煤矿井下断路器实时监测系统设计

刘生江

【摘 要】针对目前煤矿井下常见的断路器故障及诱因，设计了一种以TMS320F2812为核心的断路器实时监测系统，分析了系统的工作原理，完成了系统中各个功能元件与单元的设计，并实现了软件的预警和抗干扰控制。通过硬件与软件的设计，保证了电气设备中各个硬件模块的安全性及其监控的实时性与稳定性，对于提升断路器的保护能力及其可靠性有着重要的意义。

【关键词】断路器；实时监测；系统设计；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

煤矿产业属于相对特殊的行业，由于井下的工作环境存在诸多危险因素，比如高温、高湿以及高瓦斯浓度等，导致煤矿生产条件的安全系数较低。随着煤炭需求量的逐年递增，促使煤矿井下的作业逐渐实现了机械化、自动化、系统化，同时为了保证各个电气设备的正常工作，避免突发电力事件造成人力、物力的损失，要求断路器实时监测系统具有很强的稳定性和可靠性[1]。

断路器监测信息需要进行实时通讯，通讯数据包括电参数及温度参数，及时对上传的数据进行分析及处理，若出现了预设的预警条件，将会把相关信息直接发送至管理员客户端，实现远程控制。系统由硬件与软件共同控制，要求其可靠性、数据检测的实时性、准确性以及稳定性等要充分得到保证，并能够根据用户要求选取相关监测参数，避免硬件工作的浪费，为设备维修与维护提供明确的方向，从而提高设备运行效率，降低工作成本。断路器是煤炭安全生产的初始保障[2]，相对于发达国家，国内断路器实时监测系统的功能以及应用程度还存在较大差距，但随着硬件与软件技术的普及，断路器实时监测系统具有良好的发展和应用前景。

1 断路器故障分析

1.1 跳闸分析

（1）高温引起断路器跳闸

当断路器安装位置的通风散热性不佳时，断路器的工作温度能够超过70℃以上。在断路器内部结构中，具有两种不同热膨胀系数的金属材料，若断路器温度超过一定范围，负载保护金属将发生不同程度的变形，正常情况下，当电流过载时，将产生瞬间高温，形成过载保护[3-4]。

（2）电机启动过程中的断路器跳闸

断路器非正常跳闸的诱因主要包括机械故障与电气控制和辅助回路故障等，其中，机械故障占总故障发生率的65%以上，比如机构卡扣、元件变形、零件损坏、销轴及铁芯松动等。

1.2 故障诱因

分析断路器机械故障的诱因主要包括以下方面：（1）内部线圈与铁芯的装配精度较低，导致阻力过大，无法正常跳闸；（2）内部运动部件发生机械损坏或者较大变形，无法过载保护；（3）阀体机构等金属构件发生锈蚀，销轴松脱等。为了降低断路器的机械故障发生率，在断路器的生产及安装时，需要进行反复调试。在电气故障方面，其具体表现为：线圈短路、烧毁及过长时间带电，辅助开关异常，合闸接触器损坏，二次接线故障，电源故障等。其中，在电气故障中由于接触问题造成的故障较多，造成短路或者断路，使得断路器无法正常跳闸。

一般地，造成断路器的错误动作的主要原因有：（1）元件质量不过关，二次回路中的接线端排线受环境影响（潮湿等）导致绝缘能力下降，引起部分短路放电现象，造成断路器误跳闸；（2）工作电压不稳定，尤其在低压工作下，容易受到外界扰动产生误动作；（3）断路器内部的液压构件密封性降低，导致液压油外泄无法产生及时的跳闸动作，或者闭锁后无法开启；（4）断路器内部的弹簧机构尺寸调整或者设置不合理，在长时间工作下，无法让断路器产生动作。

2 系统总体设计

2.1 系统主要监测内容

（1）分合闸线圈电流监测

电磁铁是断路器操动机构里面的一个重要元件，当线圈中有电流流过时，线圈会产生磁通，铁芯会在电磁力的作用下动作，接通操作回路，进行高压断路器的分闸或者合闸。其实分合闸时的线圈电流信号中含有大量的信息，监测线圈电流并观察其波形，可以判断线圈的电气连续性和完整性，反映出二次回路的状态。分合闸时的线圈电流不仅能反映出操动机构的运动状态，还能反映出控制阀、链条的工作状态信息，比如：铁芯行程、铁芯有没有卡涩等。通过分析合分闸时的线圈电流，可以了解并掌握高压断路器的操动机构的运行状态，还可以据此判断高压断路器是否拒跳、偷跳，并且可以分析出高压断路器发生故障的原因。

（2）温度监测

因为高压断路器需要长期通过电流。正常负荷电流，短路时很大的故障电流，而实际情况下导体中都是有电阻的，电流流过时会产生热量，导体的温度会升高。在高压断路器的端子处，由于环境和设计、制造不当等原因，它们的电阻会增大，同样温度升高也很明显，温度升高会导致连接处的氧化程度加剧，致使接触电阻变得更大，假如不能进行及时处理，就会破坏期间绝缘绝缘、绝缘被击穿等重大事故。所以为了保证断路器可靠地工作，就要确保断路器各部位的温度不超过最高允许温度。

测量温度是比较常用的技术，难度不是很大，已经能够达到高精度水准。目前，经常使用的温度检测方法是：使用便携式红外测温仪进行测量，用红外温度传感器进行测量，热电偶间接测量法等等。

（3）动触头行程监测

动触头行程—时间特性是高压断路器重要的表现机械特征的参数，它可以用于断路器分、合闸的速度的计算。断路器触头的分、合闸的速度，是非常重要的参数，影响着断路器的开断性能，特别是分闸后以及合闸前的动触头速度。动触头速度可以通过行程—时间关系计算得到，也是断路器在线监测中比较重要的内容。

2.2 系统工作原理

如图1所示，文中高压断路器在线监测系统以TMS320F2812为核心，并进行扩展外围电路，根据不同监测参数的要求，选用不同的传感器进行监测，信号调理电路把采集到的信号处理后传输给芯片，利用系统内部的A/D转换器进行模数转换，再通过RS485传输采集到的数据，由上位机显示参数分合闸线圈电流、温度等的数据、并将得到的数据储存与打印出来。在外围电路中，还根据实际需要设计了电源、键盘、开关量、显示屏。

该系统所能实现的功能：（1）监测与诊断断路器的合分闸线圈电流；（2）监测与诊断断路器母排端子温升；（3）监测与诊断断路器的动触头行程；（4）监测与诊断开断电流；（5）监测开断次数；（6）监测三相同期性；（7）显示断路器的监测参数信息；（8）统计、打印和数据共享功能。

3 系统硬件与软件设计

3.1 硬件设计

（1）传感器选型及调理电路设计

本文中是使用JT5-B磁平衡式霍尔电流传感器进行采集分合闸线圈电流，它能够对不同波形的电流进行测量，输出端可以将输入端的电流波形真实反映出来，把断路器的线圈引线从霍尔传感器的测量孔径中穿过去，这样便于获得电流信号历史记录，还能够避开电磁式互感器的不足，解决电磁干扰问题。

该型号传感器的参数主要有：输入/输出电流的比例是500：1，响应时间小于1μs，失调电流小于0.4mA。传感器装在断路器的操作回路中，电流信号输入到电流传感器，在传感器内通过取样电阻将信号转换为电压信号，然后再经过信号调理电路传输到DSP中，再通过DSP内部的模数转换器把模拟信号转换为数字信号，最后再处理数据。

电流经过JT5-B霍尔传感器后按照一定比例被转换为对应的电压信号，为了避免电压信号受到后续电路的干扰，可以根据运算放大器的“虚断”、“虚短”性质进行电压跟随器的设计，并把霍尔传感器输出的电压值按一定比例缩放。调理电路如图2所示。

因为温度测量点处的电位比较高，如果采用接触式测温的话，传感器的供电问题是一个难题，而且高压成分容易沿着传输路径传输产生对地击穿，导致发生严重故障；所以，要采用非接触式方法进行测量断路器及其母排接线端子温度。

本文选用基于红外线辐射原理进行温度测量的测温模块，该模块通过红外线辐射进行测量被测物体的温度，在20～70℃的测量环境下，传感器误差不超过3℃。传感器输出电压信号，在 V/F转换后，被转换为频率与电压有正比关系的数字脉冲信号，并传输到DSP中进行处理，测温元件采用TPS534型红外温度传感器。

本文中选用光电式位移传感器[5]进行动触头行程的测量。需要在断路器的操动机构的主轴上安装旋转光电编码器，因为动触头行程是对应于旋转光电编码器的脉冲数，从而可以求解相应特征量。如果编码器输出N个信号，信号间的相位差就是π/N，可计数脉冲是2N光栅数，再结合断路器的传动比，就能够算出断路器动触头的位移。

断电流是监测与预测断路器电气寿命的重要参考依据。本文中用霍尔电流传感器来测量开断电流，传感器的输入电流范围是0～100A，输出信号的范围是-5V～+5V。传感器是利用霍尔效应进行电流的测量的，当一个导线上有电流流过时，会在导线周围产生磁感线，如果附近同时有霍尔传感器，那么传感器内部的电子在磁通的作用下受力，会发生偏移，霍尔传感器会输出一个电压信号，然后把这个信号利用放大器进行放大，输出的信号可以反映原边电流。在监测电气寿命时，除了需要开断电流，还需要对开断次数进行计数。本文中选用硬件计数对开断次数进行计数，串联两个74HC161，从而构成一个256进制的计数器。利用10MHz有源晶振输出的高速脉冲作为系统的外部参考频率，并且用其求取锁相环输出信号的宽度，这种方法满足能精度要求，电路图如图3所示。

TMS320F2812的JTAG接口需要满足IEEE1149.1标准，它可以实时工作，即使在执行代码与中断时，也可以随时修改寄存器地址与存储单元中的内容。当不与中断服务冲突时，可以选用单步执行程序的方式。JTAG接口电路如图4所示。

3.2 软件设计

（1）预警设计

断路器在线监测与故障诊断系统除了实现监测与诊断功能外，还要重点完成保护作用，因此，文中通过软件控制方案[6]，对预警状态进行设计。系统运行后，断路器在线监测与故障诊断系统开始监测配电网参数，同时进行预警判断，预警的主要内容包括：温度预警、电流信号越线预警、三相电压不平衡预警等。通过程序控制触发预警窗口，并发出音频警告，比如温度预警控制，其工作流程如图5所示。首先，系统要检验DS18B20数字传感器的存在，即初始化，初始化完成后，发送跳过ROM指令，然后发送读取暂存器指令，并向DS18B20发送复位脉冲，DS18B20接收信号以后开始记录温度值，最后通过CRC校验得出最终准确的测量数据。系统在通讯端口设置通信口和波特率、停止位长度等参数信息，控制串口的关、闭属性，通过温度报表管理模块处理并显示测量数据的图表或曲线。

（2）抗干扰设计

数据采集的单次监测中，出现的随机误差并没有规律可言，但是监测次数较多时，数据中的误差将按照正态规律分布，因此，在采用周期内，信号参数所经历的检测次数越多，随机误差越容易处理和消除。一般地，消除随机误差较为常见的方法为算数平均法，即算数平均滤波，采用次数能够直接决定该方法对干扰信号处理的平滑度，采样次数越多，则能够滤除的干扰信号越多，但是容易导致系统灵敏度下降。因此，在实际工作条件下，需要综合考虑两方面因素，适当选取采样次数，确保能够在尽量少的采样次数下获取较好的滤波效果。

在抗干扰处理中，错误信息的消除是非常关键的。一般地，错误信息的来源主要为状态信息变位信号的失真。若不能被及时发现并消除，将带给管理员诸多错误信息，误导错误指令，严重时造成一定的事故。

（3）通讯设计

文中系统采用GPRS通讯，通过网络短信，将监测系统与下位机进行连接，完成系统高效控制。GPRS模块通过串口连接，接收和发送需要解码的信息。控模块中发出的数据信息将通过串口进行CMGS判断，当判断出回执时，则表示发送成功，若未出现回执，则进行错误验证，最终返回错误代码。整个过程保证了数据传输的可靠性，能够实现监测数据的安全性。

4 结论

断路器是煤矿生产中电力系统中的重要组成元件，它的可靠性对电力系统的稳定性而言非常重要。本文利用DSP的TMS320F2812芯片设计了一个高压断路器在线监测与故障诊断系统，实现了对分合闸回路电流、动触头行程监测，分别完成系统的硬件与软件设计。该系统可靠性好，稳定性高，对于煤矿井下的安全生产有着重要的意义。

【参考文献】

[1]徐建峰，黄瑜珑，徐国政.高压断路器行程特性监测方法的研究[J].高压电器，2001，37（1）：10-13.

[2]郎福成，徐建源，林萃.真空断路器机械特性的在线监测[J].东北电力技术，2005，26（l）：12-15.

[3]关永刚，黄瑜珑，钱家骊.真空断路器电磨损监测技术的改进[J].高压电器，2001，37（4）：1-3.

[4]林功平，徐石明，罗剑波.配电自动化终端技术分析[J].电力系统自动化，2003， 27（12）：59-63.

[5]吕一航，李静，戴怀志，成永红，赵勇，贾申利，荣命哲.高压断路器综合在线监测系统的研制[J].中国电力，2004，37（3）：68-71.

[6]刘全志，师明义.高压断路器在线状态检测与诊断技术[J].高电压技术.2004，27（05）：29-31.

[责任编辑：杨玉洁]