一直以來，因缺乏有效檢測手段而導致變電站高壓開關柜斷路器三相不同期的情況時而出現，造成電力系統中零序電壓、網絡阻抗增大等現象發生，引發電網各類事故。為此，電力公司常采用定期檢修，將斷路器停運，用離線方法對其機械特性進行檢測，從而增加了運維成本，影響了電網的供電可靠性。

隨著人們對供電質量要求日益提升，電力生產對斷路器機械特性在線檢測裝置的需求也更加迫切，但現有的斷路器機械特性檢測儀均為離線。斷路器機械特性不可實現在線檢測的主要原因是，斷路器在線狀態下分合閘周期不易準確檢測。

目前的斷路器分合閘周期在線檢測研究方法，對于斷路器分合閘周期的起始時刻提取均通過采用霍爾電流傳感器采集分合閘線圈得電時刻獲取。

對于斷路器分合閘周期的終止時刻（即斷路器剛分或剛合時刻）的提取主要有3種方法：①采用斷路器輔助觸頭獲取，該方法由于機械觸頭存在時間延遲，測得的斷路器分合閘周期存在很大誤差，不滿足工程要求；②運用振動傳感器提取振動信號峰值法，該方法受環境影響較大且與振動傳感器安裝位置有關，提取方法較為復雜，工程實現較為困難；③通過在斷路器三相觸頭安裝電流互感器，利用斷路器分合閘時三相動靜觸頭的電流出現或消失時刻來確定，該方法可以較為準確獲取斷路器剛分剛合時刻，但在斷路器不帶負荷或負荷較小的情況下實現困難，存在較大缺陷。

本文針對目前斷路器分合閘周期在線檢測裝置的工程研究由于存在種種原因不具備可操作性的情況，提出一種基于高頻信號耦合解耦原理提取高壓斷路器分合閘周期終止時刻的在線檢測裝置，該裝置可以較好地提取高壓斷路器分合閘周期的終止時刻，實現高壓斷路器分合閘周期的在線檢測。

1 斷路器分合閘過程分析

為了更好地理解斷路器分合閘周期所涉及的相關參數概念，可將斷路器分閘、合閘過程分解成不同的時間段，每個時間段都有各自的動作特性，而可將斷路器分合閘周期整個動作過程看成由各個動作過程時間段組成。基于這種思想，繪制了圖1和圖2斷路器動作過程的時序圖。從斷路器分合閘時序圖中，可以清晰、直觀地了解到斷路器分合閘過程不同時間段的定義。

圖1 開關合閘過程時序圖

圖2 斷路器開關分閘過程時序圖

在GB 1984—2014中對斷路器時間參數有詳細定義[12]。其中，斷路器分閘周期是從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時間間隔，合閘周期是指從合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時間間隔。

2 檢測裝置硬件設計

2.1 檢測裝置組成及工作原理

該檢測裝置主要包括霍爾電流傳感器及其輸出信號調理電路、高頻信號耦合電路及解耦電路、數字信號處理器（digital signal processor, DSP）微處理器單元、液晶顯示、聲光報警和無線通信單元，如圖3所示。

圖3 檢測裝置高壓端模塊框圖

霍爾電流傳感器用于獲取斷路器分合閘線圈得電時間，即斷路器分合閘起始時刻，其輸出信號調理電路的作用是轉化、調理其輸出信號，為DSP微處理器外部中斷提供標準的電壓脈沖信號。高頻信號耦合電路可將DSP微處理器產生的低壓高頻信號，疊加在斷路器動靜觸頭一端的高壓工頻交流信號中。高頻信號解耦電路可使低壓高頻信號，從斷路器動靜觸頭另一端的高壓工頻信號中解耦出來，實現高低信號隔離。

無線通信模塊可實現數據檢測上傳，該模塊采用433MHz頻段，屬于工業、科學、醫療（industrial scientific medical, ISM）免申請頻段，發送功率最大可達到30dbm，最遠可以通信5km。

該裝置通過霍爾電流傳感器獲取斷路器分合閘周期的起始時刻，通過高頻信號耦合解耦聯合作用來獲取斷路器分合閘周期的終止時刻，并計算得出斷路器分合閘周期。在霍爾傳感器獲取斷路器分合閘線圈得電時刻（即分合閘周期起始時刻）的同時，該信號觸發DSP發出高頻信號并使能CAP捕獲端口。

高頻信號通過在斷路器主回路三相動靜觸頭的一端分別進行耦合，在對應相的另一端分別進行高頻信號解耦，實現分合閘周期終止時刻在線檢測，通過計算實現斷路器分合閘周期及三相不同期性在線檢測。具體來講，分閘時，檢測裝置檢測到分閘信號時，裝置輸出高頻信號，并通過持續捕獲端口捕獲高頻信號的次數，信號消失的那一刻即為斷路器剛分時刻。分別記下三相的剛分時刻，通過計算，就可得出分閘周期及三相不同期性。

合閘時，檢測裝置檢測到合閘信號后，裝置輸出端輸出高頻信號并使能捕獲中斷功能，同時使3個計時器開始計時，當捕獲端口信號出現的那一刻即為斷路器剛合時刻，這時三相的定時器停止計時并分別記下三相的合閘時間，進而得出斷路器合閘周期及三相不同期性。

2.2 霍爾電流傳感器輸出信號調理電路

霍爾電流傳感器輸出信號調理電路是用來將霍爾電流傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號。圖4為霍爾電流傳感器輸出調理電路。

圖4 霍爾電流傳感器輸出調理電路

運用霍爾電流傳感器對電信號的快速響應特性（微秒級），可以準確獲取斷路器分合閘線圈帶電時刻，也就是斷路器分合閘周期的起始時刻。圖中R5為取樣電阻，其作用是將霍爾電流傳感器輸出的電流信號轉化電壓信號，U2為施密特觸發門電路芯片，它可將電壓信息進行整形、濾噪，得到一個比較理想的矩形脈沖信號，從而為DSP外部中斷提供較好的沿觸發。

2.3 高頻信號耦合電路

高頻信號耦合電路的作用是將DSP產生的低壓高頻信號耦合在高壓斷路器靜觸頭的一端，實現高低電壓隔離。

圖5 高頻信號耦合電路

圖5中GPIOA0為DSP的I/O引腳，AC_L為高壓斷路器某相的靜觸頭端。DSP產生的高頻脈沖信號經光電隔離后傳送至高頻耦合變壓器的初級線圈端子。另外，為防止高頻信號在傳輸中衰減所導致的高頻信號變弱而不易捕獲，可在光耦芯片的輸出端加一適當大的直流電源進行放大，考慮到工程實際，本裝置采用+5V直流電源進行放大。

圖中T1高頻信號耦合變壓器可以實現初級線圈與次級線圈高頻信號的電磁隔離，次級線圈的高頻信號經過高壓電力耦合電容器C1，耦合至高壓工頻交流電中，C1還可阻止高壓的工頻電壓量傳輸到高頻耦合變壓器的次級線路端子上來。

圖5中電感L1可有效防止次級線路端子的高頻信號流入地中。該耦合電路采用了高低壓光耦隔離和高頻變壓器兩級隔離來防止高壓信號傳輸至低壓端對設備或人身可能造成的傷害。

2.4 高頻信號解耦電路

耦合在斷路器某一相靜觸頭的高頻信號通過圖6高頻信號解耦電路從高壓斷路器動觸頭端的高壓工頻信號中解耦出來。

圖6 高頻信號解耦電路

圖6中電力解耦電容器C2端子被安裝在對應的高頻信號耦合電路連接相的另一端，其作用是將高頻信號從高壓工頻信號解耦出來傳遞到高頻隔離變壓器T2初級線圈的一端，高頻隔離變壓器T2初級線圈的另一端通過電感器L2接地，電感器L2阻止了高頻信號傳入大地；高頻隔離變壓器T2將解耦的高頻信號從高電壓端初級線圈傳送到低電壓端次級線圈，高頻隔離變壓器T2的次級線圈將高頻信號經光耦芯片進行電氣隔離和電平轉換后傳送至DSP的捕獲單元。

2.5 裝置檢測斷路器單相的安裝結構

通過霍爾電流傳感器提取分合閘周期的起始時刻以及通過耦合解耦電路聯合作用提取分合閘周期的終止時刻，最終可實現斷路器分合閘周期的在線檢測功能。圖7為該裝置檢測斷路器單相時的電路連接圖。經現場勘測試驗，該檢測裝置可以在開關柜內安裝，且不影響開關柜的絕緣性能。

圖7 檢測斷路器單相時的電路連接圖

3 高頻信號耦合解耦電路的仿真

為選取合適的電力耦合電容、電感及頻率，采用Electronics Workbench電子仿真軟件，對高頻信號耦合解耦電路進行了仿真。圖8為在該仿真環境下搭建的高頻信號耦合解耦仿真電路。

圖8 高頻信號耦合解耦仿真電路

圖8中雙蹤示波器的輸入分別接在電容器兩端，電容器采用比較常用的100pF高壓電容作為耦合電容，電感選用1mH。當輸入信號為50Hz時，雙蹤示波器得到的耦合波形如圖9所示。

圖9 50Hz輸入信號時的耦合波形

從圖9可以看出，50Hz的工頻信號很難傳遞到后級，全部壓降落在了高壓電容上。

當輸入信號為200kHz時，雙蹤示波器得到的耦合波形如圖10所示。仿真過程中，隨著信號頻率的增加，高壓電容器的傳遞性逐漸加強。從圖10可以看到，當頻率為200kHz時，高頻信號可以無失真傳遞。

圖10 200kHz輸入信號時的耦合波形

考慮到實際的工程可行性，選取100kHz的信號作為實際電路的測試信號進行實驗。

4 檢測裝置的軟件設計

該裝置程序主要包括外部中斷處理程序、頻率信號采集處理程序、定時器處理程序和通信程序。這些程序綜合完成了斷路器分合閘周期的在線檢測及處理，無線通信程序完成了本檢測裝置與站內監測上位機的并網連接和數據共享。

4.1 外部中斷1處理程序流程圖

外部中斷1處理程序完成了分閘周期起點計時，其觸發信號是通過霍爾電流傳感器獲取分閘線路得電時刻，并通過其輸出調理電路的沿電平信號提供的。該信號同時使微處理器發出高頻信號，并且使能捕獲單元開始進行脈沖計數，其程序流程圖設計如圖11所示。

圖11 外部中斷1處理程序流程圖

圖11中CAP1、CAP2、CAP3為微處理器捕獲單元端子。Tfa、Tfb、Tfc分別為斷路器A相、B相、C相的分閘時間。根據GB 1984—2014對分合閘中時間參數的定義中對斷路器分閘周期的定義可知，分閘周期為Tfa、Tfb、Tfc的最大值，三相不同期為Tfa、Tfb、Tfc的最大值與Tfa、Tfb、Tfc的最小值之差。

4.2 外部中斷2處理程序流程圖

外部中斷2處理程序完成了合閘周期起點計時，其觸發信號是通過霍爾電流傳感器獲取合閘線路得電時刻，并通過其輸出調理電路的沿電平信號提供的。該信號同時使微處理器發出高頻信號，并且使能定時器開始計時同時使能捕獲中斷，在捕獲單元捕獲到第一個脈沖時停止定時器計時；頻率信號采集程序完成了信號的頻率采集計算及頻率信號與分合閘周期對應關系處理，其程序流程圖設計如圖12所示。圖中Tha、Thb、Thc分別為斷路器A相、B相、C相的合閘時間。

圖12 外部中斷2處理程序流程圖

5 裝置實驗及結果分析

實驗是在高壓斷路器靜觸頭帶高壓電的情況下進行的，主要目的是檢測高頻信號在該裝置高壓耦合解耦電路中的傳遞性和該裝置的高壓隔離性能及裝置的可靠性和準確性。實驗還驗證了該裝置的主要性能指標和功能。裝置整體性能檢測需通過軟硬件聯合調試，根據實驗室條件，以ABB生產的高壓斷路器為實驗對象對該裝置進行了軟硬件聯合調試，現場檢測如圖13所示。實驗得到的實驗數據見表1。

實驗數據表明，該裝置硬件電路設計合理，軟件編寫正確，裝置能夠準確、可靠地檢測斷路器分合閘周期，滿足工程實際要求。

圖13 裝置軟硬件聯合調試

表1 實驗檢測數據

總結

該裝置采用常規元件和材料，成本低，工業實現方便，是一種工業上較為實用、功能比較完備的高壓開關柜斷路器分合閘周期在線檢測裝置。本檢測裝置克服了其他檢測裝置結構復雜、信號處理不合理和隨機性大的缺點。

其主要特點是，可以準確獲取斷路器起止時刻，而受外界干擾因素較少；該裝置對斷路器實施檢測時，高壓開關柜結構無需變動，不影響其性能，特別是其絕緣性不受影響。該裝置的運用可以減少開關柜斷路器的停運時間，提高了電網供電可靠性。