高压断路器操作弹簧应力检测系统的研究

2016-09-27广西电网有限责任公司桂林供电局彭彦军腾本科董海亮

电子世界 2016年16期

广西电网有限责任公司桂林供电局　彭彦军　腾本科　文　靖　董海亮

高压断路器操作弹簧应力检测系统的研究

广西电网有限责任公司桂林供电局彭彦军腾本科文靖董海亮

高压断路器操作弹簧应力失效将导致断路器分合闸速度不合格或分合闸时间超标，严重影响设备和电网的安全稳定运行。为准确判断高压断路器弹簧应力变化，设计了一种高压断路器操作弹簧应力检测系统。结果表明，该系统能实时快速的检测出操作弹簧的应力特性，判断出弹簧性能。

高压断路器；弹簧失效；应力；判定

1　引言

本文设计了一种高压断路器操作弹簧应力离线检测系统，协助现场工作人员快速找出操作弹簧的隐形隐患，提高设备及电网的可靠性。该实时检测系统主要包括信号采集单元、DSP芯片、可编程逻辑器件CPLD芯片、参数存储电路等，采用CPLD芯片协助DSP芯片控制外设，通过DSP芯片对实时系统进行检测和数据处理，经过串口 RS-232总线同上位PC机通信，将DSP芯片检测的数据传送到PC机，PC机进行后续数据分析，快速的判定弹簧失效。

2　高压断路器操作弹簧应力检测系统结构及原理

2.1整体结构

高压断路器操作弹簧实时检测系统结构如图1所示，主要包括信号采集单元，用于信号采集处理的DSP芯片，与DSP芯片通讯的复杂可编程逻辑器件CPLD芯片，参数存储电路等。其中，CPLD芯片挂接有外设件， DSP芯片通过串口 RS-232总线与之通信的上位PC机。

图1　高压断路器操作弹簧应力检测系统整体结构

2.1.1DSP芯片

DSP具有运算速度快，能实时对系统进行检测和数据处理的特点，该实时检测系统采用DSP处理器作为主控芯片，负责对信号的采集、处理和分析。DSP芯片采用具有高速处理能力和数据、程序存储量大的32位浮点型TMS320F28335芯片作为系统的控制器。

TMS320F28335芯片主要包括TMS320F28335内核、事件管理器、模数转换模块、通用输入/输出多路复用器、锁相（PLL）环时钟模块、外设中断扩展模块。

其中，TMS320F28335内核包括CPU单元、存储器单元、逻辑测试单元和外设接口单元；事件管理器为EVA和EVB两个事件管理器，每个事件管理器均包括通用32位定时器单元、PWM处理单元、捕捉单元以及正交编码脉冲电路；模数转换模块分辨率为12位，该模块具有16路A/D转换通道；通用输入/输出（GPIO）多路复用器TMS320F28335芯片共有88个通用GHO 口，这些当中有56个具有多功能作用，软件编程时可通过内部寄存器GPIOMUX来设置该引脚作为片内外设I/O还是片外数字I/O。

图2　DSP-TMS320F28335最小系统框架结构示意图

2.1.2CPLD芯片

相比于其它厂家的同等功能的CPLD芯片，MAX II系列CPLD芯片具有成本低廉、功耗低等优点，因此CPLD芯片选用的EPM570T144型号，该型号的CPLD采用144脚TQFP封装，支持3.3V/2.5V/1.8V等不同外部供电电压，具有116个通用1/0，每个引脚延时为8.8 ns，内部具有570个逻辑单元（LE），支持JTAG下载编程。

EPM570T144芯片包含保证EPM570芯片正常工作时需要的CPLD最小系统电路，CPLD最小系统电路包括时钟振荡电路、下载程序的JTAG接口电路、复位电路和为CPLD提供正常工作电压的电源电路。CPLD芯片负责整个系统外设的时序控制，其实现与DSP通信，为DSP总线译码；对TFT液晶屏显示的时序控制，完成按键去抖、识别，LED、蜂鸣器驱动等操作。

2.1.3信号采集单元

高压断路器操作弹簧实时检测系统中的信号采集单元包括采集电路、置位电路、调理电路、电源电路。

置位电路为在磁阻传感器HMC1052芯片上施加一复位脉冲，HMC1052属于弱磁检测传感器，当有外加的强磁场（通常大于20Gauss）干扰时，传感器内部的薄膜磁化极性会遭到破坏，会影响传感器测量精度，这时需要对传感器施加一个瞬态电流来恢复传感器特性，这一操作可以通过在HMC1052芯片上施加一个置位或复位脉冲来实现，在经过置位或复位后，薄膜合金磁阻元素的方向一致。

2.1.4参数存储电路

EEPROM参数存储电路，主要负责磁场为0Gauss时，传感器经过调理电路后输出的电压值保持下来，每次运行时，DSP首先从EEPROM中读出该值，以该电压值作为零点标准，进行判断应力集中区域。本系统中釆用美国ATMEL公司推出的非易失性串口存储芯片AT24C02，该芯片具有I2C串行接口，存储量为256X8位，供电电压范围为1.8V-5.5V，数据保存可靠，保存时间长，广泛运用于仪表的参数存放系统中。

2.1.5其他模块

外设件包括LED状态指示灯、按键、蜂鸣器报警装置、LCD波形显示器。参数存储电路采用非易失性串口存储芯片AT24C02。

2.2高压断路器操作弹簧应力检测系统原理

主控制器DSP芯片内部A/D进行釆集转换信号，并进行相应高速处理完后，通过DSP总线将信息传送到CPLD， CPLD将波形信息存入显存SRAM中，周期性的将SRAM中存放的一帧LCD波形数据在LCD屏上显示出来，一旦LCD屏上的波形出现过零点，即可判断传感器检测处存有应力集中；为增强仪器的人机交流效果，仪器中添加按键和蜂鸣器等外设，按键主要负责仪器的相关参数设定，当传感器检测到应力集中区域时，蜂鸣器报警；同时，DSP也可以将采集的波形数据通过串口发送到上位机，上位机通过Lab VIEW软件实现波形上位机观察，分析并保存。

3　实际实施

根据高压断路器弹簧应力的要求，建立一个弹簧模型，期待通过对一般弹簧进行数值模拟，获得弹簧在压缩过程中的应力场及应变场。并且根据有限元模拟结果，为实际弹簧应力检测提供理论支撑。应力的最大点出现在弹簧材料横截面的内侧，与经典理论相吻合。弹簧工作圈内侧应力很大，容易引起应力集中，这是导致弹簧材料应力失效主要原因。