高壓斷路器機(jī)械特性檢測(cè)裝置的研究

郭皎，王毅，張明志

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，在電站中數(shù)量多、投資大，其性能可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。斷路器的可靠性在很大程度上取決于其機(jī)械操動(dòng)系統(tǒng)的可靠性[4]。在高壓斷路器故障中，機(jī)械故障（包括操縱機(jī)構(gòu)和控制回路）占全體故障的80%以上，其他滅弧、絕緣故障則占比較小，發(fā)熱故障比例更低[5-7]。因此，產(chǎn)品出廠檢修和用戶檢修試驗(yàn)都把機(jī)械特性參數(shù)的測(cè)試作為重要試驗(yàn)項(xiàng)目。斷路器機(jī)械特性檢測(cè)裝置的發(fā)展經(jīng)歷了電秒表、故障測(cè)試儀、滾筒測(cè)試儀、微分電路式測(cè)試儀、光電計(jì)數(shù)式機(jī)械特性測(cè)試儀、電磁振蕩器、多線示波器以及高速攝像檢測(cè)儀等多種類型[8]。發(fā)展到現(xiàn)在的以DSP技術(shù)為基礎(chǔ)的微機(jī)型機(jī)械特性檢測(cè)裝置，其檢測(cè)原理和方法都有了很大的改進(jìn)。隨著信號(hào)處理技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及測(cè)量手段的發(fā)展和《交流斷路器》國家標(biāo)準(zhǔn)的更新與執(zhí)行，科研單位和生產(chǎn)廠家對(duì)機(jī)械特性檢測(cè)裝置提出了新的要求，需要將斷路器的整個(gè)行程曲線、電流曲線和斷口狀態(tài)等信息顯示出來；需要更加注重機(jī)械運(yùn)動(dòng)的全過程，而不只是得到機(jī)械參量的計(jì)算結(jié)果；需要具備較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量以便獲得足夠的數(shù)據(jù)積累進(jìn)行故障診斷分析；需要更高的性價(jià)比和適應(yīng)性[9-14]。

文中所述斷路器機(jī)械特性檢測(cè)裝置主要對(duì)斷路器的分合閘操動(dòng)過程和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，包括分合閘線圈電流信號(hào)、動(dòng)觸頭行程特性以及斷口狀態(tài)。通過所采集信號(hào)得出分合閘同期性、分合閘時(shí)間、分合閘速度等結(jié)果，為進(jìn)一步故障診斷和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

高壓斷路器機(jī)械特性檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。測(cè)試過程中，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)裝置相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及修改，向被測(cè)試斷路器發(fā)送分合閘指令。當(dāng)檢測(cè)裝置接到指令后，通過控制器和驅(qū)動(dòng)電路對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘操作，同時(shí)利用霍爾電流傳感器、位移傳感器和開關(guān)量采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)械特性模擬量和開關(guān)量信號(hào)的采集。所采集的分合閘電流信號(hào)、行程位移信號(hào)和各觸點(diǎn)開合信號(hào)通過調(diào)理電路、光電隔離電路送入到DSP主控模塊，再經(jīng)串口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，繪制參數(shù)曲線，計(jì)算得到檢測(cè)結(jié)果，并進(jìn)行存儲(chǔ)和打印，完成斷路器的檢測(cè)。

圖1 檢測(cè)裝置總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)及主要功能電路

基于檢測(cè)裝置的功能要求，對(duì)其硬件電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主控模塊、電源模塊、電流信號(hào)采集模塊、行程位移信號(hào)采集模塊、斷口狀態(tài)采集模塊、分合閘信號(hào)輸出模塊和串口通訊模塊。其中主控模塊包括DSP芯片、30 MHz晶振、復(fù)位電路、JTAG仿真接口和外擴(kuò)256 K×16 bit RAM。核心處理器采用TMS320F28335 DSP芯片，片上外設(shè)豐富，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換，最高采樣率達(dá)6.25Msps。上位機(jī)為PC機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用RS232進(jìn)行串口通信。

2.1 分合閘線圈電流采集模塊

斷路器分合閘線圈電流含有豐富信息，通過對(duì)線圈電流信號(hào)的采集記錄電流—時(shí)間特性曲線，能夠計(jì)算出線圈通電時(shí)間、鐵心啟動(dòng)及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等參數(shù)，反映操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，可以分析出鐵心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有無卡滯、脫扣、釋放、機(jī)械負(fù)載變動(dòng)等情況[15]。分合閘線圈電流信號(hào)通過LA58-P型霍爾電流傳感器檢測(cè)，變比為1：1 000，其信號(hào)采集電路如圖2所示。斷路器分合閘線圈的電流信號(hào)經(jīng)電流傳感器由大電流轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，經(jīng)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)鉗位保護(hù)電路傳入DSP的模擬量采集通道，實(shí)現(xiàn)線圈電流信號(hào)采集。

圖2 線圈電流采集電路

2.2 行程位移信號(hào)采集模塊

斷路器依靠其動(dòng)觸頭的位移來實(shí)現(xiàn)分合閘，通過對(duì)動(dòng)觸頭位移信號(hào)的采集記錄其行程—時(shí)間曲線，進(jìn)而提取斷路器多種機(jī)械特性參數(shù)，如行程、超程、分合閘時(shí)間、剛分剛合速度、有無彈跳等，還可據(jù)此繪制動(dòng)觸頭速度—時(shí)間曲線。位移信號(hào)通過位移傳感器檢測(cè)，文中選用意大利GEFRAN直線位移式傳感器，測(cè)量范圍0～50 mm，可將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，能夠真實(shí)反應(yīng)行程特性。位移信號(hào)采集調(diào)理電路如圖3所示。信號(hào)經(jīng)限壓保護(hù)電路和二階有源低通濾波電路后進(jìn)入DSP的AD采樣通道，采樣率為10 kHz。

圖3 位移信號(hào)采集電路

2.3 斷口狀態(tài)輸入模塊

本檢測(cè)裝置在一定采樣頻率下對(duì)斷路器各觸點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采樣，通過記錄各端口的跳變時(shí)刻可計(jì)算得出分合閘時(shí)間的同期性。為確保準(zhǔn)確采集狀態(tài)信號(hào)，且設(shè)備不受過高感應(yīng)電壓的干擾和損害，斷口狀態(tài)信號(hào)與DSP GPIO輸入引腳之間應(yīng)進(jìn)行光電隔離，由光電耦合器件4N25實(shí)現(xiàn)。斷路器3個(gè)動(dòng)觸頭和1個(gè)輔助觸點(diǎn)通過光耦分別與DSP28335上的4路GPIO引腳相連。當(dāng)觸點(diǎn)改變開關(guān)狀態(tài)時(shí)，GPIO采集到的高低電平狀態(tài)也隨之改變。以A相動(dòng)觸頭為例，其連接電路如圖4所示，其他斷口連接電路與之類似。

圖4 開關(guān)量輸入電路

2.4 分合閘信號(hào)輸出模塊

斷路器檢測(cè)裝置主控模塊DSP的GPIO0引腳通過操作輸出電路與斷路器分合閘脫扣線圈相連。操作輸出電路如圖5所示。其中光電耦合器件采用與開關(guān)量輸入電路同型號(hào)的4N25光耦，實(shí)現(xiàn)DSP與現(xiàn)場(chǎng)的電氣隔離，防止電磁干擾。以合閘操作為例，當(dāng)控制器接到合閘命令時(shí)，觸發(fā)GPIO引腳輸出低電平，與直流3.3 V電壓形成壓差，二極管和光耦導(dǎo)通，脫扣電源+通過R12、R3、R4接通，觸發(fā)20N60S5導(dǎo)通，脫扣線圈得電使斷路器合閘。當(dāng)進(jìn)行分閘操作時(shí)，引腳輸出分閘信號(hào)，脫扣裝置釋放分閘彈簧儲(chǔ)存的能量使斷路器分閘。

圖5 操作輸出電路

3 軟件開發(fā)

檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)，將DSP與PC機(jī)相結(jié)合，既可以利用DSP高速數(shù)據(jù)采集與靈活控制的功能，又能發(fā)揮上位機(jī)虛擬儀器強(qiáng)大的計(jì)算與顯示功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的采集、處理和監(jiān)控，確保了良好的人機(jī)界面交互性。

3.1 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，采用虛擬儀器的基本思想，通過圖形化語言編程。采用虛擬儀器編程技術(shù)可使系統(tǒng)的界面更加形象，系統(tǒng)的互換性和互操作性顯著提高。系統(tǒng)運(yùn)行主界面如圖6所示，操作按鍵簡(jiǎn)潔明了，各檢測(cè)參數(shù)和試驗(yàn)波形均在同一個(gè)界面顯示。

上位機(jī)軟件系統(tǒng)由通訊模塊、測(cè)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、結(jié)果顯示模塊和幫助6部分組成。其中，通訊模塊遵循異步串行通信協(xié)議，接收下位機(jī)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼分析。測(cè)控模塊通過操作按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)分閘、合閘、循環(huán)檢測(cè)等操作命令信號(hào)的觸發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)打印3部分，數(shù)據(jù)回放可再現(xiàn)歷史波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊將上位機(jī)接收到的十六進(jìn)制數(shù)字量進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換成其所對(duì)應(yīng)的模擬量和開關(guān)量，并通過計(jì)算的到斷路器相關(guān)機(jī)械參數(shù)的值，數(shù)據(jù)處理算法通過在LabVIEW公式節(jié)點(diǎn)中嵌入C語言編程實(shí)現(xiàn)。結(jié)果顯示模塊包括測(cè)試波形、觸點(diǎn)狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的顯示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序以CCS軟件為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編程。主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集和測(cè)控功能。程序流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后程序進(jìn)入初始化階段，在完成各功能模塊設(shè)置后進(jìn)入程序主循環(huán)，循環(huán)等待上位機(jī)通過串口發(fā)送的指令，在接收到上位機(jī)指令后判斷指令內(nèi)容，如果不是分合閘指令則返回指令內(nèi)部并再次等待新指令；若是分合閘指令則向下執(zhí)行采樣程序，首先使能ADC模塊，啟動(dòng)采樣，每組數(shù)據(jù)中包括分合閘線圈電流信號(hào)、動(dòng)觸頭行程位移信號(hào)、觸點(diǎn)開合信號(hào)。為使數(shù)據(jù)方便處理且出圖美觀，需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)采樣，預(yù)采樣后結(jié)合當(dāng)前分合閘信息執(zhí)行分合閘觸發(fā)指令，之后繼續(xù)采樣，采滿1 500組數(shù)據(jù)（150 ms數(shù)據(jù)）后禁止ADC模塊，停止采樣。因串口上傳速度有限，將有效數(shù)據(jù)緩存至外擴(kuò)RAM中，后通過SCI子程序上傳至上位機(jī)。

圖7 DSP程序流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)一臺(tái)ZW-12/D630-20高壓永磁真空斷路器進(jìn)行機(jī)械特性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1，圖8所示。圖8給出了分閘、合閘試驗(yàn)過程中三相分合閘線圈電流、開關(guān)行程、斷口狀態(tài)曲線（為使顯示清晰，只截取部分時(shí)間段）?？梢钥闯?，三相觸頭在合、分閘時(shí)均存在不同步現(xiàn)象，但分、合閘同期性均小于額定頻率的1/4周波，滿足GB1984-2014《交流高壓斷路器》的相關(guān)規(guī)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷路器機(jī)械特性的檢測(cè)。

表1 斷路器檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了下位機(jī)信號(hào)檢測(cè)單元、外圍接口等電路，通過光電隔離實(shí)現(xiàn)了抗干擾設(shè)計(jì)，提高了檢測(cè)單元工作的電磁兼容性。上位機(jī)軟件人機(jī)交互界面友好，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和顯示功能。檢測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的參考價(jià)值。

圖8 分閘、合閘檢測(cè)試驗(yàn)波形

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