田曉霄，李水清，李莉，方臨川，尹雁姝

(正泰電氣股份有限公司，上海 201610)

0 引言

斷路器是一種能夠關(guān)合、承載、開斷正常工作電流和故障工作電流的開關(guān)裝置。斷路器在電力系統(tǒng)中有著控制和保護的雙重任務(wù)，既能根據(jù)電網(wǎng)的需要投切電力設(shè)備和線路，也能在電力設(shè)備或者線路發(fā)生故障時迅速切除故障部分，以保證電網(wǎng)正常可靠運行，一旦它發(fā)生故障，造成的經(jīng)濟損失遠遠超過其本身的價值，為此國內(nèi)外都在致力于斷路器在線監(jiān)測的研究和開發(fā)[1－2]。

目前，斷路器在線監(jiān)測的研究和開發(fā)，國外具有代表性的監(jiān)測系統(tǒng)主要有美國Hathway公司開發(fā)的BCM200斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，美國德克薩斯電力公司的便攜式斷路器分析儀，ABB公司開發(fā)的SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，日本東京電力公司和東芝公司聯(lián)合開發(fā)的GIS在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)等[2－3]。國內(nèi)的主要產(chǎn)品有寧波理工監(jiān)測設(shè)備有限公司的WDJC系列斷路器在線監(jiān)測產(chǎn)品，西安實達電力設(shè)備廠的 KJTC系列開關(guān)機械特性測試儀以及上海南華蘭陵電氣有限公司的VS1智能型戶內(nèi)中壓真空斷路器。

現(xiàn)有的斷路器在線監(jiān)測技術(shù)局限于研究一種在線監(jiān)測的裝置，而不是將監(jiān)測單元嵌入到斷路器裝置中，監(jiān)測量單一，采用的分析方法較少，難以實現(xiàn)斷路器在線監(jiān)測的智能化。針對以上不足，筆者應(yīng)用嵌入式技術(shù)，采集斷路器的電參量、機械特性、溫度參量實現(xiàn)斷路器的智能測量、智能控制、智能診斷功能。

1 在線監(jiān)測特征量的提取

對真空斷路器在線監(jiān)測項目，主要監(jiān)測斷路器的機械特性、觸頭溫升和分合閘回路。

對于真空斷路器機械特性的監(jiān)測，主要包括:合閘時間、分閘時間、合閘平均速度、分閘平均速度、開距、超行程[4－5]。測量斷路器機械特性最直接的辦法是在動觸頭或觸頭的絕緣拉桿下安裝直線位移傳感器。但由于45kV以下電壓等級的中壓斷路器，結(jié)構(gòu)非常緊湊，難以在動觸頭和絕緣拉桿附近安裝傳感器，而且裝在動觸頭處的傳感器還存在高電位隔離問題?？紤]到斷路器動觸頭在分合閘過程中，運動行程規(guī)律與主軸連動桿運動行程規(guī)律之間有著固定的聯(lián)系，因此通過在主軸上安裝角位移傳感器測量斷路器主軸的分合閘角位移得到，角位移，——時間曲線，間接得到動觸頭的直線位移——時間曲線。筆者選用的位移傳感器是導電塑料位移傳感器WDD35D1，線性度達到0.1%。

針對真空斷路器觸頭溫升的測量，采用型號為HLPT－S1無線溫度傳感器，該傳感器采用測溫、信號調(diào)理和供電轉(zhuǎn)換一體化設(shè)計，檢測范圍可達 －55℃ ～+125℃，AD檢測精度高達±0.5℃。此外，該溫度傳感器外置天線和感溫探頭，發(fā)射距離可達300 M，將其感溫探頭安裝在斷路器梅花探頭之內(nèi)。

分合閘回路監(jiān)測項目包括合閘電流、分閘電流、儲能電機電流、電壓的監(jiān)測[6－7]?；魻杺鞲衅骶容^高，線性度好，電氣性能和動態(tài)性能都比較好，因此選擇霍爾傳感器采集分合閘回路參數(shù)，型號為YDG－HSD。該傳感器采用磁場平衡原理，通過一個次級線圈的電流產(chǎn)生的磁場進行補償，即被測電流在聚磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場，使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。此外，該傳感器體積小，安裝于真空斷路器中不會對斷路器運行造成影響。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為五大部分:信號采集、信號調(diào)理、狀態(tài)分析、數(shù)據(jù)存儲和人機界面。監(jiān)測系統(tǒng)從傳感器獲取信號之后經(jīng)過下位機處理通過串行通訊總線485傳給上位機，由上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和顯示。其中獲取機械特性參數(shù)的位移傳感器直接安裝于斷路器主軸上，隨同主軸轉(zhuǎn)動獲得行程位移曲線，獲取電壓電流的霍爾器件焊接在控制電路板上，總體方案如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件實現(xiàn)電路主要由信號采集和數(shù)據(jù)處理模塊、自生電源和外部電源控制模塊、RS485通信模塊、顯示模塊等組成。設(shè)計中采用相關(guān)的傳感器將機械特征參量、電壓電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和DSP可處理的電平信號，經(jīng)過模擬信號調(diào)理電路(隔離、濾波、放大等)轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號送入DSP，DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供DSP進行邏輯運算和處理。然后將處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)用RS485串行通信總線傳輸給以ARM為核心的上位機系統(tǒng)，上位機實現(xiàn)斷路器在線監(jiān)測與故障綜合診斷，并實現(xiàn)人機交互進行數(shù)據(jù)的存儲和顯示。DSP芯片選用美國TI公司生產(chǎn)的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812[8－10]芯片。采用Atmel公司的 ATglSAM9263。采用SCI串口通訊，通訊格式遵循Modbus通訊協(xié)議，整個系統(tǒng)實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3.1 信號調(diào)理電路

采用霍爾傳感器采集電流信號，經(jīng)過電壓跟隨器后轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，途中C1、C2兩個電容并聯(lián)起到消除噪聲的作用，經(jīng)運算放大器將信號放大，使輸出信號在0 V～5 V之內(nèi)，用一個RC濾波器濾除高頻和低頻噪聲，送入到DSP中。

圖3 電流信號調(diào)理電路

3.2 電源電路的設(shè)計

TMS320X2812正常工作時所要求的電壓分為兩個部分:內(nèi)核電壓為1.8 V;Flash和I/O接口電壓為3.3 V。因此選用電壓精度比較高的TPS767D301芯片，該芯片輸入電壓為+5 V，輸出電壓分為兩路:一路為穩(wěn)定的3.3 V;一路為可調(diào)的1.5 V～5.5 V，供DSP芯片使用，圖4為設(shè)計的電路圖。上位機的電源、時鐘回路跟DSP的類似。

圖4 電源產(chǎn)生電路

3.3 通訊電路

采用RS485實現(xiàn)上下位機的通訊，通訊芯片采用AXIM公司生產(chǎn)的 MAX485，其傳輸速率可達 2.5 Mbps，總線上可掛接的節(jié)點數(shù)為32個。為了將DSP與傳輸芯片MAX485之間很好的隔離，在DSP與 MAX485間加入了高速光電隔離器 6N137，該電路中采用兩套電源，既實現(xiàn)了 DSP與 RS485之間的電平轉(zhuǎn)換，又使它們之間相互隔離，保護 DSP不因傳輸線上可能遭受的高壓靜電等干擾而出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。

4 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計配合硬件系統(tǒng)實現(xiàn)斷路器觸頭溫升、機械特性以及分合閘回路的監(jiān)測，其程序流程如圖6所示。

軟件系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)的初始化、信號的提取以及數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測信息的顯示和通信上傳等功能。當接到手動操作指令合分指示時DSP進入主循環(huán)，啟動分合閘子程序完成斷路器的動作，然后提取數(shù)據(jù)特征量進行數(shù)據(jù)的處理以及顯示。

5 試驗數(shù)據(jù)

將該在線監(jiān)測裝置安裝于正泰生產(chǎn)的VS1型12kV的真空斷路器上進行實驗，系統(tǒng)在調(diào)試過程中，分別對觸頭溫度、分合閘回路電參數(shù)、機械特性參數(shù)三個方面的功能監(jiān)測進行了試驗對比。表1為測溫系統(tǒng)與熱電偶試驗結(jié)果對比。

表1 觸頭溫度試驗結(jié)果

對于分合閘回路電參數(shù)的驗證，試驗過程中采用示波器與監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進行了對比分析，試驗結(jié)果見表2所示。

表2 分合閘回路電參數(shù)試驗結(jié)果

對于該斷路器機械特性的測試，采用西高所機械特性測試儀與監(jiān)測系統(tǒng)進行了對比分析，試驗結(jié)果見表3所示。

表3 機械特性試驗結(jié)果

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)在溫度、機械特性、分合閘回路三方面的監(jiān)測功能誤差較小，基本反映實際情況，有效的實現(xiàn)了其監(jiān)測目標。

6 結(jié)束語

基于DSP和ARM的硬件架構(gòu)，開發(fā)了具有模塊化硬件平臺和柔性化軟件結(jié)構(gòu)的分布式真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無線測溫技術(shù)，機械特性監(jiān)測技術(shù)以及觸摸顯示技術(shù)，方便安裝與操作。通過多次的分合閘實驗調(diào)試，實驗結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠真實反映斷路器運行狀態(tài)，并且達到了預(yù)期的功能。

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