郭繼輝，李曉剛，謝蓓敏

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

單個(gè)變電站一年的檢修費(fèi)用大多數(shù)用于斷路器的檢查和維修，主要包含日常小修和定期大檢修。檢修中時(shí)常會(huì)因?yàn)槿藶椴僮魇д`而破壞到斷路器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致斷路器缺陷。這種檢修方式不僅會(huì)耗費(fèi)人力、物力以及檢修費(fèi)用，并且組裝后還會(huì)出現(xiàn)新問(wèn)題，效率偏低。計(jì)劃?rùn)z修通常是面向所有電力設(shè)備，這種檢修方法缺乏針對(duì)性且比較保守，同時(shí)頻繁檢修會(huì)降低電氣設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，斷路器工作狀態(tài)需要?jiǎng)?chuàng)新檢測(cè)方法，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)其隱藏故障，預(yù)先處理有可能出現(xiàn)的缺陷問(wèn)題，防止由于故障加劇而引發(fā)重大事故。

1 斷路器機(jī)械特性帶電檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的測(cè)量方式是接觸式測(cè)量技術(shù)。安裝和測(cè)試傳感器時(shí)，必須在斷路器停電的情況下進(jìn)行斷路器機(jī)械性檢測(cè)。因此，急需對(duì)適用于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況下的非接觸式斷路器機(jī)械特性帶電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1.1 速度采樣技術(shù)

速度采樣和整形電路主要承擔(dān)處理非接觸渦流傳感器傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，同時(shí)把正交信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖和加減控制信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)中的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。單片機(jī)根據(jù)周期讀取計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值，再依照順序存儲(chǔ)到RAM中。

為進(jìn)一步增強(qiáng)渦流傳感器信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性，角度變化的信號(hào)是經(jīng)過(guò)兩組差分信號(hào)（A+/A-、B+/B-）進(jìn)行傳輸?shù)?。電平是HTL，差分電壓能達(dá)到12 V。在此條件下，渦流傳感器信號(hào)傳輸距離能夠達(dá)到1 km之上，抗干擾性極強(qiáng)[1]。

SP490是儀器內(nèi)部專用的差分收發(fā)器，具有低功耗優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了RS-422、RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)5 Mb/s。它把HTL差分信號(hào)變換成TTL電平，轉(zhuǎn)換后的電平能夠直接進(jìn)行單片機(jī)的IO口計(jì)數(shù)[2]。如圖1所示，計(jì)數(shù)原理是通過(guò)電平變換后的TTL信號(hào)，分成兩路連接到單片機(jī)的IO口，把當(dāng)中一個(gè)IO口確定為計(jì)數(shù)脈沖A，另一個(gè)確定為加減控制位B。一旦A信號(hào)出現(xiàn)下跳沿，若B是高電平，單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)就加1，若B是低電平，單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)就減1。

圖1 計(jì)數(shù)方向判斷方式說(shuō)明

1.2 電流采樣技術(shù)

電流采樣前置電路連接外部霍爾電流傳感器，電流傳感器信號(hào)通過(guò)電流放大和濾波后傳送到ADC轉(zhuǎn)換芯片。采用的芯片是ADS7864芯片。ADS7864芯片是一種雙12位、500 kHz的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有6個(gè)差分輸入通道，分別分為3對(duì)，用來(lái)采集高速同步信號(hào)。采樣與保持放大器的輸入是完全差動(dòng)的，同時(shí)保持到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。在高噪聲環(huán)境中，這種可以在50 kHz時(shí)提供80 dB的共模抑制比的功能非常重要。這種芯片提供了一個(gè)并行接口與控制輸入接口，大大降低了軟件費(fèi)用，所有的通道輸出數(shù)據(jù)都是16位字寬度。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，控制電流最大值是25 A，AD分辨率是12位，電流最小分辨率能夠達(dá)到25 A/0.006 A，達(dá)到了電流分析的要求[3]。

1.3 斷口采樣技術(shù)

電場(chǎng)強(qiáng)度通過(guò)外部電場(chǎng)傳感器轉(zhuǎn)變成高低電平，高電平表示分閘狀態(tài)，低電平表示合閘狀態(tài)。三組傳感器都連接著采集終端，這主要是考慮到采集終端的兼容性特征和兼容傳統(tǒng)測(cè)試儀的電平規(guī)范。以往的時(shí)間檢測(cè)方式是通過(guò)斷路器一側(cè)短路接地，一側(cè)ABC三相均接儀器斷口輸入[1]。例如，斷路器處于分閘狀態(tài)，斷口輸入端處于懸空狀態(tài)，儀器內(nèi)部存在上拉電阻，等同于高電平；反之，斷路器處于合閘狀態(tài)，斷口輸入地拉低，相當(dāng)于低電平。

如圖2所示，采集終端的斷口采樣模塊能夠采集三路斷口狀態(tài)，DK01-03分別對(duì)應(yīng)ABC三處斷口輸入信號(hào)。如果斷口懸空或者相當(dāng)于高電平，K00-K02輸出TTL高電平，單片機(jī)IO能夠讀取斷口狀態(tài)。如果斷口被拉低，K00-K02則輸出低電平。二極管與電容起到了保護(hù)與濾波作用。對(duì)于電容，一方面實(shí)現(xiàn)斷口通道和單片機(jī)的電氣隔離，確保單片機(jī)不會(huì)受到電擊穿和干擾；另一方面可以達(dá)到電平轉(zhuǎn)變，把高電壓轉(zhuǎn)變成TTL電平，與單片機(jī)接口電壓要求相符[1]。在檢測(cè)開(kāi)始時(shí)，單片機(jī)通過(guò)固定周期讀取連接端口輸出信號(hào)的IO，讀取周期最小0.1 ms。單片機(jī)把讀取斷口狀態(tài)依據(jù)順序存儲(chǔ)到RAM中。

1.4 時(shí)鐘與存儲(chǔ)模塊技術(shù)

采集終端在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，需要記錄斷路器動(dòng)作的時(shí)間與日期，因此采集終端內(nèi)部形成了一個(gè)帶電池的實(shí)時(shí)鐘。此外，因?yàn)椴杉K端檢測(cè)數(shù)據(jù)要長(zhǎng)時(shí)間保留，所以采集終端形成了一個(gè)非易失性FLASH存儲(chǔ)器用來(lái)保留數(shù)據(jù)。

圖2 斷口采樣原理圖

實(shí)時(shí)鐘采用PCF8563芯片。這是一種工業(yè)級(jí)、內(nèi)含I2C總線接口功能的低功耗多功能時(shí)鐘/日歷芯片，具有定時(shí)器功能、多種報(bào)警功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能，可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至能夠向單片機(jī)提供看門(mén)狗服務(wù)。內(nèi)部時(shí)鐘電路、振蕩電路、低電壓檢測(cè)電路以及兩線制I2C總線通信方法，不僅能夠令外圍電路更加通暢，還能夠提高芯片的可靠性，并在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)后，使得內(nèi)嵌的字地址存儲(chǔ)器自動(dòng)形成增量。實(shí)時(shí)鐘芯片的電源來(lái)自于CR2032紐扣電池，這種電池能夠供電5年[4]。在儀器通電時(shí)，由于供電壓VDD要比電池電壓高，因此芯片供電通過(guò)采樣終端的鋰電池供電。當(dāng)時(shí)鐘芯片和單片機(jī)通信方式是I2C時(shí)，在達(dá)到通信速度的要求下，占用的IO口線被減少。

因?yàn)榧庸て陂g存在誤差，所以32 768 Hz晶體振蕩器容易出現(xiàn)頻率誤差問(wèn)題，長(zhǎng)期運(yùn)行后容易致使計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差。因此，應(yīng)定期檢查采樣終端的實(shí)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。假如存在誤差，需要通過(guò)采樣終端的人機(jī)界面調(diào)整數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SST25VF016存儲(chǔ)芯片，SST的25系列串行閃存應(yīng)用四線與兼容SPI接口，以減少電路板空間的低引腳數(shù)封裝的占用，最終實(shí)現(xiàn)減少總系統(tǒng)成本的目的。SST25VF016B器件屬于增強(qiáng)型器件，提升工作頻率的同時(shí)，降低了功耗。SST25VF016BSPI串行閃存采取SST特有的高性能CMOS Super Flash?制造技術(shù)。SST25VF016存儲(chǔ)芯片有著極高的存儲(chǔ)密度，總存儲(chǔ)量可達(dá)16 MB，總存儲(chǔ)動(dòng)作數(shù)據(jù)可達(dá)128次[4]。

1.5 采樣模塊和主機(jī)通信技術(shù)

CH340是通信模塊電路核心器件，是一種USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能，使采樣終端直接連接USB電纜。CH340的RXD/TXD信號(hào)連接單片機(jī)的串口IO，電腦安裝CH340驅(qū)動(dòng)程序，完成PC機(jī)訪問(wèn)采樣終端的功能。CH340支持多種常用通信波特率，內(nèi)部設(shè)置了獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū)，支持單工、半雙工以及全雙工不同步串行通信。CH340的驅(qū)動(dòng)程序在計(jì)算機(jī)端Windows操作系統(tǒng)下可以仿真標(biāo)準(zhǔn)串口[5]，因此大多數(shù)原串口應(yīng)用程序是兼容的，一般不用進(jìn)行調(diào)整。

1.6 采樣數(shù)據(jù)處理技術(shù)

軟件采取模塊設(shè)計(jì)，各大功能發(fā)揮各自的作用。第一，測(cè)試設(shè)置模塊，用來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)水模式，如判定斷路器速度、選用傳感器的類型、采集終端觸發(fā)方式以及單次采樣時(shí)間等參數(shù)。第二，數(shù)據(jù)采樣模塊。數(shù)據(jù)采樣模塊是中心模塊，采樣時(shí)采樣終端通過(guò)10 kHz的頻率采樣信號(hào)，重點(diǎn)采集斷口情況、電流值以及傳感器技術(shù)模塊的計(jì)數(shù)值等重點(diǎn)參數(shù)。完成采樣數(shù)據(jù)后，CPU按照檢測(cè)設(shè)計(jì)，自動(dòng)計(jì)算各種參數(shù)，之后在采樣終端LCD顯示器上自動(dòng)顯示，便于用戶切換查看數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保存模式區(qū)分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種調(diào)用方式。采樣終端處于自動(dòng)模式時(shí)，每次采樣的數(shù)據(jù)都會(huì)保存，而采樣終端處于手動(dòng)模式時(shí)，不會(huì)自動(dòng)保存每次的采樣數(shù)據(jù)，需要操作人員自行思考數(shù)據(jù)是否保存。第三，數(shù)據(jù)讀取模塊。假如想要查看采集終端保留的數(shù)據(jù)，需要通過(guò)讀取模式選擇想要查看的數(shù)據(jù)。在選取一項(xiàng)數(shù)據(jù)后，CPU把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中，在計(jì)算出參數(shù)后自動(dòng)顯示到LCD上。第四，時(shí)間日期設(shè)計(jì)模塊。采集終端內(nèi)部設(shè)置的實(shí)時(shí)鐘，在長(zhǎng)期計(jì)時(shí)后容易出現(xiàn)計(jì)時(shí)誤差。一旦出現(xiàn)計(jì)時(shí)誤差，能夠通過(guò)時(shí)間日期設(shè)計(jì)界面調(diào)整采集終端內(nèi)部設(shè)置的實(shí)時(shí)鐘的日期與時(shí)間，從而保障數(shù)據(jù)時(shí)間戳的準(zhǔn)確性[5]。圖3為軟件設(shè)計(jì)框圖。

2 結(jié) 論

斷路器是電網(wǎng)中極為重要的一種開(kāi)關(guān)元件。按照電力系統(tǒng)安穩(wěn)運(yùn)行的要求，斷路器不僅需要根據(jù)相關(guān)要求把正常運(yùn)行的設(shè)施投入系統(tǒng)與退出運(yùn)行，還需要在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)去除出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備，從而為電力系統(tǒng)的整體安穩(wěn)運(yùn)行保駕護(hù)航。為確保斷路器的工作性能，需要按期對(duì)斷路器進(jìn)行檢查維修。然而，以往的計(jì)劃?rùn)z修存在實(shí)施難度高與成本高的不足，達(dá)不到現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求?；诜墙佑|式的斷路器機(jī)械特性帶電檢測(cè)技術(shù)達(dá)到了現(xiàn)代電力系統(tǒng)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)以及顯示功能的要求，可為今后電力設(shè)備帶電檢測(cè)研究提供參考。