低压直流断路器脱扣器脱扣效果检测装置设计_侯磊.pdf

低压直流断路器脱扣器脱扣效果检测装置设计侯磊1，常征2，蔡毅3，庞凝4，王伊晓5，杨鑫1(1 国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司，河北 保定 071800;2 国网河北省电力有限公司，石家庄 050000;3 黑龙江省电工仪器仪表工程技术研究中心有限公司，哈尔滨 150016;4 国网河北经济技术研究院，石家庄 050000;5 上海电力设计院有限公司，上海 200000)摘要:文章从应用技术成熟的电磁脱扣器脱扣电磁转换原理出发，利用 SS495A 线性霍尔效应传感器的优点，设计了一种低压直流断路器的电磁脱扣器脱扣效果检测装置，并提出具体检测方法。通过模拟型霍尔传感器单元采集低压直流断路器脱扣器脱扣线圈电磁吸力，将输出的电压模拟信号通过运算放大电路传至信号检测处理单元，经放大电路处理后的模拟信号进入微处理器对检测结果进行判断，得出脱扣器动作正确与否。本装置的设计可以无需拆卸断路器装置随时对脱扣器进行检测，既保证了供电可靠性又较大提升了检测效率。关键词:低压直流断路器;电磁脱扣器;霍尔效应传感器;脱扣检测DOI:10 19753/j issn1001-1390 2023 04 023中图分类号:TM28文献标识码:A文章编号:1001-1390(2023)04-0155-05Design of tripping result detection device for release of lowvoltage DC circuit breakerHou Lei1，Chang Zheng2，Cai Yi3，Pang Ning4，Wang Yixiao5，Yang Xin1(1 State Grid Hebei Electric Power Co，Ltd，Xiongan New Area Power Supply Company，Baoding 071800，Hebei，China 2 State Grid Hebei Electric Power Co，Ltd，Shijiazhuang 050000，China3 Heilongjiang Electric Instrument Engineering Technology esearch Center Co，Ltd，Harbin 150016，China4 State Grid Hebei Institute of Economics and Technology，Shijiazhuang 050000，China5 Shanghai Electric Power Design Institute Co，Ltd，Shanghai 200000，China)Abstract:Starting from the principle of tripping electromagnetic conversion of electromagnetic trippers with mature appli-cation technology on the market，this paper designs a kind of electromagnetic tripping result detection device for low-volt-age DC circuit breaker by using the advantages of SS495A linear Hall effect sensor，and proposes specific detection meth-ods Through the analog Hall sensor unit to collect the electromagnetic suction of the low-voltage DC circuit breaker trip-per，the output voltage analog signal is transmitted to the signal detection processing unit through the operation amplifica-tion circuit and the analog signal processed by the amplification circuit enters the microprocessor to judge the detection re-sults，and the tripper operation is obtained whether the tripper is correct or not The design of this device can solve theproblem of detecting the tripper at any time without disassembling the circuit breaker device，which not only ensures thereliability of power supply but also greatly improves the detection efficiencyKeywords:low voltage DC circuit breaker，electromagnetic release，Hall effect sensor，tripping result detection基金项目:国网河北省电力有限公司科技项目(5204XQ20008T)0引言随着新能源特别是分布式能源的蓬勃发展，为提升用电效能，较少损耗，特别是在工业园区中，直流发电、用电设备及直流电网迅速发展。大多数分布式电源和电力用户终端负载是直流的，连接到直流微网可以减少能量转换次数，减少损耗和故障。直流系统因具有功率调配灵活、系统效率高、供电容量大、线路损耗小、电能质量高等优点，在高压输电、中低压配用电、551第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023新能源接入、船舰及轨道交通领域中的应用越来越广泛1-2。而直流系统的主接线结构复杂、运行方式多样，进而导致其故障方式多、故障发展快、影响范围广。因此，迫切需要研究直流系统的故障隔离与保护技术，以保障直流系统的安全可靠运行。直流断路器作为直流系统最为理想的故障隔离方式，已成为相关领域的研究热点。低压直流断路器在航天、船舶、轨道交通及建筑领域中对照明灯具、电子与通信设备、变频风机水泵等设备中控制直流电路的分断闭合3-4。通过自身的分断闭合在正常工况下控制电能的分配，在线路或电动机发生过载、短路或欠压等故障时切断电路对供电电路予以保护，低压直流断路器的状态优劣直接决定了供电可靠性和安全性5-6。为了保证低压直流断路器能够按照需要正确动作，需要对其定期进行校验。断路器通常由脱扣器、脱扣机构、触头系统和灭弧室等几部分组成7-8。其中脱扣器的可靠动作对断路器的开断起到关键作用9。目前通常采用人工方法来对脱扣器动作可靠性进行检测并对接触器的异常进行排查。例如采用人工查看线路端子是否松动、车辆微机输出信号是否异常。此种检测方式步骤繁多、耗费工时长且效率低下10-11。另一种方式为通过模拟断路器在实际使用中的环境在实验室中搭建电路进行模拟，通常采取将断路器与主电路断开直接给脱扣器输入二次电流的方法以检测12-14。此种检测方法需对设备进行拆卸，盲目性大、费用高、解体拆装过程易对断路器造成损害，并降低了利用率和可靠性，且通断控制回路是分立元件搭建的电路，体积重量大15-17。因此在低压直流配电线路运行过程中，需要一种无需拆卸断路器的脱扣器通断状态检测的方法和装置，以实现低压直流断路器的在线状态诊断。文中设计了一种低压直流断路器电磁脱扣器的脱扣效果检测装置并提出具体检测方法，首次采用模拟型霍尔传感器直接获取断路器开合闸动作时的磁场强度计算出脱扣线圈的电磁吸力，从而判断低压直流断路器脱扣器脱扣线圈电磁吸力是否达到脱扣条件，并检测低压直流断路器是否完成了控制电流通断的功能的问题，及时通知运检人员检测结果。1低压直流断路器电磁脱扣器的脱扣效果检测装置设计1 1 断路器电磁脱扣器动作特性断路器的电磁脱扣器是基于电磁原理并依靠一次供电电路电流串联励磁的电磁铁。当电路处于正常工作状态时，流过电磁线圈的电流产生的电磁力小于反力弹簧的反力则脱扣器动铁芯不动作。当线路中流经的故障电流达到整定值时，流过线圈的电流所产生的迅速增加。在磁场的作用下并电磁力远大于弹簧反力，电磁铁中的动铁芯朝着气隙减小的方向运动，并带动脱扣杆旋转，带动脱扣装置使机构分闸。脱扣器的工作状态直接决定了断路器的保护特性。脱扣器结构构成示意图如图 1 所示。图 1电磁脱扣器结构构成示意图Fig 1Structure diagram of electromagnetic release电磁脱扣器的线圈中通过电流时产生磁动势 IN，磁动势通过磁轭、动铁芯、静铁芯及气隙形成了磁回路，动铁芯与静铁芯间产生电磁吸力，当电磁吸力大于反力弹簧的反力时铁芯吸合，电磁脱扣器动作。根据电磁系统的能量平衡关系，电磁吸力与工作气隙的磁压降的呈式(1)关系18-19:F=12U2dGd(1)式中 U为工作气隙的磁压降;G为工作气隙磁导;为气隙。1 2 脱扣效果检测装置设计方案低压直流断路器的电磁脱扣器脱扣效果检测装置，包括模拟型霍尔传感器单元、信号检测处理单元、线路通断状态指示单元和 4G 通信单元。具体的连接设计如下:模拟型霍尔传感器单元输出端与信号检测处理单元的运算放大电路连接;运算放大电路的输出端与微处理器单元的 A/D 转换接口连接;微处理器单元的 UAT 接口与 4G 通信单元双向连接，微处理器单元的 I2C 接口与线路通断状态指示单元连接;线路通断状态指示单元中限流电阻的一端和线路通断状态指示灯的一端连接，线路通断状态指示灯和限流电阻的另一端分别和电源连接;感光器件的输出端与微处理器单元的 I2C 接口连接。具体设计方案见图 2。模拟型霍尔传感器单元用于采集低压直流断路器651第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023脱扣器脱扣线圈电磁吸力形成信号;信号检测处理单元包括运算放大电路和微处理器单元，运算放大电路用于将信号进行放大处理;微处理器单元包括 A/D 转换接口、I2C 接口和 UAT 接口，用于完成对 A/D 转换后的数据进行运算处理，对信号进行处理和逻辑判断;4G 通信单元用于信息传输;线路通断状态指示单元包括感光器件、线路通断状态指示灯和限流电阻，线路通断状态指示灯的光线传递给感光器件，用于指示线路的通断状态。其中限流电阻用于限制所在支路电流的大小，以防电流过大烧坏所串联的元器件;感光器件用于检测光照，将检测结果输出给微处理器单元。线路通断状态指示灯用于对感光器件提供光源。检测装置设计连接图如图 2 所示。图 2电磁脱扣器脱扣效果检测装置结构框图Fig 2Structure block diagram of tripping result detectiondevice of electromagnetic release2低压直流断路器电磁脱扣器脱扣效果检测方法根据上述脱扣效果检测装置设计方案提出适用于本设计的元件选用如下:型号为 SS495 型的模拟型霍尔传感器，型号为 LM358 所述运算放大器，型号为STM32F103BT6 微处理器单元，型号为 BH1750 的感光器件。2 1 SS495A 线性霍尔效应传感器优势特点SS495A 小型线性霍传感器具有成比例输出电压，该电压由电源电压设定，根据磁场强度的大小而成比例地变化。SS495A 线性霍尔效应传感器具有尺寸小、功耗低、电流源线性输出的特点。霍尔效应集成电路芯片可提供更加优异的温度稳定性和灵敏度。芯片上的薄膜电阻经过激光修正，可实现高精确度和温度补偿，以减少在温度范围内的零位和增益漂移。Quad Hall 传感元件可将机械应力和热应力对输出的影响降至最低。灵敏度的正温度系数有助于补偿经济型磁体造成的负温度系数，从而在较宽的温度范围内实现坚固可靠的设计 20-21。2 2 低压直流断路器脱扣器脱扣效果检测方法根据设计的方案提出装置的脱扣效果检测方法，具体检测方法如下:通过模拟型霍尔传感器单元采集低压直流断路器脱扣器脱扣线圈电磁吸力，将输出的电压模拟信号通过运算放大电路，进行放大处理，经放大电路处理后的模拟信号进入微处理器。对检测结果的参数进行比较，判断其是否正常。当线路中出现能够触发脱扣器动作的电流时，脱扣器动作推动断路器动作断开输电线路，导致线路通断状态指示灯灭，感光器件检测不到光照，输出检测结果给微处理器单元，微处理器单元用此信号判断断路器是否断开。在对检测结果的参数进行比较，判断其是否正常的实施过程如下:(1)通过微处理器单元的 A/D 转换接口得出电压的 Uad值，根据得到输出电压值为:Uout=aUad2n 1(2)式中 a 为根据 AD 转换器基准电压和十进制和二进制之间关系计算得到的系数，n 为 n 位 AD 转换器;根据 Uout计算磁感应强度数值 B 为:B=Uout 25003 3(3)根据磁感应强度数值 B，计算电磁吸力 F，即:F=B22u0A(4)式中 0为空气磁导率，0=1 25 106(H/m);A是磁极面积(m2);(2)将所得的电压值、磁感强度数值 B 和电磁吸力F 数据与设定的初始值进行比较，判断是否发生异常。该装置的设计无需拆卸断路器装置，即可通过模拟型霍尔传感器直接获取断路器开合闸动作时的磁场强度，并计算出脱扣线圈的电磁吸力，从而实现用霍尔传感器检测低压直流断路器脱扣器脱扣线圈电磁吸力是否达到脱扣条件，并检测低压直流断路器是否完成了控制电流通断的功能。线路中出现能够触发脱扣器动751第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023作的电流时，由于脱扣器动作推动断路器动作断开输电线路，指示灯灭。由于感光器件通过 I2C 接口与微处理器单元连接，当脱扣器推动断路器断开线路供电时，感光器件检测不到光照，输出检测结果给微处理器单元以此判断断路器是否断开，并将检测结果的数据信息发送到运检人员手机 APP 上，也可通过短信等方式及时通知运检人员。检测流程图如图 3 所示。图 3电磁脱扣器脱扣效果检测方法的流程图Fig 3Flow chart of detection method for trippingeffect of electromagnetic release3低压直流断路器电磁脱扣器脱扣效果检测装置实验验证3 1 原理验证实验搭建实验电路，在主回路中串联接入电流表，电流表读数 I，电流在线圈中建立磁场，磁场由霍尔元件测量，经过在微处理器的处理，在输出模块读取到 Uout，由式(3)求得当前磁感应强度 B。多次改变主回路中的电流值，得到相应的磁感应强度，实验结果如图 4 所示。从图 4 中可以看出，B 和I 具有良好的线性关系。图 4磁场与电流关系图Fig 4Magnetic field and current relationship延用上文实验装置，在实测装置的反力弹簧处用测力计替代，测量主回路 I 取不同值时测力计测得的电磁力 F。由于通过理论分析，该力应与 B 的平方成正比，所以 F 与 I2关系如图 5 所示。从图 5 中可以看出，F 和 I 具有稳定的函数关系，F 与 I 的平方成正比。图 5电磁力与电流平方关系图Fig 5Electromagnetic force and current squared diagram以上两个实验验证了文章检测装置所使用的物理原理，即断路器主回路电流、线圈磁感应强度、弹簧反力之间有明确稳定的函数关系，因此可以通过处理器的算法模拟这个过程。3 2 整定实验选用多个不同型号的直流断路器，已知其额定开断电流。逐渐增大主回路中的电流，直到断路器分闸动作，记录此时的电流表示数 Ig和微处理器输出电压Uout，将多次实验的结果标注在同一图内，如图 6 所示。图 6处理器输出电压与主回路电流关系图Fig 6elationship graph between processor outputvoltage and main loop current图 6 显示 Uout与 Ig之间具有正比例关系，该特性已被上文理论与实验验证，实验通过回归分析得到直线斜率 Z=Uout/Iq=4 0(r2=0 99)，即为本装置的传递系数。3 3 检测装置检测效果验证选用多个不同型号的直流断路器，已知其额定开断电流。计算其额定比较电压 Uout=Ig Z，在微处理器中设定电压超过 Uout即分闸。多次实验，比较检测装置显示分闸与否的情况与断路器实际情况是否一致。实验结果如表 1 所示。4结束语文中基于断路器电磁脱扣器的电磁转换及脱扣动作原理，利用 SS495A 线性霍尔效应传感器的优点，通过模拟型霍尔传感器单元、信号检测处理单元、线路通断状态指示单元和 4G 通信单元的连接，设计一种低压直流断路器的电磁脱扣器脱扣效果检测装置，并提出具体检测方法。该设计通过模拟型霍尔传感器直接851第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023表 1可靠性检测装置实验表Tab 1Test table of reliability testing device型号测试电流/A测试次数是否脱扣检测装置是否发信判断正确次数DZ47SZ2C1070100是是100DZ47SZ2C1085100是是100DZ47SZ2C1095100是是100DZ47SZ2C105100否否100DZ47SZ2C108100否否100C65N DC-2PC1085100是是100C65N-DC-2PC1095100是是100C65N-DC-2PC10105100是是100C65N-DC-2PC105100否否100C65N-DC-2PC108100否否100S202M-B3DC25100是是100S202M-B3DC30100是是100S202M-B3DC40100是是100S202M-B3DC1100否否100S202M-B3DC2100否否100获取断路器开合闸动作时的磁场强度，并计算出脱扣线圈的电磁吸力，从而实现用霍尔传感器检测低压直流断路器脱扣器脱扣线圈电磁吸力是否达到脱扣条件，检测低压直流断路器是否完成了控制电流通断的功能，以及及时通知运检人员检测结果。文中提出的装置可以无需拆卸断路器装置，随时对存疑接触器进行检测，测试效率高，在没有故障的情况下断电时间短、恢复供电迅速、影响范围小，大大提升了检测效率。有利于分布式电源、分布式储能等基于电力电子装置的低压直流供电电源、直流配电网的供电可靠性提升。参 考 文 献 1 姚良忠，吴婧，王志冰，等 未来高压直流电网发展形态分析J中国电机工程学报，2014，34(34):6007-6020Yao Liangzhong，Wu Jing，Wang Zhibing，et al A prospective 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电子世界，2018(2):80-81作者简介:侯磊(1986)，男，高级工程师，硕士，从事能源互联网技术、电力系统分析控制、综合能源服务技术研究、科技管理及推广工作。Email:332333817 qq com蔡毅(1978)，男，高级工程师，硕士，从事电工仪器仪表工程技术工作。庞凝(1988)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为电力系统自动化、双碳、电力企业发展战略等。王伊晓(1990)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为能源互联网、综合智慧能源、电力交易与碳交易等。杨鑫(1997)，男，中级工程师，硕士，主要研究方向为电力工业。收稿日期:2022-08-22;修回日期:2023-01-08(任美辉编发)571第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023