真空断路器在线监测系统设计

田晓霄，李水清，李莉，方临川，尹雁姝

(正泰电气股份有限公司，上海 201610)

0 引言

断路器是一种能够关合、承载、开断正常工作电流和故障工作电流的开关装置。断路器在电力系统中有着控制和保护的双重任务，既能根据电网的需要投切电力设备和线路，也能在电力设备或者线路发生故障时迅速切除故障部分，以保证电网正常可靠运行，一旦它发生故障，造成的经济损失远远超过其本身的价值，为此国内外都在致力于断路器在线监测的研究和开发[1－2]。

目前，断路器在线监测的研究和开发，国外具有代表性的监测系统主要有美国Hathway公司开发的BCM200断路器状态监测系统，美国德克萨斯电力公司的便携式断路器分析仪，ABB公司开发的SF6断路器状态监测系统，日本东京电力公司和东芝公司联合开发的GIS在线监测诊断系统等[2－3]。国内的主要产品有宁波理工监测设备有限公司的WDJC系列断路器在线监测产品，西安实达电力设备厂的 KJTC系列开关机械特性测试仪以及上海南华兰陵电气有限公司的VS1智能型户内中压真空断路器。

现有的断路器在线监测技术局限于研究一种在线监测的装置，而不是将监测单元嵌入到断路器装置中，监测量单一，采用的分析方法较少，难以实现断路器在线监测的智能化。针对以上不足，笔者应用嵌入式技术，采集断路器的电参量、机械特性、温度参量实现断路器的智能测量、智能控制、智能诊断功能。

1 在线监测特征量的提取

对真空断路器在线监测项目，主要监测断路器的机械特性、触头温升和分合闸回路。

对于真空断路器机械特性的监测，主要包括:合闸时间、分闸时间、合闸平均速度、分闸平均速度、开距、超行程[4－5]。测量断路器机械特性最直接的办法是在动触头或触头的绝缘拉杆下安装直线位移传感器。但由于45kV以下电压等级的中压断路器，结构非常紧凑，难以在动触头和绝缘拉杆附近安装传感器，而且装在动触头处的传感器还存在高电位隔离问题。考虑到断路器动触头在分合闸过程中，运动行程规律与主轴连动杆运动行程规律之间有着固定的联系，因此通过在主轴上安装角位移传感器测量断路器主轴的分合闸角位移得到，角位移，——时间曲线，间接得到动触头的直线位移——时间曲线。笔者选用的位移传感器是导电塑料位移传感器WDD35D1，线性度达到0.1%。

针对真空断路器触头温升的测量，采用型号为HLPT－S1无线温度传感器，该传感器采用测温、信号调理和供电转换一体化设计，检测范围可达 －55℃ ～+125℃，AD检测精度高达±0.5℃。此外，该温度传感器外置天线和感温探头，发射距离可达300 M，将其感温探头安装在断路器梅花探头之内。

分合闸回路监测项目包括合闸电流、分闸电流、储能电机电流、电压的监测[6－7]。霍尔传感器精度较高，线性度好，电气性能和动态性能都比较好，因此选择霍尔传感器采集分合闸回路参数，型号为YDG－HSD。该传感器采用磁场平衡原理，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，即被测电流在聚磁环所产生的磁场，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。此外，该传感器体积小，安装于真空断路器中不会对断路器运行造成影响。

2 在线监测系统总体设计

在线监测系统主要分为五大部分:信号采集、信号调理、状态分析、数据存储和人机界面。监测系统从传感器获取信号之后经过下位机处理通过串行通讯总线485传给上位机，由上位机实现数据的存储和显示。其中获取机械特性参数的位移传感器直接安装于断路器主轴上，随同主轴转动获得行程位移曲线，获取电压电流的霍尔器件焊接在控制电路板上，总体方案如图1所示。

图1 在线监测系统总体设计框图

3 在线监测系统硬件设计

硬件实现电路主要由信号采集和数据处理模块、自生电源和外部电源控制模块、RS485通信模块、显示模块等组成。设计中采用相关的传感器将机械特征参量、电压电流信号转换为数字电路和DSP可处理的电平信号，经过模拟信号调理电路(隔离、滤波、放大等)转换为0～5 V的电压信号送入DSP，DSP自带的A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号，供DSP进行逻辑运算和处理。然后将处理后的数据应用RS485串行通信总线传输给以ARM为核心的上位机系统，上位机实现断路器在线监测与故障综合诊断，并实现人机交互进行数据的存储和显示。DSP芯片选用美国TI公司生产的高性能数字信号处理器TMS320F2812[8－10]芯片。采用Atmel公司的 ATglSAM9263。采用SCI串口通讯，通讯格式遵循Modbus通讯协议，整个系统实现如图2所示。

图2 在线监测系统硬件实现

3.1 信号调理电路

采用霍尔传感器采集电流信号，经过电压跟随器后转换为电压信号输出，途中C1、C2两个电容并联起到消除噪声的作用，经运算放大器将信号放大，使输出信号在0 V～5 V之内，用一个RC滤波器滤除高频和低频噪声，送入到DSP中。

图3 电流信号调理电路

3.2 电源电路的设计

TMS320X2812正常工作时所要求的电压分为两个部分:内核电压为1.8 V;Flash和I/O接口电压为3.3 V。因此选用电压精度比较高的TPS767D301芯片，该芯片输入电压为+5 V，输出电压分为两路:一路为稳定的3.3 V;一路为可调的1.5 V～5.5 V，供DSP芯片使用，图4为设计的电路图。上位机的电源、时钟回路跟DSP的类似。

图4 电源产生电路

3.3 通讯电路

采用RS485实现上下位机的通讯，通讯芯片采用AXIM公司生产的 MAX485，其传输速率可达 2.5 Mbps，总线上可挂接的节点数为32个。为了将DSP与传输芯片MAX485之间很好的隔离，在DSP与 MAX485间加入了高速光电隔离器 6N137，该电路中采用两套电源，既实现了 DSP与 RS485之间的电平转换，又使它们之间相互隔离，保护 DSP不因传输线上可能遭受的高压静电等干扰而出现“死机”现象。

4 在线监测系统软件设计

系统软件设计配合硬件系统实现断路器触头温升、机械特性以及分合闸回路的监测，其程序流程如图6所示。

软件系统主要完成系统的初始化、信号的提取以及数据处理、监测信息的显示和通信上传等功能。当接到手动操作指令合分指示时DSP进入主循环，启动分合闸子程序完成断路器的动作，然后提取数据特征量进行数据的处理以及显示。

5 试验数据

将该在线监测装置安装于正泰生产的VS1型12kV的真空断路器上进行实验，系统在调试过程中，分别对触头温度、分合闸回路电参数、机械特性参数三个方面的功能监测进行了试验对比。表1为测温系统与热电偶试验结果对比。

表1 触头温度试验结果

对于分合闸回路电参数的验证，试验过程中采用示波器与监测系统测试数据进行了对比分析，试验结果见表2所示。

表2 分合闸回路电参数试验结果

对于该断路器机械特性的测试，采用西高所机械特性测试仪与监测系统进行了对比分析，试验结果见表3所示。

表3 机械特性试验结果

从上面的数据可以看出，断路器在线监测系统在温度、机械特性、分合闸回路三方面的监测功能误差较小，基本反映实际情况，有效的实现了其监测目标。

6 结束语

基于DSP和ARM的硬件架构，开发了具有模块化硬件平台和柔性化软件结构的分布式真空断路器在线监测系统，系统采用无线测温技术，机械特性监测技术以及触摸显示技术，方便安装与操作。通过多次的分合闸实验调试，实验结果稳定可靠，能够真实反映断路器运行状态，并且达到了预期的功能。

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