CN111596206A - 一种f-c开关分、合闸性能在线评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种F‑C开关分、合闸性能在线评估方法，首先利用光电耦合器将强电压直流脉冲信号隔离变换成可被识别的高精度信号，以毫秒级采样精度的STM32单片机实时采集每一次分、合闸指令脉冲信号到来的绝对时间和持续时间，并记录开关位置反馈信号到来的绝对时间，经软件实时计算合、分闸过程中常开常闭接点转换时间差，与整定值进行比较,动态监视分、合闸时间变化趋势，及时发现开关各部件轻微劣化迹象，实现开关分合闸性能的在线评估，及时发出预警信号，并在手动分、合闸异常时，自动采取技术措施降低影响范围，避免产生综保装置跳、合继电器触点烧毁、分合闸线圈烧毁等严重后果。

Description

一种F-C开关分、合闸性能在线评估方法
技术领域
本发明F-C开关分、合闸性能在线评估装置属于电气自动化技术领域，特别适用于大量采用真空接触器+高压熔断器(简称：F-C)且需要频繁分、合闸操作的场合，比如电厂、石化、煤炭等行业的厂用6kV或10kV中压电动机、电容器的投切等领域。
背景技术
F-C成套组合开关由于频繁进行分、合闸操作，会有较大概率发生分、合闸失败或延时，常见的故障原因不仅有分合闸线圈断线、综保装置出口继电器故障、控制回路断线、辅助触点接触不良等电气回路方面的因素，还有传动机构连杆松动、轴销脱落、辅助触点及行程开关超行程、合闸铁芯卡涩等操动机构方面的因素。目前F-C开关配置的综保装置在电气短路故障情况下，可依靠保护出口动作持续时间直接分闸，而正常远程手动分、合闸时，因开关性能的个体差异，无法准确估计每一次分合闸所需的准确时间，一般做法是将一次指令脉冲设置为3秒左右，然后依赖主开关辅助触点的开断来实现分、合闸过程，这样的配置不够完善，失去了分合闸过程的监控，一旦发生因操动机构异常导致辅助触点未及时断开，将会发生综保装置跳、合继电器触点烧毁、分合闸线圈烧毁、直流空开跳闸等严重后果。而现场运行经验表明，操动机构的劣化一般是缓慢进行的，需要一种监视技术或装置进行评估，可整体反映电气回路、操动机构方面的异常，即使轻微的变化也能发出信号，当在手动分、合闸异常时，能自动采取技术措施降低影响范围，在电气系统发生故障时，通过保护动作开入闭锁开出继电器，确保分闸可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种F-C开关分、合闸性能在线评估方法,不仅避免了因电气回路、操动机构及辅助部件故障导致的严重后果，还可以动态监视分、合闸时间变化趋势，及时发现开关各部件轻微劣化迹象，实现开关分合闸性能的在线评估，及时发出预警信号，并在手动分、合闸异常时，自动采取技术措施降低影响范围。
本发明一种F-C开关分、合闸性能在线评估装置，其特征是包括五大部分：第一部分包括由STM32平台组成的控制系统；第二部分包括由光耦、开入、开出电路组成的功能模块；第三部分包括由输入键盘和LCD液晶组成的人机交互模块；第四部分包括电源模块；第五部分包括时钟电路模块；
控制系统使用STM32 F103VFT6作为CPU，获取开入量有效信息，通过分析和计算，输出控制信息到开出电路；控制系统另外采用一片W25Q64FVSFI作为FLASH扩展芯片用于存储参数和事件信息；
开出电路经TLP127光耦隔离，转为24VDC信号，驱动24V继电器，输出3个告警信号和2个分、合闸相关控制信号；
开入电路通过SFH-618光耦进行光电隔离变为弱电信号传给CPU进行5个开入量采集，记录启动分、合闸开入的时刻以及断路器动作后辅助接点变位的时刻；这5个开入量分别是：启动合闸、启动分闸、合闸位置反馈、分闸位置反馈、保护闭锁信号，其中启动合闸、启动分闸指令为外部电源提供的直流110V，其余为空接点；
人机交互模块由六个按键以及一块LCD液晶屏组成，方便整定参数及查询断路器动作时间，另外还设有电源、运行、告警三个指示灯；
时钟电路模块采用三线接口与CPU进行同步通信，为CPU提供精确的时间数据流，除常规工作电源外，还增加了一个纽扣电池作为后备电源，在装置掉电的情况下，可以保存时间信息长达一年；
电源模块为控制系统提供所需电源。
本发明一种F-C开关分、合闸性能在线评估方法，利用电气脉冲量时间差在线评估开关分、合闸性能，具体包括以下步骤：
首先利用光电耦合器将强电压直流脉冲信号隔离变换成可被识别的高精度信号，以毫秒级采样精度的STM32单片机实时采集每一次分、合闸指令脉冲信号到来的绝对时间和持续时间，并记录开关位置反馈信号到来的绝对时间，经软件实时计算合、分闸过程中常开常闭接点转换时间差，与整定值Tset1进行比较，若超过则发开出信号OUT1，提示辅助触点转换机构异常；
实时计算一次完整分闸过程持续时间，与整定值Tset2进行比较，若超过则发开出信号OUT2，提示分闸回路或操动机构异常；
实时计算一次完整合闸过程持续时间，与整定值Tset3进行比较，若超过则发开出信号OUT3，提示合闸回路或操动机构异常；
实时监测分、合闸指令开入持续时间，当持续时间大于整定值Thzcx.set或Tfzcx.set，且未收到S1变位或S2变位时，则认为开关分、合闸超时，将会发出跳闸信号Kout1、Kout2，驱动相应的直流永磁继电器，使得其串入分、合闸回路有足够开断容量的常闭触点，直接断开分合闸回路电流，避免产生综保装置跳、合继电器触点烧毁、分合闸线圈烧毁等严重后果；
同时提供友好的人机接口，可根据每一台开关实测的分合闸时间进行定值整定，真正实现了精准在线评估。
本发明的特点是:
(1)光电耦合器将电气脉冲信号隔离变换成可被识别的高精度开入信号并经光耦隔离驱动24V继电器开出干接点
(2)实时高精度、快速采集、计算辅助触点转换、分合闸全过程时间差，两种判据实现越限自动报警
(3)采用三线接口与CPU进行同步通信，为CPU提供精确的时间数据流，纽扣电池作为后备电源
(4)可根据开关个体差异，自动调整参数，监视分、合闸时间变化趋势，及时发现电气及机构等各部件的轻微劣化迹象
(5)报警的同时可自动采取驱动永磁直流继电器的方式降低影响范围。
(6)在电气系统发生故障时，通过保护动作开入闭锁开出继电器，确保分闸可靠
附图说明
图1是总体原理示意图。
图2是装置外形示意图。
图3是开入回路原理图。
图4是按键及液晶原理图。
图5是晶振原理图。
图6是中央处理器CPU及扩展FLASH芯片接线图。
图7是上电复位及JTAG程序烧写接口图。
图8是时钟电路原理图。
图9是电源回路原理图。
图10是开出回路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容进行详细说明。
1、总体结构
如图1所示，本发明一种F-C开关分、合闸性能在线评估装置，其特征是包括五大部分：第一部分包括由STM32平台组成的控制系统；第二部分包括由光耦、开入、开出电路组成的功能模块；第三部分包括由输入键盘和LCD液晶组成的人机交互模块；第四部分包括电源模块；第五部分包括时钟电路模块；
控制系统使用STM32 F103VFT6作为CPU，获取开入量有效信息，通过分析和计算，输出控制信息到开出电路；控制系统另外采用一片W25Q64FVSFI作为FLASH扩展芯片用于存储参数和事件信息；
开出电路经TLP127光耦隔离，转为24VDC信号，驱动24V继电器，输出3个告警信号和2个分、合闸相关控制信号；
开入电路通过SFH-618光耦进行光电隔离变为弱电信号传给CPU进行5个开入量采集，记录启动分、合闸开入的时刻以及断路器动作后辅助接点变位的时刻；这5个开入量分别是：启动合闸、启动分闸、合闸位置反馈、分闸位置反馈、保护闭锁信号，其中启动合闸、启动分闸指令为外部电源提供的直流110V，其余为空接点；
人机交互模块由六个按键以及一块LCD液晶屏组成，方便整定参数及查询断路器动作时间，另外还设有电源、运行、告警三个指示灯；
时钟电路模块采用三线接口与CPU进行同步通信，为CPU提供精确的时间数据流，除常规工作电源外，还增加了一个纽扣电池作为后备电源，在装置掉电的情况下，可以保存时间信息长达一年；
电源模块为控制系统提供所需电源。
1.1控制系统使用STM32F103VFT6作为CPU，该CPU具有主频高、速度快、外设丰富，功耗低等特点，另外采用一片W25Q64FVSFI作为FLASH扩展芯片用于存储参数和事件等信息。CPU的主要功能是通过获取开入量等有效信息，通过分析和计算，输出控制信息到开出板。如图6所示。
1.2功能模块是指开入开出电路。开入回路由直流110V强电输入直流信号经光耦隔离采集，主要记录启动合/分闸开入的时刻以及断路器动作后辅助接点变位的时刻,开出回路经光耦隔离驱动24V继电器，输出异常告警信号及合分闸相关控制信号。
1.3人机交互由6个按键以及一块160*160的液晶屏组成，方便整定参数及查询断路器动作时间。另外还有三个指示灯，分别为电源(绿色)、运行(绿色)、告警(红色)，如图4所示。
2、主要功能模块原理
如图3所示，开入电路对外接口为8P的凤凰端子，装置一共需要采集5个开入量，分别为启动合闸、启动分闸、合闸位置反馈、分闸位置反馈、保护闭锁信号，其中启动合闸、分闸指令为外部电源提供的直流110V，其余为空接点，使用内部电源提供的直流110V接入开入回路，通过SFH-618光耦进行光电隔离变为弱电信号传给CPU进行开入量采集。
如图10所示，开出电路对外接口为12P凤凰端子，CPU发出的控制信号通过TLP127光耦，转为24VDC信号，驱动继电器动作，共开出3个告警和2个分、合闸控制空接点，用于发信或控制。
如图8所示，实时时钟电路模块，可以对年、月、日、周、时、分、秒、毫秒进行计时，采用三线接口与CPU进行同步通信，为CPU提供精确的时间数据流，除常规工作电源外，还增加了一个纽扣电池作为后备电源，在装置掉电的情况下，可以保存时间信息长达1年。
3、主要判别逻辑
3.1、CPU实时采集K1t-s，K1t-e，S1t-s，S1t-e，K2t-s，K2t-e，S2t-s，S2t-e共8个开入的变位绝对时间，并实时计算、记录△K1t，△S1t，△K2t，△S2t，△Tf，△Ths1-s2，△Tfs1-s2，△Th等重要脉冲信号持续的时间，各符号含义见表1。
3.2、将实时扫描计算的△Ths1-s2(合闸时辅助接点转换时间差)或△Tfs1-s2(分闸时辅助接点转换时间差)与定值Tset1比较，若大于Tset1，发开出信号OUT1(转换时间异常告警)，提示辅助触点转换机构异常。
3.3、将实时扫描计算的△Tf与定值Tset2比较，若△Tf大于>Tset2,发开出信号OUT2(分闸时间异常告警)，提示分闸回路或机械机构异常。
3.4、将实时扫描计算的△Th与定值Tset3比较，若△Th大于>Tset2,发开出信号OUT3(合闸时间异常告警)，提示合闸回路或机械机构异常。
3.5、光耦开入K1(表示开关合闸脉冲)，以常开变为闭合记录的绝对时间K1t-s为起点，实时监测该开入持续时间△Thzcx(合闸持续时间)，当△Thzcx大于整定值Thzcx.set(合闸持续时间整定值)，且未收到S1变位或S2变位时，则认为开关合闸超时，为防止合闸线圈烧毁，将会发出跳闸信号Kout1,驱动直流永磁继电器，使得其串入合闸回路有足够开断容量的常闭触点，直接断开合闸回路电流。
3.6、光耦开入K2(表示开关合闸脉冲)，以常开变为闭合记录的绝对时间K2t-s为起点，实时监测该开入持续时间△Tfzcx(分闸持续时间)，当△Tfzcx大于整定值Tfzcx.set(分闸持续时间整定值)，且未收到S1变位或S2变位时，则认为开关分闸超时，为防止分闸线圈烧毁，将会发出跳闸信号Kout2,驱动直流永磁继电器，使得其串入分闸回路有足够开断容量的常闭触点，直接断开分闸回路电流。
3.7、以澳大利亚通用电气公司的VCR193真空接触器的实测参数为依据，建议取值△Th＝80ms，△Tf＝70ms，△Ths1-s2及△Tfs1-s2＝20ms，可识别轻微的异常，及时发现电气回路或机械机构方面的劣化趋势，建议△Thzcx(合闸持续时间)，△Tfzcx(分闸持续时间)取值范围250ms-300ms。
3.8、通过3.2、3.3、3.4可整体反映电气回路、操动机构方面的异常，及时发现轻微的劣化趋势，并发给提醒信号，实现在线评估；通过3.5、3.6可在发生开关拒动的情况下，自动采取技术措施降低影响范围，避免综保装置跳、合继电器触点烧毁、分合闸线圈烧毁、直流空开跳闸等严重后果，并以VCR193真空接触器实测参数，给出经验值。
3.9、为防止电气系统短路故障时开关拒动，权衡利弊，增加了保护动作闭锁信号BS1，当综合保护动作时，只发信，不再强制断开分闸回路。
4、装置以及辅助回路
4.1、装置使用铝材外壳，长宽高分别为120mm、100mm、50mm，液晶显示查看最近10次合闸和10次分闸的动作时间，超过10次后自动覆盖最早的记录。采用导轨安装方式。如图2所示。
4.2、装置一共有两个对外接口，分别为JK1和JK2。其中JK1为开入接口，JK2为电源接口及开出接口，接口定义如下表2、表3。
4.3、采用永磁式直流接触器大容量常闭触点(型号CJ20JZ)串联接入F-C开关分、合闸动力回路，替代传统的开关辅助触点断开分、合闸动力回路，可实现自动降低故障影响范围，当电气保护动作时，闭锁出口，确保可靠分闸。
表1：各符号代表含义
Figure BDA0002530628340000101
表2：JK1端子定义：
端子号 名称 定义
JK1-1 K1 启动合闸开入
JK1-2 K2 启动分闸开入
JK1-3 DC1- 启动合闸、分闸公共端
JK1-4 S1 合闸位置反馈
JK1-5 S2 分闸位置反馈
JK1-6 BS 保护跳闸闭锁
JK1-7 \ 备用
JK1-8 DC- 合、分闸位置反馈公共端
表3 JK2端子定义：
Figure BDA0002530628340000111
以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种F-C开关分、合闸性能在线评估方法，其特征是利用电气脉冲量时间差在线评估开关分、合闸性能，具体包括以下步骤：
首先利用光耦将强电压直流脉冲信号隔离变换成可被识别的高精度信号，以毫秒级采样精度的STM32单片机实时采集每一次分、合闸指令脉冲信号到来的绝对时间和持续时间，并记录开关位置反馈信号到来的绝对时间，经软件实时计算分、合闸过程中常开常闭接点转换时间差，与整定值Tset1进行比较，若超过则发开出信号OUT1，提示辅助触点转换机构异常；
实时计算一次完整分闸过程持续时间，与整定值Tset2进行比较，若超过则发开出信号OUT2，提示分闸回路或操动机构异常；
实时计算一次完整合闸过程持续时间，与整定值Tset3进行比较，若超过则发开出信号OUT3，提示合闸回路或操动机构异常；
实时监测分、合闸指令开入持续时间，当持续时间大于整定值Thzcx.set或Tfzcx.set，且未收到S1变位或S2变位时，则认为开关分、合闸超时，将会发出跳闸信号Kout1、Kout2，驱动相应的直流永磁继电器，使得其串入分、合闸回路有足够开断容量的常闭触点，直接断开分合闸回路电流，避免产生综保装置跳、合继电器触点烧毁、分合闸线圈烧毁等严重后果；
同时提供友好的人机接口，可根据每一个开关实测的分、合闸时间进行定值整定，真正实现了精准在线评估；
其中Tset1表示辅助接点常开、常闭转换时间差整定值，可多次实测取最大值；
Tset2表示开关正常分闸时间整定值，可多次实测取最大值；Tset3表示开关正常合闸时间整定值，可多次实测取最大值；
Thzcx.set表示合闸持续时间整定值；
Tfzcx.set表示分闸持续时间整定值；
OUT1表示辅助接点转换时间异常告警；
OUT2表示分闸时间异常告警；
OUT3表示合闸时间异常告警；
S1表示合闸位置反馈；
S2表示分闸位置反馈；
Kout1表示跳合闸回路；
Kout2表示跳分闸回路。
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