高压断路器机械特性在线监测

李国宾 于潇 郑智勇 杨廷方

摘要：设计了监测高压断路器分合闸线圈电压、分合闸速度以及线圈带电时间等机械特性参数的硬件电路及软件程序，实现了对断路器运行状态的实时监测。该设计采用80C196单片机作为处理器，利用DMAC8237构成直接存取控制电路，实现处理器与存储器之间的高速数据存储和传输。现场测试表明，该数据采集系统能满足高压断路器机械特性监测的要求，对提高高压断路器运行的可靠性具有重要作用。

关键词：高压断路器;机械特性;监测;分合闸速度;线圈电压

0    引言

高压断路器是电力系统主要的电气设备，其工作状态的好坏会直接影响电力系统的可靠性。高压断路器的运行性能主要包括电气性能和机械性能两大块，其中电气性能主要指其绝缘是否良好。一般在断路器运行过程中，会导致断路器故障的主要还是其机械特性。断路器机械特性主要包括分合闸时间、分合闸速度、超程以及不同期度等参数，其中分合闸时间、分合闸速度是断路器最重要的机械动作特性。所以，在现场通常监测断路器的分合闸线圈电压以及分合闸速度特性来判断断路器的机械特性是否完好。

1    数据采集设计

本次设计采用光电隔离WBV334U05-S型电压传感器，直接把分合闸线圈的DC220 V电源电压转换为微机系统能接受的DC0～20 mA电流，再进行滤波整形，送往AD采样。光电隔离WBV334U05-S型电压传感器具有抗电磁干扰能力强、精度高、线性度好的特点。

另外，利用光电轴角编码器监测断路器主轴的分合闸速度特性。由于断路器动触头在分合闸过程中的运动行程与主轴转角之间的关系曲线近似为直线，所以，测得断路器主轴的分合闸速度特性也可得到其动触头的速度特性。光电轴角编码器是一种数字式传感器，它采用圆光栅，通过光电转换原理将断路器主轴的旋转角位移转换成电脉冲信号。主轴的转动通过一套专门设计的传动机构带动光电编码器的轴转动。断路器分合闸是一个变速运动的过程，通过测量分合闸过程中光电编码器输出的各个电脉冲信号的脉宽即可得到断路器的分合闸速度特性。

2    硬件电路设计

整个数据采集监测电路的硬件设计如图1所示。

图1中，硬件电路的主CPU为80C196单片机，数据采用DMAC8237直接存取，利用采样AD346进行采样保持，图中CD4051是多路选择开关，本系统采用的A/D是12位的高速转换器件ADC579，并采用可编程串行通信接口芯片8251对外通信。

本次设计中80C196外中断采用边沿触发方式。线圈电压信号和主轴速度脉冲信号经滤波调整电路处理后，其脉冲上升沿和下降沿均可向80C196申请中断。

光电编码器采用两路脉冲相序比较的方式实现速度方向辨别。辨别后的电平信号输入主CPU的I/O接口，以判别断路器处于分闸还是合闸状态，并依据电平变化确定断路器的分合闸速度特性。

3    软件程序设计

软件设计思路如下：当断路器分合闸时，线圈电压信号使CPU的INT0中断，启动采样。线圈带电后，断路器主轴运动，可对分合闸速度进行采样，同时启动A/D转换器对分合闸线圈电压进行采样，然后对数据进行串行通信，整个程序实现了模块化。主程序设计框图如图2所示。

4    实验测试

通过80C196单片机的全双工串行口通信，研制了一套“高压断路器机械特性多机并行数据采集在线监测系统”，并在变电站进行了安装投运。

图3和图4分别是该变电站一台断路器分闸线圈的电压值u和分闸速度v与脉冲行程N的实测关系曲线。

通过比较每次断路器的分合闸线圈电压曲线及速度曲线，可判断断路器的运行状态是否异常，以及其操作电源系统和机械操作机构的运行是否满足要求，从而实现断路器的实时在线监测。

5    結语

现场测试表明，该套监测系统能准确监测断路器的分合闸线圈电压、分合闸速度、带电时间等参数，实现了对断路器运行状态的实时监测，其对提高高压断路器运行的可靠性具有重要意义。

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收稿日期：2020-09-04

作者简介：李国宾（1983—），男，河北邢台人，高级工程师，研究方向：机电运维。