运算放大器后，比较输出5V左右电压值，视为高电平，即触发信号；反之，表明控制回路未导通，视为低电平。

所述计算单元53具体用于：

当单片机接收到触发信号时，基于预设间隔获取电压采样信号，根据电压采样信号计算电缆电流，结合控制回路两端的电压差计算控制回路阻抗的测量值，包括：

通过拨码开关设置控制回路两端的电压差，当拨码开关选择至“0”时，表示控制回路两端电压差V

基于预设间隔获取电压信号，当获取的电压采样信号的数量达到预设值时，计算电压采样信号的平均值，本实施例中单片机采集电压采样信号的预设间隔如表2所示；

表2

表2中所述的时刻表示采集过程中随时间推移的时刻点，单位为毫秒，将保护装置的分闸或合闸节点闭合，启动模块触发高电平信号后1ms的时刻作为第0时刻。考虑到分合闸回路是一种典型的RL一阶电路，在合闸时，通过分合闸回路的电流并不会突变至稳态值，而是遵循RL一阶电路的零状态响应规律，表现为：

式中，R为控制回路总电阻值，L为分合闸线圈电感值。

考虑到实际情况，若控制回路接触完好，控制回路总电阻值最小不小于分合闸线圈阻值，工程中一般不小于100Ω，工程中分合闸线圈电感值一般不大于10mH。因此，所述一阶回路的时间常数τ可按照0.1ms估算。通常，当t＝3τ时，即0.3ms时可以认为此时的电流已达到稳态值。考虑一定的裕度，电流采样从1ms时开始，从而确保后续对回路稳态时的总电阻的计算准确。

在本实施例中，根据AD转换模块的分辨率计算霍尔电流传感器输出的电压信号的模拟值为V

结合电压采样信号的平均值以及霍尔电流传感器的输出电压与电流的对应关系，解算出电缆电流，即根据上述霍尔电流传感器输出的电压采样信号与电流之间的线性关系计算电缆电路I＝(V

将控制回路两端的电压差与电缆电流相除，得到控制回路阻抗的测量值，即控制回路阻抗的测量值Z

在本实施例中，所述单片机的型号为Atmega16。

所述分析单元54具体用于：计算测量值Zj与预设标准阻抗Zt的相对误差，即相对误差y＝|Zj-Zt|÷Zt，当相对误差超过预设阈值时，判断控制回路存在接触不良现象。在本实施例中，根据设备运维人员经验得到判断结果，y大于20％时，说明回路电阻偏大，存在导线接触不良现象。

所述预设标准阻抗是利用按键键盘触发输入方式，提前将高压断路器电气控制回路中分闸线圈与合闸线圈的阻抗值输入至Atmega16单片机，作为阻抗比较的参考。

在本实施例中，所述故障分析方法还包括：比较相邻两次计算出的相对误差，若后一次相对误差比前一次相对误差大，且两个相对误差的差值与前一次相对误差的比例超过预设比例，判定控制回路中的电缆连接松动，其它为正常情况，本实施例中所述预设比例为5％。利用相邻两次的判断结果进一步分析电缆接触不良的原因，从而能够及时发现电缆连接松动，使运维人员明确接触不良的数值分析结果。

除此之外，在实际工程中，通常将保护装置中的分闸或合闸节点闭合时间设置超过20ms，确保能够可靠完成控制功能，低于20ms时可能导致分闸(合闸)线圈励磁过程时间太短，从而引发控制功能失效的故障隐患，因此，如果在第12次，即断路器保护装置的分闸或合闸节点闭合后的第20ms，如果检测电流数值为0，则判断控制回路存在保护装置总分闸或合闸节点闭合时间较短的故障隐患。

本实施例通过单片机对电压采样信号进行分析，实现在控制回路运行状态下检测回路阻抗，并能够根据不同采集时刻的电压采样信号所携带的信息判别因接触不良导致故障的具体情况，有利于运维人员快速针对具体情况进行维护检修。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。