永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

王 帥

（ 中國煤炭科工集團(tuán)沈陽研究院 遼寧 撫順 113122 ）

高壓斷路器，在電力系統(tǒng)中肩負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)，其狀態(tài)的好壞直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此對(duì)高壓斷路器的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測與檢修是相當(dāng)必要的[1]。傳統(tǒng)的斷路器檢修多采用定期檢修模式，然而這種方式存在著檢修的周期性長和檢修的盲目性的缺點(diǎn)，即若在檢修間隔內(nèi)未發(fā)生事故，喪失了預(yù)防的作用，造成了檢修的不足；另外，經(jīng)常對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修可能造成設(shè)備的過度檢修；檢修后的重新安裝又為設(shè)備留下一定的安全隱患，提高了故障的可能性。因此一種全新的斷路器檢修理念被提出——狀態(tài)檢修。

狀態(tài)檢修是在設(shè)備不停運(yùn)的情況下，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)其健康狀況。具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：降低檢修費(fèi)用；防止惡性事故發(fā)生；防止維修過剩與不足；提高了斷路器的健康水平，延長了使用壽命；減少了設(shè)備停電時(shí)間，提高了供電的可靠性?？梢?，高壓斷路器狀態(tài)評(píng)估是有效進(jìn)行狀態(tài)維修的重要依據(jù)，是電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)[1-2]。

本課題組長期對(duì)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器進(jìn)行研究，基于12 kV戶內(nèi)真空斷路器設(shè)計(jì)并制造了單穩(wěn)態(tài)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的聯(lián)機(jī)性能試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合12 kV永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器，設(shè)計(jì)并搭建了在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，完成對(duì)斷路器分、合閘過程的狀態(tài)采集、存儲(chǔ)、通訊與顯示等功能，為斷路器的狀態(tài)評(píng)估提供數(shù)據(jù)，保證斷路器的健康穩(wěn)定運(yùn)行。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的分為傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、DSP監(jiān)測單元、串口通訊單元和上位機(jī)幾部分組成，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器相應(yīng)的傳感器，得到的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路，進(jìn)入DSP為核心的中央處理單元進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和處理等功能，最終經(jīng)串口通訊將得到的數(shù)據(jù)發(fā)到上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算、分析及顯示[3-4]。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of general condition monitoring system

1.2 傳感器的選擇

本監(jiān)測系統(tǒng)測量項(xiàng)目主要包括：永磁機(jī)構(gòu)分、合閘線圈電流；真空斷路器動(dòng)觸頭行程。傳感器的選擇作為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的選擇直接影響著采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)由于永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器本身結(jié)構(gòu)的小巧，應(yīng)該考慮到各種傳感裝置的安裝，因此就要求選擇結(jié)構(gòu)緊湊、集成化的小功率的傳感器，同時(shí)傳感器的精度滿足監(jiān)測系統(tǒng)采樣的要求。

1)精密直線位移傳感器

該系統(tǒng)選擇DHCWY50系列直線位移傳感器，其主要參數(shù)如表1所示?？紤]到直線位移傳感器是對(duì)12 kV真空斷路器動(dòng)觸頭行程信號(hào)的采集，其動(dòng)觸頭行程為8～12 mm，因此選用傳感器量程為50 mm。通過實(shí)際測試得到傳感器線性變換曲線如圖2所示。由圖2可知，直線位移傳感器在行程0～40 mm間都具有良好的線性度，因此安裝傳感器時(shí)就要滿足信號(hào)在這個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)斷路器的動(dòng)觸頭行程信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的變換。下圖為所選用的傳感器及其與斷路器的連接方式，本文只對(duì)斷路器的中間相動(dòng)觸頭行程進(jìn)行采集。

表1 直線位移傳感器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of linear displacement sensor

圖2 傳感器的線性變換曲線Fig 2 Linear transformation curve of the sensor

圖3 位移傳感器連接圖Fig.3 Displacement sensor connection diagram

2）霍爾電流傳感器

本控制器采用REHI-300A型高精度霍爾電流傳感器（如圖4所示）對(duì)控制回路的分、合閘電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該傳感器應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)補(bǔ)償，具有精度高、線性度好、低溫飄、快速的反應(yīng)時(shí)間、頻帶范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用電-磁-電轉(zhuǎn)換原理來構(gòu)成, 將互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起,結(jié)構(gòu)小巧，接線簡單，使用時(shí)只需將機(jī)構(gòu)線圈穿過傳感器中心及可完成測量，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。輸出為電壓信號(hào)（0～4 V），經(jīng)過適當(dāng)?shù)母綦x放大處理然后即可接入DSP的ADC模塊。

1.3 下位機(jī)監(jiān)測單元的設(shè)計(jì)

下位機(jī)監(jiān)測單元以采用TMS320F2812型DSP為中央處理芯片，TMS320F2812是TI公司推出的一款高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，最高可在150 MHz主頻下工作，片上有16路12位ADC模塊（轉(zhuǎn)換時(shí)間最快80 ns），ADC模塊包括前端的模擬多路復(fù)用開關(guān)、采樣保持器、轉(zhuǎn)換器、電壓穩(wěn)定器等[5]。還包含2路SCI（串行通信口）、1路SPI（串行外設(shè)接口）、兩個(gè)事件管理模塊（EVA、EVB）等豐富外設(shè)。

監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。DSP通過電源模塊、時(shí)鐘模塊及在線編程接口構(gòu)建最小系統(tǒng)；傳感器輸出的2路模擬信號(hào)，經(jīng)過變換和去雜等調(diào)理通過光電隔離送入ADC模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與變換功能；DSP通過外擴(kuò)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過設(shè)置串口通信將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)往上位機(jī)[6]。

圖5 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 5 Hardware structure diagram of condition monitoring system

2 監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)運(yùn)用C語言完成設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)原則，分別實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)和通信的功能，最終在主程序中調(diào)用實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的主要流程圖如圖6所示。首先針對(duì)DSP進(jìn)行初始化設(shè)置（包括系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)置和相關(guān)寄存器初始設(shè)置）；對(duì)中斷功能、事件管理器及AD模塊進(jìn)行初始設(shè)置；以監(jiān)測傳感器電流信號(hào)判斷斷路器動(dòng)作狀態(tài)，進(jìn)入中斷處理；采集斷路器動(dòng)作過程中的電流信號(hào)與動(dòng)觸頭行程信號(hào)；數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和通訊。

圖6 主程序流程圖Fig. 6 Flow chart of main program

2.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

為方便人機(jī)交流、簡化用戶操作，系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0語言設(shè)計(jì)了友好、簡潔的用戶界面。上位機(jī)界面顯示主要包括兩部分：一是永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（包括斷路器狀態(tài)；串口通信方式；斷路器的最大分、合閘速度；平均分、合閘速度；分、合閘時(shí)間；斷路器行程；分、合閘電流）；另一個(gè)是永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形的顯示（包括斷路器分、合閘的位移——時(shí)間曲線；分、合閘電流——時(shí)間曲線）。永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器合、分閘狀態(tài)監(jiān)測上位機(jī)顯示界面如圖7所示，斷路器的平均分、合閘速度分別為0.8 m/s與0.5 m/s；分、合閘時(shí)間為54 ms與65 ms；斷路器的電流與位移曲線平滑、連貫；準(zhǔn)確的表征了12 kV永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的動(dòng)作特性，并滿足了斷路器分、合閘操作的技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

圖7 斷路器合、分閘上位機(jī)監(jiān)測畫面Fig. 7 PC monitor screen of circuit breaker and brake

文中設(shè)計(jì)了一種基于DSP和VB實(shí)現(xiàn)的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。采用TI的TMS320LF2812作為下位機(jī)的核心，實(shí)時(shí)性好，精度高，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集處理提供了良好的硬件平臺(tái)；上位機(jī)采用Visual Basic設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)界面，清晰顯示，提高了系統(tǒng)的可讀性。該系統(tǒng)使DSP和上位機(jī)完美的融合，實(shí)現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)斷路器狀態(tài)監(jiān)測的功能，記錄了斷路器操作數(shù)據(jù)并圖形化顯示，為斷路器狀態(tài)評(píng)估奠定了的基礎(chǔ)。

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