基于ARM的真空断路器触头磨损检测系统

王 禹 ，杨 帆 ，李 岩 ，唐红梅

（1.河北工业大学 信息工程学院，天津 300130；2.吉林龙鼎电气股份有限公司，吉林 吉林 132013）

真空断路器是一种常见的电网开关器件，它具有体积小、质量轻，适合反复操作、灭弧效果好等优点，在几乎所有高压电网节点处都可以见到它的身影[1]。它的最核心部件是真空灭弧室，灭弧室的作用是使其内部触头在真空条件下完成合闸与分闸。但是在长时间使用中，触头常会因断路器反复开关动时的高温电弧烧灼和剧烈碰撞产生磨损，当磨损超过断路器规定的限度（一般小于3 mm）时，会出现合闸不灵，引发电网事故[2-4]。

当前针对真空断路器的研究主要只集中在灭弧室绝缘特性，机械性能，触头材质研发，触头周围电磁场的计算与分析等方面，却很少在触头的磨损检测进行研究[9]。经观察发现，随着断路器动触头的磨损，在每次合闸后，灭弧室动触头的位置会出现细微变化，测量这个细微的变化可以准确得出触头的磨损度，本文正是根据这个原理，针对断路器磨损检测问题，设计出了一种真空断路器触头磨损在线检测系统[5-7]。

1 从机的设计

本检测系统由一台主机适配器与数台安装在断路器端的从机组成，如图1所示。

1.1 从机的设计概述

如图2所示，从机采用三星S3C6410作为核心板，它包含ARM11处理器、RAM、ADC（模数转换器）、时钟以及各种GPIO接口等资源。光电计数器负责监视并向核心板报告断路器合闸分闸动作。从机使用抗干扰抗机械振动较强的WDCD5位移传感器向核心板发送磨损数据，以对抗断路器的恶略工作环境。触摸屏和LCD与核心板相连作为显示和输入设备。无线射频模块4432通过串口与核心板连接，负责与主机适配器通信，短信模块AD3812通过串口与核心板相连，用于与操作员通过短信进行控制通信和发送报警短信。

图1 系统组成框图Fig.1 System chart

图2 从机原理图Fig.2 Slave schematic

从机的检测与通信功能由3个进程实现，进程1（检测进程）：如图3所示，在设置好从机的所检测的各路断路器最大磨损量与开关次数后，当检测到某路合闸信号时，从机自动检测出对应路最新触头磨损数据与开关次数并保存至工作日志，对比当前各路触头磨损值是否达到初始化时设定的预设寿命，若此下位机检测的某一触头出现磨损达到预设值，从机将把报警信息写入工作日志 （上位PC机能通过轮询方式查询到下位机报警信息），通过GSM短信向特定号码发送报警短信，并使蜂鸣器发出警报音。

进程2（通信进程）：如图4所示，此程序负责使无线模块保持低功率状态守候来自主机的广播信息，当接受到主机广播信息后自动切换到高功率的接收状态，接收解析来自主机的地址码广播，并比对广播中地址码是否与本机地址一致。若一致，则将日志文件中的最新的各个触头状态数据上传给主机，而后恢复低功率等待状态。若不一致则直接恢复低功率等待状态。

进程 3（短信控制进程）：如图5所示，此程序负责在开机时进行短信模块初始化、设置控制短信密码和短信中心号码等，并在运行中通过短信模块发送报警信息以及接收并回复来自短信的控制信息。管理员可以通过短信控制从机，若发送指定格式控制短信至特定编号从机，短信模块收到后会通过串口将短信编码输入系统，系统进行PDU或7bit格式解码，提取短信密码、短信中心号码、发送方号码与控制信息。若密码和控制信息与预设规则相符，按要求提取工作日志中数据，将短信中心号码、发送方号码、日志数据进行PDU格式编码并通过短信模块发送回复。

图3 检测部分流程图Fig.3 Detector flow chat

图4 通信程序流程图Fig.4 Communication flow chat

图5 短信控制程序流程图Fig.5 Sms controller program flow chat

1.2 从机的系统设计

1.2.1 LINUX移植与文件系统

从机搭载LINUX3.0.1操作系统，使用Uboot作为Bootloader，采用包含Qt2运行库的yaffs2文件系统。其中此版本的Uboot与LINUX内核源码中均包含针对S3C64xx的配置文件，仅需按S3C6410配置对源码的.config文件稍作修改即可完成编译工作，编译好的内核映像包含触摸屏、ADC、NANDFlash等多数从机硬件的驱动程序。

1.2.2 光电计数器、位移传感器驱动程序概述

光电计数器使用输出一路TTL电平的红外对射式光电计数器，输出为低电平有效，三路计数器的数据引脚分别连接 到 S3C6410 的 KEYINT1，KEYINT2，KEYINT3 引 脚 。KEYINT均为处理器的中断引脚，计数器的设备文件为/dev/KEYDEVICE X。W-DCD5位移传感器使用电源模块提供的9 V直流电作为电源，根据位移的不同输出0～3.3 V的模拟直流信号。将3个位移传感器通过一个20针接口连接到核心板的GPIO接口，三路模拟信号分别作为S3C6410核心板的三路AD转换的输入信号[8]。设备文件分别是/dev/adc0，adc1，adc2。

2 主机工作流程与设计

2.1 主机工作流程

本系统的主机仅由一个U盘大小的无线射频接收器作为主机适配器与一款PC机软件组成，适配器经过USB接口与PC连接。它能与检测网络内的数台下位机进行轮询方式通信，监视各下位机工作状态，接收各下位机发送的数据并显示在计算机软件界面上，向指定下位机发送命令。连接好主机与主机适配器后，主机自动加载无线模块驱动（windows XP或 windows 7系统），将无线模块与指定的计算机端口建立连接。

图6 主机程序流程图Fig.6 Host program flow chat

2.2 主机的软件设计

主机部分软件使用QT5开发平台编写。程序界面显示各个从机所监测的三路触头的磨损状态与开关次数。程序流程如图6所示，当程序开始运行后，程序按顺序循环发送包含不同地址码的广播信息，每次发送间隔为0.8 s。在这个时间间隔中主机等待来自指定下位机的含有检测数据的回复信息，若收到回复信息，检测软件会将收到的检测数据显示在相应的下位机状态栏处。在每次发送后到下次发送前的间隔中接收来自目标从机的数据信息，并将目标下位机上传的检测信息提取出来，显示在界面上相应窗口中。若0.8 s内未收到下位机回复，则对应图标显示此下位机已失去联系。

3 检测系统的测试

3.1 系统安装

系统从机安装在真空断路器端。从机的3个位移传感器通过可调旋钮安装在断路器真空管下面，其探头顶在与每个真空管的动触头连杆上，完成这一步后调整每个传感器下的可调旋钮，使传感器探头有一定的预压缩。将3个光电计数器安装在每个动触头连杆两侧。实验中使用两台从机，从机上电后，设置2台从机地址码分别为1与2。点击从机触屏上的清零键将每个预压缩后的传感器的位移变为零磨损点，之后检测到的磨损位移将以此位置作为起点。对断路器进行开关测试，以判断光电计数器是否正确安装，从机是否可以检测到断路器的开光动作。设置断路器的最大磨损值以及最大开关次数，并将已有的数据清零。此时检测系统下位机已经处于工作状态[9]。将主机接收模块连接至PC机的USB接口，并将检测软件安装在用于测试的PC机上。

3.2 组网测试

本次测试中使用两台从机与一台主机进行组网测试，2台主机从机距主机约为200～300 m。分别为2台已安装好的从机上电。为了使2台断路器分别出现先达到预设磨损量和先达到最大使用次数，笔者将1号从机的三路触头最大磨损值设置为3 mm，最大使用次数设置为20 000次，2号机的三路触头最大磨损值设置为5 mm，最大使用次数8 000次。打开测试PC机中的检测软件，显示网内有2台地址码分别为1与2的从机，每台从机上的3个断路器对应的开关次数与磨损度均为0。

将开高压开关测试仪设置为3路断路器同时动作。测试仪启动后，测试软件界面上的对应状态值开始变化，开关次数开始增加，磨损值变化较为缓慢。此时发送AB两条控制短信至测试从机，控制信息要求从机发送当前日志数据，A短信使用错误密码，B使用正确密码，发送B号短信后，手机收到与当前从机屏幕上的磨损数据一致的信息，而发送短信A后从机并未回复。

3.3 实验结果与试验数据对比

表1截取的是1号机三路断路器开关次数达到3 000次、6 000次和9 733次时从机得到的检测数据。而表2是2号从机检测到的三路断路器开关次数为3 000次、6 000次和8 000次时的检测数据。1号从机所在断路器的B路触头在第9 733次合闸时（未到10 000次）磨损值便达到预先设定的最大磨损值（3 mm），预设号码手机立刻收到报警短信。我们随即对1号从机进行停机检测，磨损值测量的最大误差出现在C路触头第6 000次时，最大误差为0.78%。2号从机在达到预设最大断路器开关次数（8 000次）时手机收到报警短信，此时检测到的三路触头的磨损值均为达到预设值，进行停机检测后，我们发现最大磨损值误差出现在2号从机B路第3 000次时，最大误差为0.66%。此次试验表明该检测系统磨损检测误差为0.14～0.78%，完全满足对断路器触头磨损的检测精度指标，并且在试验中未出现从机脱机情况，满足对检测系统对可靠性的要求。

表1 1号从机检测值与实际值Tab.1 Detection value&actual value of slave1

表2 2号从机检测值与实际值Tab.2 detection value&actual value of slave2

4 结束语

通过上述对检测系统的测试表明，该款基于S3C6410核心板的真空断路器触头磨损在线检测系统具有测量精度高（检测误差小于0.78%）、可靠性强、检测距离远、组网灵活性强、安装使用方便等特点。可以大大减轻了断路器真空管检修的工作量。此系统每台从机造价约为600元，主机适配器约为70元。应用在中型断路器上时成本约占总成本的3%～5%。

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