开关柜接地开关电动操控装置的设计

开关柜接地开关电动操控装置的设计
马一迪;黄新波;朱永灿;田毅;詹晓暄
【摘要】针对高压开关柜接地开关因机械故障、人为误操作、机柜设备过热等原因导致的设备故障、工作人员触电等问题,设计一种新型的智能控制接地开关操控装置.以STM32F103为核心处理器搭建硬件平台,并根据模块化的设计理念确定总体设计方案及各功能模块的电路图;通过C语言完成软件模块各单元中主要功能的程序流程图.实验结果表明,操控装置的电动控制可靠性高,可以准确地执行软启动、软停止、全速运行、急停等操作,及时地响应堵转等故障灵敏动作.实现了电动操控接地开关的分闸、合闸操作.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2019(027)003
【总页数】6页(P104-108,114)
【关键词】高压开关柜;接地开关;电动操控;堵转;集成式设计
【作者】马一迪;黄新波;朱永灿;田毅;詹晓暄
【作者单位】西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;国网成都市温江区供电局四川成都611130【正文语种】中文
【中图分类】TM774
电力设备的安全性与可靠性是超大规模输变电和电网安全的重要保证，高压开关柜又是电力系统中的重要设备，在电力系统的发电、输电、变电、电能转换和消耗过程中具有开断和关合电力线路，监测运行电量数据，故障保护等重要作用[1-4]。

高压开关柜在实际运行过程中，经常由于操作机构的机械故障，人为误操作等造成电机堵转、工作人员触电等事故[5-6]。

高压开关柜接地开关智能操控系统的研究起步相对较晚，技术相对滞后[7]。

在80年代，我国大多采用手动式接地开关。

90年代开始，个别产品虽然能够实现接地
开关电动操作，但其控制器问题不断。

目前使用的接地开关电动操动机构分为分体式和一体式2 种。

分体式机构内部采用机械离合器，一体式机构内部采用电磁式
离合。

从使用情况看，每种形式都具有一定的优缺点[8]。

另外，电磁离合器脱扣
时需借助于其内部的弹簧，而在实际生产中由于弹簧参数离散型比较大，导致电磁离合行程不到位，使设计参数出现偏差。

在现场调试时，会出现传动件承力部分损坏，维护工作量加大。

基于此，本文以STM32F103VET6 为核心处理器，在满足“五防”闭锁条件及邻柜条件的前提下，通过单片机控制PWM 波的占空比，使
电机电枢的平均电压得到改变从而实现对电机转速的控制。

1 接地开关操控装置的设计
传统接地开关通过人力利用摇杆控制接地开关的分闸、合闸，工作效率极低。

即使个别产品能够实现电动操作接地开关的分闸、合闸，但是对应的控制器问题不断，例如控制装置反应不灵敏、弹簧松动等情况。

1.1 总体设计
为了达到智能变电站对电力开关柜操作的自动化要求，提高开关柜操作及运行的安全可靠性，确保操作人员的人身安全，从而保证电力系统设备安全稳定运行[9-10]，本文设计了一套电动操控、堵转保护、通信及人机交互于一体的电动接地开关操控
装置。

高压开关柜电动接地开关控制装置的总体结构如图1所示。

图1 接地开关控制装置的总体接架构
1.2 操控装置功能配置
为了保证高压开关柜足够安全，在原有保护电路的基础上加装了“智能五防”保护系统[11-12]。

电力系统的“五防闭锁”[13]中除了防止误分、误合断路器之外，
其他“四防”均要求强制闭锁本。

同时，还配置了软启动[14]、软停止[15]、电机故障检测及堵转保护[16-18]、接地开关分闸、合闸操控和急停控制等功能。

1.3 操控装置硬件设计
操控装置的硬件电路主要包括STM32F103VET6硬件电路、驱动电路、电源电路、堵转保护电路、通信及人机交互电路。

单片机STM32F103VET6 为软件控制芯片，是操控装置的主要部分。

其中存储器：512 kB 的 Flash 和 64kB 的 SRAM。

内核：ARM32 位Cortex™-M3，CPU 最高工作频率高达 72MHz；驱动电路采用占空
比可调的PWM 波实现对永磁直流电机的接地开关分闸、合闸操控及软启、软停
的电动控制；故障诊断与堵转保护电路通过霍尔电流传感器采集到的电流信号转变为电压信号后，将其与堵转所设定的保护阈值进行比较，判断是否出现堵转现象；通信及人机交互电路通过RS-232实现运行数据在LCD 液晶屏上实时显示并通过RS-485通信接口实现与监控中心的信息交互；电源电路主要为操控装置中其他电路进行供电。

硬件结构框图如图2所示。

图2 硬件结构框图
1.3.1 驱动电路
通过将控制信号经光耦隔离放大后驱动IGBT模块，改变电机的供电电压，从而让电机转速得到控制。

电机前级驱动控制电路如图3所示，电机的前级驱动电路中，P181 电气隔离可实现电力电子电路和控制电路的电气隔离，推挽放大电路可产生驱动要求的栅级触发脉冲[14]。

电机后级驱动控制电路如图4所示，采用K2 继电
器实现电动机转向控制。

在避免电机产生的干扰引起装置误动的同时，提供控制IGBT 导通的脉冲信号并有效地缩短其开断时间。

其中 R57、D6 和 C31 构成的RCD 保护电路和吸收二极管HER308 有效抑制了IGBT 关断时的过电压，解决了IGBT 上正向电压上升率过大，减小关断损耗。

为抑制浪涌过电压和开关过电压，
将IGBT 的栅极与地之间并联TVS 管支路。

将快恢复二极管和RC 缓冲电路并联
在电机回路中，可以为IGBT 关断时电动机中的磁场能量提供泻放回路，同时也可以在电机紧急停机时利用刹车电阻进行制动。

图3 电机前级驱动控制电路
图4 电机后级驱动电路
驱动电路中220V 交流输入到整流桥输出为该电路的电源输入部分，整流桥是将交流变为直流。

设计采用单相桥式全控整流电路，整流桥电路图如图5所示。

图5 整流桥电路图
1.3.2 堵转保护电路
在电动机运行过程中可能会因为接地开关本身的机械故障而造成电动机堵转，引发绕组电流的快速上升，从而引起绝缘材料的温度升高。

堵转保护电路如图6所示，通过霍尔电流传感采器集分闸、合闸操控过程中电机电流信号，经电阻转换为电压信号。

因为直流电机的运行电流数据杂波干扰很大，在进入运算放大器前通过一阶滤波器对电流数据进行处理，然后由单电源供电的运算放大器LM358 进行放大处理。

运放输出的电压信号经滤波电路送入MCU，信号经A/D 转换器与设定的堵
转保护阈值进行比较，判断是否发生堵转，并由单片机决定是否驱动电动机故障处理模块，以此来保护电动机。

图6 堵转保护电路图
1.4 操控装置软件设计
操控装置先判断是否接收到本地或远程发送来的操作指令。

如果接收到则先判断是
否满足“五防”闭锁条件，否则返回判断是否满足操作条件。

如果满足“五防”闭锁条件，则继续判断收到的电动操作条件是否满足开入量的输入条件，如果不满足则结束操作，进入语音报警提示模块。

如果满足开入量输入条件，则控制驱动电路执行电机启动。

根据程序中的定时器判断其是否达到减速位置，如果达到减速位置则控制电机减速；如果未达到减速位置则根据霍尔电流传感器实时检测的电流值，判断电机是否出现堵转。

如果出现堵转，则立刻执行电机堵转故障处理，进入保护电路模块，结束操作，避免因控制回路堵转故障未能及时切断而损坏电机。

最后判断是否检测到到位信号，如果检测到到位信号，则电动操作完成，然后电机执行应力释放操作，结束操作。

1.4.1 操控接地开关的软启动与软停止
控制装置采用斜坡升压的方式实现软启动，即控制直流电机电枢电压由零开始逐渐增加，以此达到对直流电机调速的目的。

电机启动后在一定时间内将PWM 占空比从最小值逐渐加到正常运行时的额定值，再让接地开关保持此速度前进。

接地开关软启动后，运动部件运行速度较高，当到达减速位置时，采用斜坡降压软关断，逐渐降低PWM 波的占空比，直至降至最小值缓慢移动，到位后停止，此时再给电机加反向电压一段时间，让电机反转，实现接地开关准确定位，减少整体应力，防止接地开关合闸、分闸状态过深导致动静触头抱死等现象。

电机启动、停止流程图如图7所示。

图7 电机启动、停止流程图
1.4.2 电机堵转保护部分软件设计
在电动机运行过程中，接地开关的电动执行机构可能会因为电机的一些机械故障而造成电动机堵转，从而引起绕组电流的快速升高。

堵转电流保护流程图如图8所示，首先判断AD 采样的电流值是否大于保护阈值。

如大于保护阈值则确定发生堵转，此时关闭定时器，发送此时电流值，并进行电机应力释放，然后发出语音报
警提示。

图8 堵转电流保护流程图
2 实验运行与测试
实验平台主要是由计算机、电路板、示波器、接地开关等搭建而成。

通过在液晶屏上设置参数及分闸位置、合闸位置，实现对接地开关的电动控制。

2.1 硬件测试
硬件电路模块较多，焊接完成之后需要对每个模块进行检查，判断是否焊接成功。

硬件测试主要包括焊接完成的电路，电源模块输入输出电压等，通过测试确保硬件焊接无误。

硬件焊接完成之后，查找原理图并编写相应的程序，根据测试结果判断焊接电路模块是否成功。

部分测试结果如图9，10 所示。

结果表明，硬件电路焊
接成功。

图9 测试串口显示
图10 供电电压测试
2.2 软件调试
设计流程编写完成后，通过串口发送数据，根据通信协议进行调试接地开关的分闸、合闸操作、急停等。

2.2.1 接地开关软启动软停止实验调试
通过程序确定接地开关的加速时间（PWM 波从最小占空比到额定占空比时间）、全速时间（最大占空比运行时间），从而确定减速位置，使接地开关能够安全、快速地到达分闸、合闸位置。

图11 为测试PWM 波形图。

通过测试，最后确定软启时间为2 s，完成时间为6 s，到达减速位置时，PWM 波从额定占空比缓慢减小
至最小占空比，使接地开关缓慢运行，到位后停止，使电机以一定延时后反转，释放应力，完成接地开关分闸、合闸操作。

图11 接地开关PWM波形图
2.2.2 接地开关急停实验调试
在接地开关的运行过程当中，往往会因为外界因素干扰（例如电机火花、电压过大过小）致使接地开关没有按照程序设定的路径运行。

为了保护控制芯片及电路，程序接收到急停命令后，先关闭定时器、PWM，并给一定的延时，使PWM 完全关闭，然后关停电机总电源并给一定延时，完成接地开关急停。

2.3 接地开关整机测试
为验证控制装置功能的完整性及测试接地开关电动方式实现分、合闸位置操作的可靠性，在实验平台下对接地开关分、合闸操作进行100 次实验，并将测试实验数据记录如表1所示。

表1 本地分、合闸操作实验数据控制方式本地控制分闸操作合闸操作成功次数/次100 100失败次数/次0 0
调整好接地开关之后，将接地开关安装到开关柜上，通过液晶界面进行接地开关电动分闸、合闸操作。

在电动操控的过程中，实时监测电动接地开关动作过程中的电机电流值以及接地开关当前完成进度，并上传至液晶显示屏。

在整个控制过程中，可以通过液晶屏上的“急停”按键，使电机停止工作，以应对故障情况。

当电机电流过大时，语音提示“电机堵转”；当接地开关运行到位后，语音提示“操作成功”。

3 结束语
本文设计了一套电动操控、堵转保护、通信及人机交互一体的电动接地开关控制装置。

该操控装置不仅能够实现电机转速的精确控制，还可以根据控制要求调节接地开关的合闸、分闸速度，实现接地开关软启动，软停止，全速运行和急停。

该操控装置具有智能五防、堵转电流检测等功能，解决了手动操作的不安全性和电动操作的不可靠性问题，使设备更加地稳定化、智能化。

同时，它可与监控上位机进行数据交互，接受操控指令，完成信息共享。

该电动操控装置全面的提高开关柜的智能
化水平，安全性，能够实现无人化值守、信息化监控，而且投资小、效率高、抗干扰能力强，对实现智能变电站具有一定的指导作用。

【相关文献】
[1] 黄新波，曹雯.输电线路灾害机理研究进展[J].西安工程大学学报，2017，31（5）：589-605.
[2] 黄新波.智能变电站原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2012.
[3] 王列华，黄新波，陈小雄，等.智能高压开关柜综合操控装置的设计与实现[J].电气应用，2013（11）：51-56.
[4] 孙兴丽，刘曙光.一种开关柜智能操控装置的设计与实现[J].高压电器，2009，45（1）：76-80.
[5] 钟建英.智能高压开关设备技术研究进展[J].高压电器，2013，49（7）：110-115.
[6] 杨武，丁丹，荣命哲，等.高压开关柜的在线监测和故障诊断[J].电工技术杂志，2001（3）：
20-25.
[7] 林莘.现代高压电器技术[M].北京：机械工业出版社，2011.
[8] 张永刚，陆军，刘宇成，等.接地开关电动操动机构的研发与结构设计[J].高压电器，2013（12）：31-36.
[9] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 28811—2012高压开关设备和控制设备基于IEC 61850 的
数字接口[S].北京：中国标准出版社出版发行，2012.
[10]蔡月明，李惠宇，何胜利.智能开关控制装置关键技术研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（11）：129-132.
[11]赵斌财，刘凤丽，宿守坤，等.10 kV手车式开关柜防误闭锁装置的标准化验收[J].山东电力技术，2014（1）：49-54.
[12]卢敏波.浅析变电站10 kV 高压开关柜的机械联锁[J].黑龙江科技信息，2011，35：16-17.
[13]刘柳青.10 kV 铠装移开式开关设备断路器手车远方控制的改进[J].机电工程技术，2011，12（40）：65-71.
[14]罗剑辉.电机软启动技术分析与探讨[J].机电信息，2010，36（36）：43-44.
[15]苏东青，陈灵峰，吴志雄.智能变电站10kV 开关柜断路器手车电动操作注意事项[J].电工技术，2013（2）：14-15.
[16]王文龙，胡绍谦，汤震宇.程序化操作在变电站中实现的几个关键问题[J].电力系统自动化，2008，32（22）：66-68.
[17]姜静，潘琳琳，李宏达，等.高压开关电源开环与闭环特性比较[J].电子科技，2016（8）：1-3.
[18]成洋.智能化变电站高压开关柜在线监测技术研究[J].自动化与仪器仪表，2016（9）：108-109.。