高压断路器机械特性检测装置的研究

郭皎，王毅，张明志

（北京交通大学电气工程学院，北京100044）

高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，在电站中数量多、投资大，其性能可靠性直接关系到电力系统的安全运行[1-3]。断路器的可靠性在很大程度上取决于其机械操动系统的可靠性[4]。在高压断路器故障中，机械故障（包括操纵机构和控制回路）占全体故障的80%以上，其他灭弧、绝缘故障则占比较小，发热故障比例更低[5-7]。因此，产品出厂检修和用户检修试验都把机械特性参数的测试作为重要试验项目。断路器机械特性检测装置的发展经历了电秒表、故障测试仪、滚筒测试仪、微分电路式测试仪、光电计数式机械特性测试仪、电磁振荡器、多线示波器以及高速摄像检测仪等多种类型[8]。发展到现在的以DSP技术为基础的微机型机械特性检测装置，其检测原理和方法都有了很大的改进。随着信号处理技术、微电子技术、传感器技术、计算机技术及测量手段的发展和《交流断路器》国家标准的更新与执行，科研单位和生产厂家对机械特性检测装置提出了新的要求，需要将断路器的整个行程曲线、电流曲线和断口状态等信息显示出来；需要更加注重机械运动的全过程，而不只是得到机械参量的计算结果；需要具备较大的数据存储容量以便获得足够的数据积累进行故障诊断分析；需要更高的性价比和适应性[9-14]。

文中所述断路器机械特性检测装置主要对断路器的分合闸操动过程和状态信号进行检测，包括分合闸线圈电流信号、动触头行程特性以及断口状态。通过所采集信号得出分合闸同期性、分合闸时间、分合闸速度等结果，为进一步故障诊断和预测提供数据支持。

1 检测装置总体设计

高压断路器机械特性检测装置总体设计框图如图1所示。测试过程中，由上位机实现对检测装置相关参数的设置及修改，向被测试断路器发送分合闸指令。当检测装置接到指令后，通过控制器和驱动电路对断路器进行分合闸操作，同时利用霍尔电流传感器、位移传感器和开关量采集电路实现对断路器机械特性模拟量和开关量信号的采集。所采集的分合闸电流信号、行程位移信号和各触点开合信号通过调理电路、光电隔离电路送入到DSP主控模块，再经串口将数据传输至上位机，由上位机进行信号处理，绘制参数曲线，计算得到检测结果，并进行存储和打印，完成断路器的检测。

图1 检测装置总体框图

2 硬件设计及主要功能电路

基于检测装置的功能要求，对其硬件电路进行模块化设计，主要包括主控模块、电源模块、电流信号采集模块、行程位移信号采集模块、断口状态采集模块、分合闸信号输出模块和串口通讯模块。其中主控模块包括DSP芯片、30 MHz晶振、复位电路、JTAG仿真接口和外扩256 K×16 bit RAM。核心处理器采用TMS320F28335 DSP芯片，片上外设丰富，内置AD转换，最高采样率达6.25Msps。上位机为PC机。上位机和下位机之间采用RS232进行串口通信。

2.1 分合闸线圈电流采集模块

断路器分合闸线圈电流含有丰富信息，通过对线圈电流信号的采集记录电流—时间特性曲线，能够计算出线圈通电时间、铁心启动及运动时间等参数，反映操动机构的工作状态，可以分析出铁心运动机构有无卡滞、脱扣、释放、机械负载变动等情况[15]。分合闸线圈电流信号通过LA58-P型霍尔电流传感器检测，变比为1：1 000，其信号采集电路如图2所示。断路器分合闸线圈的电流信号经电流传感器由大电流转换为小电流信号，经电阻将电流信号转换为电压信号，经钳位保护电路传入DSP的模拟量采集通道，实现线圈电流信号采集。

图2 线圈电流采集电路

2.2 行程位移信号采集模块

断路器依靠其动触头的位移来实现分合闸，通过对动触头位移信号的采集记录其行程—时间曲线，进而提取断路器多种机械特性参数，如行程、超程、分合闸时间、刚分刚合速度、有无弹跳等，还可据此绘制动触头速度—时间曲线。位移信号通过位移传感器检测，文中选用意大利GEFRAN直线位移式传感器，测量范围0～50 mm，可将机械位移信号转换为电压信号，能够真实反应行程特性。位移信号采集调理电路如图3所示。信号经限压保护电路和二阶有源低通滤波电路后进入DSP的AD采样通道，采样率为10 kHz。

图3 位移信号采集电路

2.3 断口状态输入模块

本检测装置在一定采样频率下对断路器各触点状态信号进行采样，通过记录各端口的跳变时刻可计算得出分合闸时间的同期性。为确保准确采集状态信号，且设备不受过高感应电压的干扰和损害，断口状态信号与DSP GPIO输入引脚之间应进行光电隔离，由光电耦合器件4N25实现。断路器3个动触头和1个辅助触点通过光耦分别与DSP28335上的4路GPIO引脚相连。当触点改变开关状态时，GPIO采集到的高低电平状态也随之改变。以A相动触头为例，其连接电路如图4所示，其他断口连接电路与之类似。

图4 开关量输入电路

2.4 分合闸信号输出模块

断路器检测装置主控模块DSP的GPIO0引脚通过操作输出电路与断路器分合闸脱扣线圈相连。操作输出电路如图5所示。其中光电耦合器件采用与开关量输入电路同型号的4N25光耦，实现DSP与现场的电气隔离，防止电磁干扰。以合闸操作为例，当控制器接到合闸命令时，触发GPIO引脚输出低电平，与直流3.3 V电压形成压差，二极管和光耦导通，脱扣电源+通过R12、R3、R4接通，触发20N60S5导通，脱扣线圈得电使断路器合闸。当进行分闸操作时，引脚输出分闸信号，脱扣装置释放分闸弹簧储存的能量使断路器分闸。

图5 操作输出电路

3 软件开发

检测系统软件采用结构化和模块化设计，将DSP与PC机相结合，既可以利用DSP高速数据采集与灵活控制的功能，又能发挥上位机虚拟仪器强大的计算与显示功能，实现了对信号的采集、处理和监控，确保了良好的人机界面交互性。

3.1 PC机软件设计

上位机软件以LabVIEW为开发环境，采用虚拟仪器的基本思想，通过图形化语言编程。采用虚拟仪器编程技术可使系统的界面更加形象，系统的互换性和互操作性显著提高。系统运行主界面如图6所示，操作按键简洁明了，各检测参数和试验波形均在同一个界面显示。

上位机软件系统由通讯模块、测控模块、数据管理模块、数据处理模块、结果显示模块和帮助6部分组成。其中，通讯模块遵循异步串行通信协议，接收下位机采集数据并进行解码分析。测控模块通过操作按键实现对分闸、合闸、循环检测等操作命令信号的触发。数据管理模块包括数据存储、数据回放、数据打印3部分，数据回放可再现历史波形数据。数据处理模块将上位机接收到的十六进制数字量进行解码，转换成其所对应的模拟量和开关量，并通过计算的到断路器相关机械参数的值，数据处理算法通过在LabVIEW公式节点中嵌入C语言编程实现。结果显示模块包括测试波形、触点状态和检测结果数据的显示。

图6 系统运行主界面

3.2 下位机软件设计

下位机程序以CCS软件为开发环境，采用C语言编程。主要实现数据通信、数据采集和测控功能。程序流程图如图7所示。系统上电后程序进入初始化阶段，在完成各功能模块设置后进入程序主循环，循环等待上位机通过串口发送的指令，在接收到上位机指令后判断指令内容，如果不是分合闸指令则返回指令内部并再次等待新指令；若是分合闸指令则向下执行采样程序，首先使能ADC模块，启动采样，每组数据中包括分合闸线圈电流信号、动触头行程位移信号、触点开合信号。为使数据方便处理且出图美观，需进行数据预采样，预采样后结合当前分合闸信息执行分合闸触发指令，之后继续采样，采满1 500组数据（150 ms数据）后禁止ADC模块，停止采样。因串口上传速度有限，将有效数据缓存至外扩RAM中，后通过SCI子程序上传至上位机。

图7 DSP程序流程图

4 试验结果

对一台ZW-12/D630-20高压永磁真空断路器进行机械特性检测，检测结果如表1，图8所示。图8给出了分闸、合闸试验过程中三相分合闸线圈电流、开关行程、断口状态曲线（为使显示清晰，只截取部分时间段）。可以看出，三相触头在合、分闸时均存在不同步现象，但分、合闸同期性均小于额定频率的1/4周波，满足GB1984-2014《交流高压断路器》的相关规定。试验结果表明，该检测装置达到了设计要求，能够实现对断路器机械特性的检测。

表1 断路器检测结果

5 结论

设计了下位机信号检测单元、外围接口等电路，通过光电隔离实现了抗干扰设计，提高了检测单元工作的电磁兼容性。上位机软件人机交互界面友好，实现了数据采集、处理、存储和显示功能。检测系统操作简单，实用性强，具有一定的参考价值。

图8 分闸、合闸检测试验波形

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