煤礦井下斷路器實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉生江

【摘 要】針對目前煤礦井下常見的斷路器故障及誘因，設(shè)計(jì)了一種以TMS320F2812為核心的斷路器實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理，完成了系統(tǒng)中各個功能元件與單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了軟件的預(yù)警和抗干擾控制。通過硬件與軟件的設(shè)計(jì)，保證了電氣設(shè)備中各個硬件模塊的安全性及其監(jiān)控的實(shí)時性與穩(wěn)定性，對于提升斷路器的保護(hù)能力及其可靠性有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】斷路器；實(shí)時監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；可靠性

【Abstract】According to the present common circuit breaker failure and cause of the coal mine， the real-time monitoring system was design with TMS320F2812 as the core for circuit breaker， the system principle of work was analyzed， the design of each functional components and unit in the system was completed， and the early warning and anti-interference of software control was realized. Through the control of the hardware and software， the safety of electrical equipment in each hardware module and the real-time performance and stability of the monitoring is guaranteed， which can improve the protection ability of the circuit breaker and its reliability has great significance.

【Key words】Circuit breaker； Real-time monitoring； System design； Reliability

0 引言

煤礦產(chǎn)業(yè)屬于相對特殊的行業(yè)，由于井下的工作環(huán)境存在諸多危險(xiǎn)因素，比如高溫、高濕以及高瓦斯?jié)舛鹊龋瑢?dǎo)致煤礦生產(chǎn)條件的安全系數(shù)較低。隨著煤炭需求量的逐年遞增，促使煤礦井下的作業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動化、系統(tǒng)化，同時為了保證各個電氣設(shè)備的正常工作，避免突發(fā)電力事件造成人力、物力的損失，要求斷路器實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

斷路器監(jiān)測信息需要進(jìn)行實(shí)時通訊，通訊數(shù)據(jù)包括電參數(shù)及溫度參數(shù)，及時對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，若出現(xiàn)了預(yù)設(shè)的預(yù)警條件，將會把相關(guān)信息直接發(fā)送至管理員客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)由硬件與軟件共同控制，要求其可靠性、數(shù)據(jù)檢測的實(shí)時性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性等要充分得到保證，并能夠根據(jù)用戶要求選取相關(guān)監(jiān)測參數(shù)，避免硬件工作的浪費(fèi)，為設(shè)備維修與維護(hù)提供明確的方向，從而提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低工作成本。斷路器是煤炭安全生產(chǎn)的初始保障[2]，相對于發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)斷路器實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的功能以及應(yīng)用程度還存在較大差距，但隨著硬件與軟件技術(shù)的普及，斷路器實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 斷路器故障分析

1.1 跳閘分析

（1）高溫引起斷路器跳閘

當(dāng)斷路器安裝位置的通風(fēng)散熱性不佳時，斷路器的工作溫度能夠超過70℃以上。在斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，具有兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬材料，若斷路器溫度超過一定范圍，負(fù)載保護(hù)金屬將發(fā)生不同程度的變形，正常情況下，當(dāng)電流過載時，將產(chǎn)生瞬間高溫，形成過載保護(hù)[3-4]。

（2）電機(jī)啟動過程中的斷路器跳閘

斷路器非正常跳閘的誘因主要包括機(jī)械故障與電氣控制和輔助回路故障等，其中，機(jī)械故障占總故障發(fā)生率的65%以上，比如機(jī)構(gòu)卡扣、元件變形、零件損壞、銷軸及鐵芯松動等。

1.2 故障誘因

分析斷路器機(jī)械故障的誘因主要包括以下方面：（1）內(nèi)部線圈與鐵芯的裝配精度較低，導(dǎo)致阻力過大，無法正常跳閘；（2）內(nèi)部運(yùn)動部件發(fā)生機(jī)械損壞或者較大變形，無法過載保護(hù)；（3）閥體機(jī)構(gòu)等金屬構(gòu)件發(fā)生銹蝕，銷軸松脫等。為了降低斷路器的機(jī)械故障發(fā)生率，在斷路器的生產(chǎn)及安裝時，需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。在電氣故障方面，其具體表現(xiàn)為：線圈短路、燒毀及過長時間帶電，輔助開關(guān)異常，合閘接觸器損壞，二次接線故障，電源故障等。其中，在電氣故障中由于接觸問題造成的故障較多，造成短路或者斷路，使得斷路器無法正常跳閘。

一般地，造成斷路器的錯誤動作的主要原因有：（1）元件質(zhì)量不過關(guān)，二次回路中的接線端排線受環(huán)境影響（潮濕等）導(dǎo)致絕緣能力下降，引起部分短路放電現(xiàn)象，造成斷路器誤跳閘；（2）工作電壓不穩(wěn)定，尤其在低壓工作下，容易受到外界擾動產(chǎn)生誤動作；（3）斷路器內(nèi)部的液壓構(gòu)件密封性降低，導(dǎo)致液壓油外泄無法產(chǎn)生及時的跳閘動作，或者閉鎖后無法開啟；（4）斷路器內(nèi)部的彈簧機(jī)構(gòu)尺寸調(diào)整或者設(shè)置不合理，在長時間工作下，無法讓斷路器產(chǎn)生動作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容

（1）分合閘線圈電流監(jiān)測

電磁鐵是斷路器操動機(jī)構(gòu)里面的一個重要元件，當(dāng)線圈中有電流流過時，線圈會產(chǎn)生磁通，鐵芯會在電磁力的作用下動作，接通操作回路，進(jìn)行高壓斷路器的分閘或者合閘。其實(shí)分合閘時的線圈電流信號中含有大量的信息，監(jiān)測線圈電流并觀察其波形，可以判斷線圈的電氣連續(xù)性和完整性，反映出二次回路的狀態(tài)。分合閘時的線圈電流不僅能反映出操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)，還能反映出控制閥、鏈條的工作狀態(tài)信息，比如：鐵芯行程、鐵芯有沒有卡澀等。通過分析合分閘時的線圈電流，可以了解并掌握高壓斷路器的操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，還可以據(jù)此判斷高壓斷路器是否拒跳、偷跳，并且可以分析出高壓斷路器發(fā)生故障的原因。

（2）溫度監(jiān)測

因?yàn)楦邏簲嗦菲餍枰L期通過電流。正常負(fù)荷電流，短路時很大的故障電流，而實(shí)際情況下導(dǎo)體中都是有電阻的，電流流過時會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)體的溫度會升高。在高壓斷路器的端子處，由于環(huán)境和設(shè)計(jì)、制造不當(dāng)?shù)仍颍鼈兊碾娮钑龃?，同樣溫度升高也很明顯，溫度升高會導(dǎo)致連接處的氧化程度加劇，致使接觸電阻變得更大，假如不能進(jìn)行及時處理，就會破壞期間絕緣絕緣、絕緣被擊穿等重大事故。所以為了保證斷路器可靠地工作，就要確保斷路器各部位的溫度不超過最高允許溫度。

測量溫度是比較常用的技術(shù)，難度不是很大，已經(jīng)能夠達(dá)到高精度水準(zhǔn)。目前，經(jīng)常使用的溫度檢測方法是：使用便攜式紅外測溫儀進(jìn)行測量，用紅外溫度傳感器進(jìn)行測量，熱電偶間接測量法等等。

（3）動觸頭行程監(jiān)測

動觸頭行程—時間特性是高壓斷路器重要的表現(xiàn)機(jī)械特征的參數(shù)，它可以用于斷路器分、合閘的速度的計(jì)算。斷路器觸頭的分、合閘的速度，是非常重要的參數(shù)，影響著斷路器的開斷性能，特別是分閘后以及合閘前的動觸頭速度。動觸頭速度可以通過行程—時間關(guān)系計(jì)算得到，也是斷路器在線監(jiān)測中比較重要的內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，文中高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，并進(jìn)行擴(kuò)展外圍電路，根據(jù)不同監(jiān)測參數(shù)的要求，選用不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)測，信號調(diào)理電路把采集到的信號處理后傳輸給芯片，利用系統(tǒng)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過RS485傳輸采集到的數(shù)據(jù)，由上位機(jī)顯示參數(shù)分合閘線圈電流、溫度等的數(shù)據(jù)、并將得到的數(shù)據(jù)儲存與打印出來。在外圍電路中，還根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了電源、鍵盤、開關(guān)量、顯示屏。

該系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能：（1）監(jiān)測與診斷斷路器的合分閘線圈電流；（2）監(jiān)測與診斷斷路器母排端子溫升；（3）監(jiān)測與診斷斷路器的動觸頭行程；（4）監(jiān)測與診斷開斷電流；（5）監(jiān)測開斷次數(shù)；（6）監(jiān)測三相同期性；（7）顯示斷路器的監(jiān)測參數(shù)信息；（8）統(tǒng)計(jì)、打印和數(shù)據(jù)共享功能。

3 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）傳感器選型及調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本文中是使用JT5-B磁平衡式霍爾電流傳感器進(jìn)行采集分合閘線圈電流，它能夠?qū)Σ煌ㄐ蔚碾娏鬟M(jìn)行測量，輸出端可以將輸入端的電流波形真實(shí)反映出來，把斷路器的線圈引線從霍爾傳感器的測量孔徑中穿過去，這樣便于獲得電流信號歷史記錄，還能夠避開電磁式互感器的不足，解決電磁干擾問題。

該型號傳感器的參數(shù)主要有：輸入/輸出電流的比例是500：1，響應(yīng)時間小于1μs，失調(diào)電流小于0.4mA。傳感器裝在斷路器的操作回路中，電流信號輸入到電流傳感器，在傳感器內(nèi)通過取樣電阻將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后再經(jīng)過信號調(diào)理電路傳輸?shù)紻SP中，再通過DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后再處理數(shù)據(jù)。

電流經(jīng)過JT5-B霍爾傳感器后按照一定比例被轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號，為了避免電壓信號受到后續(xù)電路的干擾，可以根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛斷”、“虛短”性質(zhì)進(jìn)行電壓跟隨器的設(shè)計(jì)，并把霍爾傳感器輸出的電壓值按一定比例縮放。調(diào)理電路如圖2所示。

因?yàn)闇囟葴y量點(diǎn)處的電位比較高，如果采用接觸式測溫的話，傳感器的供電問題是一個難題，而且高壓成分容易沿著傳輸路徑傳輸產(chǎn)生對地?fù)舸瑢?dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重故障；所以，要采用非接觸式方法進(jìn)行測量斷路器及其母排接線端子溫度。

本文選用基于紅外線輻射原理進(jìn)行溫度測量的測溫模塊，該模塊通過紅外線輻射進(jìn)行測量被測物體的溫度，在20～70℃的測量環(huán)境下，傳感器誤差不超過3℃。傳感器輸出電壓信號，在 V/F轉(zhuǎn)換后，被轉(zhuǎn)換為頻率與電壓有正比關(guān)系的數(shù)字脈沖信號，并傳輸?shù)紻SP中進(jìn)行處理，測溫元件采用TPS534型紅外溫度傳感器。

本文中選用光電式位移傳感器[5]進(jìn)行動觸頭行程的測量。需要在斷路器的操動機(jī)構(gòu)的主軸上安裝旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因?yàn)閯佑|頭行程是對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)光電編碼器的脈沖數(shù)，從而可以求解相應(yīng)特征量。如果編碼器輸出N個信號，信號間的相位差就是π/N，可計(jì)數(shù)脈沖是2N光柵數(shù)，再結(jié)合斷路器的傳動比，就能夠算出斷路器動觸頭的位移。

斷電流是監(jiān)測與預(yù)測斷路器電氣壽命的重要參考依據(jù)。本文中用霍爾電流傳感器來測量開斷電流，傳感器的輸入電流范圍是0～100A，輸出信號的范圍是-5V～+5V。傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行電流的測量的，當(dāng)一個導(dǎo)線上有電流流過時，會在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁感線，如果附近同時有霍爾傳感器，那么傳感器內(nèi)部的電子在磁通的作用下受力，會發(fā)生偏移，霍爾傳感器會輸出一個電壓信號，然后把這個信號利用放大器進(jìn)行放大，輸出的信號可以反映原邊電流。在監(jiān)測電氣壽命時，除了需要開斷電流，還需要對開斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。本文中選用硬件計(jì)數(shù)對開斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，串聯(lián)兩個74HC161，從而構(gòu)成一個256進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。利用10MHz有源晶振輸出的高速脈沖作為系統(tǒng)的外部參考頻率，并且用其求取鎖相環(huán)輸出信號的寬度，這種方法滿足能精度要求，電路圖如圖3所示。

TMS320F2812的JTAG接口需要滿足IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，它可以實(shí)時工作，即使在執(zhí)行代碼與中斷時，也可以隨時修改寄存器地址與存儲單元中的內(nèi)容。當(dāng)不與中斷服務(wù)沖突時，可以選用單步執(zhí)行程序的方式。JTAG接口電路如圖4所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）預(yù)警設(shè)計(jì)

斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與診斷功能外，還要重點(diǎn)完成保護(hù)作用，因此，文中通過軟件控制方案[6]，對預(yù)警狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行后，斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)開始監(jiān)測配電網(wǎng)參數(shù)，同時進(jìn)行預(yù)警判斷，預(yù)警的主要內(nèi)容包括：溫度預(yù)警、電流信號越線預(yù)警、三相電壓不平衡預(yù)警等。通過程序控制觸發(fā)預(yù)警窗口，并發(fā)出音頻警告，比如溫度預(yù)警控制，其工作流程如圖5所示。首先，系統(tǒng)要檢驗(yàn)DS18B20數(shù)字傳感器的存在，即初始化，初始化完成后，發(fā)送跳過ROM指令，然后發(fā)送讀取暫存器指令，并向DS18B20發(fā)送復(fù)位脈沖，DS18B20接收信號以后開始記錄溫度值，最后通過CRC校驗(yàn)得出最終準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在通訊端口設(shè)置通信口和波特率、停止位長度等參數(shù)信息，控制串口的關(guān)、閉屬性，通過溫度報(bào)表管理模塊處理并顯示測量數(shù)據(jù)的圖表或曲線。

（2）抗干擾設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的單次監(jiān)測中，出現(xiàn)的隨機(jī)誤差并沒有規(guī)律可言，但是監(jiān)測次數(shù)較多時，數(shù)據(jù)中的誤差將按照正態(tài)規(guī)律分布，因此，在采用周期內(nèi)，信號參數(shù)所經(jīng)歷的檢測次數(shù)越多，隨機(jī)誤差越容易處理和消除。一般地，消除隨機(jī)誤差較為常見的方法為算數(shù)平均法，即算數(shù)平均濾波，采用次數(shù)能夠直接決定該方法對干擾信號處理的平滑度，采樣次數(shù)越多，則能夠?yàn)V除的干擾信號越多，但是容易導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度下降。因此，在實(shí)際工作條件下，需要綜合考慮兩方面因素，適當(dāng)選取采樣次數(shù)，確保能夠在盡量少的采樣次數(shù)下獲取較好的濾波效果。

在抗干擾處理中，錯誤信息的消除是非常關(guān)鍵的。一般地，錯誤信息的來源主要為狀態(tài)信息變位信號的失真。若不能被及時發(fā)現(xiàn)并消除，將帶給管理員諸多錯誤信息，誤導(dǎo)錯誤指令，嚴(yán)重時造成一定的事故。

（3）通訊設(shè)計(jì)

文中系統(tǒng)采用GPRS通訊，通過網(wǎng)絡(luò)短信，將監(jiān)測系統(tǒng)與下位機(jī)進(jìn)行連接，完成系統(tǒng)高效控制。GPRS模塊通過串口連接，接收和發(fā)送需要解碼的信息?？啬K中發(fā)出的數(shù)據(jù)信息將通過串口進(jìn)行CMGS判斷，當(dāng)判斷出回執(zhí)時，則表示發(fā)送成功，若未出現(xiàn)回執(zhí)，則進(jìn)行錯誤驗(yàn)證，最終返回錯誤代碼。整個過程保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕軌驅(qū)崿F(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性。

4 結(jié)論

斷路器是煤礦生產(chǎn)中電力系統(tǒng)中的重要組成元件，它的可靠性對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性而言非常重要。本文利用DSP的TMS320F2812芯片設(shè)計(jì)了一個高壓斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對分合閘回路電流、動觸頭行程監(jiān)測，分別完成系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可靠性好，穩(wěn)定性高，對于煤礦井下的安全生產(chǎn)有著重要的意義。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]