永磁机构真空断路器状态监测系统的研究

王 帅

（ 中国煤炭科工集团沈阳研究院 辽宁 抚顺 113122 ）

高压断路器，在电力系统中肩负着控制和保护的双重任务，其状态的好坏直接影响电力系统的安全运行，因此对高压断路器的状态进行相应的监测与检修是相当必要的[1]。传统的断路器检修多采用定期检修模式，然而这种方式存在着检修的周期性长和检修的盲目性的缺点，即若在检修间隔内未发生事故，丧失了预防的作用，造成了检修的不足；另外，经常对设备进行检修可能造成设备的过度检修；检修后的重新安装又为设备留下一定的安全隐患，提高了故障的可能性。因此一种全新的断路器检修理念被提出——状态检修。

状态检修是在设备不停运的情况下，根据设备运行的实时参数估计其健康状况。具有以下几个方面的优点：降低检修费用；防止恶性事故发生；防止维修过剩与不足；提高了断路器的健康水平，延长了使用寿命；减少了设备停电时间，提高了供电的可靠性。可见，高压断路器状态评估是有效进行状态维修的重要依据，是电网的安全、可靠、经济运行的基础[1-2]。

本课题组长期对永磁机构真空断路器进行研究，基于12 kV户内真空断路器设计并制造了单稳态的永磁操动机构进行了相关的联机性能试验。在此基础上，本文结合12 kV永磁机构真空断路器，设计并搭建了在线状态监测系统，完成对断路器分、合闸过程的状态采集、存储、通讯与显示等功能，为断路器的状态评估提供数据，保证断路器的健康稳定运行。

1 监测系统的设计

1.1 系统的总体结构

系统的分为传感器、信号调理单元、DSP监测单元、串口通讯单元和上位机几部分组成，其总体结构图如图1所示。永磁机构真空断路器状态监测系统通过安装在永磁机构与真空断路器相应的传感器，得到的信号经过调理电路，进入DSP为核心的中央处理单元进行相应的转换、存储和处理等功能，最终经串口通讯将得到的数据发到上位机进行相应的计算、分析及显示[3-4]。

图1 监测系统的总体结构图Fig. 1 Structure diagram of general condition monitoring system

1.2 传感器的选择

本监测系统测量项目主要包括：永磁机构分、合闸线圈电流；真空断路器动触头行程。传感器的选择作为整个监测系统的基础，它的选择直接影响着采集到的数据的准确性。同时由于永磁机构真空断路器本身结构的小巧，应该考虑到各种传感装置的安装，因此就要求选择结构紧凑、集成化的小功率的传感器，同时传感器的精度满足监测系统采样的要求。

1)精密直线位移传感器

该系统选择DHCWY50系列直线位移传感器，其主要参数如表1所示。考虑到直线位移传感器是对12 kV真空断路器动触头行程信号的采集，其动触头行程为8～12 mm，因此选用传感器量程为50 mm。通过实际测试得到传感器线性变换曲线如图2所示。由图2可知，直线位移传感器在行程0～40 mm间都具有良好的线性度，因此安装传感器时就要满足信号在这个范围内，对断路器的动触头行程信号进行准确的变换。下图为所选用的传感器及其与断路器的连接方式，本文只对断路器的中间相动触头行程进行采集。

表1 直线位移传感器主要参数Tab.1 Main parameters of linear displacement sensor

图2 传感器的线性变换曲线Fig 2 Linear transformation curve of the sensor

图3 位移传感器连接图Fig.3 Displacement sensor connection diagram

2）霍尔电流传感器

本控制器采用REHI-300A型高精度霍尔电流传感器（如图4所示）对控制回路的分、合闸电流进行实时监测。该传感器应用霍尔效应闭环补偿，具有精度高、线性度好、低温飘、快速的反应时间、频带范围宽、抗干扰能力强等优点。利用电-磁-电转换原理来构成, 将互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起,结构小巧，接线简单，使用时只需将机构线圈穿过传感器中心及可完成测量，不会影响系统的正常运行。输出为电压信号（0～4 V），经过适当的隔离放大处理然后即可接入DSP的ADC模块。

1.3 下位机监测单元的设计

下位机监测单元以采用TMS320F2812型DSP为中央处理芯片，TMS320F2812是TI公司推出的一款高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。采用哈佛总线结构，最高可在150 MHz主频下工作，片上有16路12位ADC模块（转换时间最快80 ns），ADC模块包括前端的模拟多路复用开关、采样保持器、转换器、电压稳定器等[5]。还包含2路SCI（串行通信口）、1路SPI（串行外设接口）、两个事件管理模块（EVA、EVB）等丰富外设。

监测系统硬件结构框图如图5所示。DSP通过电源模块、时钟模块及在线编程接口构建最小系统；传感器输出的2路模拟信号，经过变换和去杂等调理通过光电隔离送入ADC模块，进行数据的采集与变换功能；DSP通过外扩存储器实现对转换后的数据进行存储，并通过设置串口通信将转换结果发往上位机[6]。

图5 状态监测系统硬件结构框图Fig 5 Hardware structure diagram of condition monitoring system

2 监测系统的软件设计

2.1 下位机软件的设计

本系统下位机运用C语言完成设计，采用模块化设计原则，分别实现采集、存储和通信的功能，最终在主程序中调用实现整个系统功能。系统的主要流程图如图6所示。首先针对DSP进行初始化设置（包括系统的时钟设置和相关寄存器初始设置）；对中断功能、事件管理器及AD模块进行初始设置；以监测传感器电流信号判断断路器动作状态，进入中断处理；采集断路器动作过程中的电流信号与动触头行程信号；数据的处理、存储和通讯。

图6 主程序流程图Fig. 6 Flow chart of main program

2.2 上位机软件的设计

为方便人机交流、简化用户操作，系统采用Visual Basic 6.0语言设计了友好、简洁的用户界面。上位机界面显示主要包括两部分：一是永磁机构真空断路器状态监测实验结果显示（包括断路器状态；串口通信方式；断路器的最大分、合闸速度；平均分、合闸速度；分、合闸时间；断路器行程；分、合闸电流）；另一个是永磁机构真空断路器状态监测信号实验结果波形的显示（包括断路器分、合闸的位移——时间曲线；分、合闸电流——时间曲线）。永磁机构真空断路器合、分闸状态监测上位机显示界面如图7所示，断路器的平均分、合闸速度分别为0.8 m/s与0.5 m/s；分、合闸时间为54 ms与65 ms；断路器的电流与位移曲线平滑、连贯；准确的表征了12 kV永磁机构真空断路器的动作特性，并满足了断路器分、合闸操作的技术要求。

3 结束语

图7 断路器合、分闸上位机监测画面Fig. 7 PC monitor screen of circuit breaker and brake

文中设计了一种基于DSP和VB实现的永磁机构真空断路器状态监测系统。采用TI的TMS320LF2812作为下位机的核心，实时性好，精度高，为实验数据的采集处理提供了良好的硬件平台；上位机采用Visual Basic设计了良好的人机界面，清晰显示，提高了系统的可读性。该系统使DSP和上位机完美的融合，实现了永磁机构断路器状态监测的功能，记录了断路器操作数据并图形化显示，为断路器状态评估奠定了的基础。

[1]林莘.永磁机构与真空断路器[M]．北京：机械工业出版社，2002.

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[4]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.

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WANG Xiao-na, ZHANG Xue-peng, WANG Yan-xia. Application of data acquisition system based on DSP in experiment teaching [J].Experiment Science and Technology, 2012(4):58-59.