高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)的研究

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局　彭彥軍　騰本科　文　靖　董海亮

高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)的研究

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司桂林供電局彭彥軍騰本科文靖董海亮

高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力失效將導(dǎo)致斷路器分合閘速度不合格或分合閘時間超標(biāo)，嚴(yán)重影響設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。為準(zhǔn)確判斷高壓斷路器彈簧應(yīng)力變化，設(shè)計了一種高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實時快速的檢測出操作彈簧的應(yīng)力特性，判斷出彈簧性能。

高壓斷路器；彈簧失效；應(yīng)力；判定

1　引言

本文設(shè)計了一種高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力離線檢測系統(tǒng)，協(xié)助現(xiàn)場工作人員快速找出操作彈簧的隱形隱患，提高設(shè)備及電網(wǎng)的可靠性。該實時檢測系統(tǒng)主要包括信號采集單元、DSP芯片、可編程邏輯器件CPLD芯片、參數(shù)存儲電路等，采用CPLD芯片協(xié)助DSP芯片控制外設(shè)，通過DSP芯片對實時系統(tǒng)進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過串口 RS-232總線同上位PC機(jī)通信，將DSP芯片檢測的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析，快速的判定彈簧失效。

2　高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1整體結(jié)構(gòu)

高壓斷路器操作彈簧實時檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括信號采集單元，用于信號采集處理的DSP芯片，與DSP芯片通訊的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD芯片，參數(shù)存儲電路等。其中，CPLD芯片掛接有外設(shè)件， DSP芯片通過串口 RS-232總線與之通信的上位PC機(jī)。

圖1　高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1.1DSP芯片

DSP具有運算速度快，能實時對系統(tǒng)進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)處理的特點，該實時檢測系統(tǒng)采用DSP處理器作為主控芯片，負(fù)責(zé)對信號的采集、處理和分析。DSP芯片采用具有高速處理能力和數(shù)據(jù)、程序存儲量大的32位浮點型TMS320F28335芯片作為系統(tǒng)的控制器。

TMS320F28335芯片主要包括TMS320F28335內(nèi)核、事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、通用輸入/輸出多路復(fù)用器、鎖相（PLL）環(huán)時鐘模塊、外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊。

其中，TMS320F28335內(nèi)核包括CPU單元、存儲器單元、邏輯測試單元和外設(shè)接口單元；事件管理器為EVA和EVB兩個事件管理器，每個事件管理器均包括通用32位定時器單元、PWM處理單元、捕捉單元以及正交編碼脈沖電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分辨率為12位，該模塊具有16路A/D轉(zhuǎn)換通道；通用輸入/輸出（GPIO）多路復(fù)用器TMS320F28335芯片共有88個通用GHO 口，這些當(dāng)中有56個具有多功能作用，軟件編程時可通過內(nèi)部寄存器GPIOMUX來設(shè)置該引腳作為片內(nèi)外設(shè)I/O還是片外數(shù)字I/O。

圖2　DSP-TMS320F28335最小系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2CPLD芯片

相比于其它廠家的同等功能的CPLD芯片，MAX II系列CPLD芯片具有成本低廉、功耗低等優(yōu)點，因此CPLD芯片選用的EPM570T144型號，該型號的CPLD采用144腳TQFP封裝，支持3.3V/2.5V/1.8V等不同外部供電電壓，具有116個通用1/0，每個引腳延時為8.8 ns，內(nèi)部具有570個邏輯單元（LE），支持JTAG下載編程。

EPM570T144芯片包含保證EPM570芯片正常工作時需要的CPLD最小系統(tǒng)電路，CPLD最小系統(tǒng)電路包括時鐘振蕩電路、下載程序的JTAG接口電路、復(fù)位電路和為CPLD提供正常工作電壓的電源電路。CPLD芯片負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)外設(shè)的時序控制，其實現(xiàn)與DSP通信，為DSP總線譯碼；對TFT液晶屏顯示的時序控制，完成按鍵去抖、識別，LED、蜂鳴器驅(qū)動等操作。

2.1.3信號采集單元

高壓斷路器操作彈簧實時檢測系統(tǒng)中的信號采集單元包括采集電路、置位電路、調(diào)理電路、電源電路。

置位電路為在磁阻傳感器HMC1052芯片上施加一復(fù)位脈沖，HMC1052屬于弱磁檢測傳感器，當(dāng)有外加的強(qiáng)磁場（通常大于20Gauss）干擾時，傳感器內(nèi)部的薄膜磁化極性會遭到破壞，會影響傳感器測量精度，這時需要對傳感器施加一個瞬態(tài)電流來恢復(fù)傳感器特性，這一操作可以通過在HMC1052芯片上施加一個置位或復(fù)位脈沖來實現(xiàn)，在經(jīng)過置位或復(fù)位后，薄膜合金磁阻元素的方向一致。

2.1.4參數(shù)存儲電路

EEPROM參數(shù)存儲電路，主要負(fù)責(zé)磁場為0Gauss時，傳感器經(jīng)過調(diào)理電路后輸出的電壓值保持下來，每次運行時，DSP首先從EEPROM中讀出該值，以該電壓值作為零點標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行判斷應(yīng)力集中區(qū)域。本系統(tǒng)中釆用美國ATMEL公司推出的非易失性串口存儲芯片AT24C02，該芯片具有I2C串行接口，存儲量為256X8位，供電電壓范圍為1.8V-5.5V，數(shù)據(jù)保存可靠，保存時間長，廣泛運用于儀表的參數(shù)存放系統(tǒng)中。

2.1.5其他模塊

外設(shè)件包括LED狀態(tài)指示燈、按鍵、蜂鳴器報警裝置、LCD波形顯示器。參數(shù)存儲電路采用非易失性串口存儲芯片AT24C02。

2.2高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)原理

主控制器DSP芯片內(nèi)部A/D進(jìn)行釆集轉(zhuǎn)換信號，并進(jìn)行相應(yīng)高速處理完后，通過DSP總線將信息傳送到CPLD， CPLD將波形信息存入顯存SRAM中，周期性的將SRAM中存放的一幀LCD波形數(shù)據(jù)在LCD屏上顯示出來，一旦LCD屏上的波形出現(xiàn)過零點，即可判斷傳感器檢測處存有應(yīng)力集中；為增強(qiáng)儀器的人機(jī)交流效果，儀器中添加按鍵和蜂鳴器等外設(shè)，按鍵主要負(fù)責(zé)儀器的相關(guān)參數(shù)設(shè)定，當(dāng)傳感器檢測到應(yīng)力集中區(qū)域時，蜂鳴器報警；同時，DSP也可以將采集的波形數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)通過Lab VIEW軟件實現(xiàn)波形上位機(jī)觀察，分析并保存。

3　實際實施

根據(jù)高壓斷路器彈簧應(yīng)力的要求，建立一個彈簧模型，期待通過對一般彈簧進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得彈簧在壓縮過程中的應(yīng)力場及應(yīng)變場。并且根據(jù)有限元模擬結(jié)果，為實際彈簧應(yīng)力檢測提供理論支撐。應(yīng)力的最大點出現(xiàn)在彈簧材料橫截面的內(nèi)側(cè)，與經(jīng)典理論相吻合。彈簧工作圈內(nèi)側(cè)應(yīng)力很大，容易引起應(yīng)力集中，這是導(dǎo)致彈簧材料應(yīng)力失效主要原因。

4　總結(jié)

本文主要設(shè)計了一種高壓斷路器操作彈簧應(yīng)力檢測系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及原理。通過實施應(yīng)用，該實時檢測系統(tǒng)具有處理器運算速度高，系統(tǒng)易用穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)精確度高，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)膬?yōu)勢，能實時檢測操作彈簧應(yīng)力特性，快速判定彈簧性能。