真空斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kāi)斷正常工作電流和故障工作電流的開(kāi)關(guān)裝置。斷路器在電力系統(tǒng)中有著控制和保護(hù)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(xiàn)路，也能在電力設(shè)備或者線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)迅速切除故障部分，以保證電網(wǎng)正?？煽窟\(yùn)行，一旦它發(fā)生故障，造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其本身的價(jià)值，為此國(guó)內(nèi)外都在致力于斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的研究和開(kāi)發(fā)[1－2]。

目前，斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的研究和開(kāi)發(fā)，國(guó)外具有代表性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有美國(guó)Hathway公司開(kāi)發(fā)的BCM200斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，美國(guó)德克薩斯電力公司的便攜式斷路器分析儀，ABB公司開(kāi)發(fā)的SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，日本東京電力公司和東芝公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的GIS在線(xiàn)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)等[2－3]。國(guó)內(nèi)的主要產(chǎn)品有寧波理工監(jiān)測(cè)設(shè)備有限公司的WDJC系列斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，西安實(shí)達(dá)電力設(shè)備廠(chǎng)的 KJTC系列開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀以及上海南華蘭陵電氣有限公司的VS1智能型戶(hù)內(nèi)中壓真空斷路器。

現(xiàn)有的斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)局限于研究一種在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的裝置，而不是將監(jiān)測(cè)單元嵌入到斷路器裝置中，監(jiān)測(cè)量單一，采用的分析方法較少，難以實(shí)現(xiàn)斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的智能化。針對(duì)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(jī)械特性、溫度參量實(shí)現(xiàn)斷路器的智能測(cè)量、智能控制、智能診斷功能。

1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)特征量的提取

對(duì)真空斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要監(jiān)測(cè)斷路器的機(jī)械特性、觸頭溫升和分合閘回路。

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

針對(duì)真空斷路器觸頭溫升的測(cè)量，采用型號(hào)為HLPT－S1無(wú)線(xiàn)溫度傳感器，該傳感器采用測(cè)溫、信號(hào)調(diào)理和供電轉(zhuǎn)換一體化設(shè)計(jì)，檢測(cè)范圍可達(dá) －55℃ ～+125℃，AD檢測(cè)精度高達(dá)±0.5℃。此外，該溫度傳感器外置天線(xiàn)和感溫探頭，發(fā)射距離可達(dá)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(cè)項(xiàng)目包括合閘電流、分閘電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、電壓的監(jiān)測(cè)[6－7]?；魻杺鞲衅骶容^高，線(xiàn)性度好，電氣性能和動(dòng)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(hào)為YDG－HSD。該傳感器采用磁場(chǎng)平衡原理，通過(guò)一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，即被測(cè)電流在聚磁環(huán)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使霍爾器件處于檢測(cè)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(huì)對(duì)斷路器運(yùn)行造成影響。

2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為五大部分:信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、狀態(tài)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和人機(jī)界面。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從傳感器獲取信號(hào)之后經(jīng)過(guò)下位機(jī)處理通過(guò)串行通訊總線(xiàn)485傳給上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示。其中獲取機(jī)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(dòng)獲得行程位移曲線(xiàn)，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(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件實(shí)現(xiàn)電路主要由信號(hào)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(jì)中采用相關(guān)的傳感器將機(jī)械特征參量、電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和DSP可處理的電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理電路(隔離、濾波、放大等)轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)送入DSP，DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供DSP進(jìn)行邏輯運(yùn)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(xiàn)傳輸給以ARM為核心的上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障綜合診斷，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示。DSP芯片選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高性能數(shù)字信號(hào)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(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 信號(hào)調(diào)理電路

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

圖3 電流信號(hào)調(diào)理電路

3.2 電源電路的設(shè)計(jì)

TMS320X2812正常工作時(shí)所要求的電壓分為兩個(gè)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(jì)的電路圖。上位機(jī)的電源、時(shí)鐘回路跟DSP的類(lèi)似。

圖4 電源產(chǎn)生電路

3.3 通訊電路

采用RS485實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊，通訊芯片采用AXIM公司生產(chǎn)的 MAX485，其傳輸速率可達(dá) 2.5 Mbps，總線(xiàn)上可掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)。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(shí)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(hù) DSP不因傳輸線(xiàn)上可能遭受的高壓靜電等干擾而出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。

4 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)配合硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭溫升、機(jī)械特性以及分合閘回路的監(jiān)測(cè)，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(hào)的提取以及數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)信息的顯示和通信上傳等功能。當(dāng)接到手動(dòng)操作指令合分指示時(shí)DSP進(jìn)入主循環(huán)，啟動(dòng)分合閘子程序完成斷路器的動(dòng)作，然后提取數(shù)據(jù)特征量進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理以及顯示。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將該在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置安裝于正泰生產(chǎn)的VS1型12kV的真空斷路器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中，分別對(duì)觸頭溫度、分合閘回路電參數(shù)、機(jī)械特性參數(shù)三個(gè)方面的功能監(jiān)測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。表1為測(cè)溫系統(tǒng)與熱電偶試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表1 觸頭溫度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于分合閘回路電參數(shù)的驗(yàn)證，試驗(yàn)過(guò)程中采用示波器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 分合閘回路電參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于該斷路器機(jī)械特性的測(cè)試，采用西高所機(jī)械特性測(cè)試儀與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 機(jī)械特性試驗(yàn)結(jié)果

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在溫度、機(jī)械特性、分合閘回路三方面的監(jiān)測(cè)功能誤差較小，基本反映實(shí)際情況，有效的實(shí)現(xiàn)了其監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于DSP和ARM的硬件架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了具有模塊化硬件平臺(tái)和柔性化軟件結(jié)構(gòu)的分布式真空斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)測(cè)溫技術(shù)，機(jī)械特性監(jiān)測(cè)技術(shù)以及觸摸顯示技術(shù)，方便安裝與操作。通過(guò)多次的分合閘實(shí)驗(yàn)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠真實(shí)反映斷路器運(yùn)行狀態(tài)，并且達(dá)到了預(yù)期的功能。

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