高压断路器机械特性状态监测系统＊

邓博，苏鹭梅，卢超龙，林瑞金

高压断路器机械特性状态监测系统＊

邓博1，苏鹭梅1，卢超龙2，林瑞金3

（1.厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.厦门国毅科技有限公司，福建 厦门 361006； 3.龙岩市厦龙工程技术研究院，福建 龙岩 364000）

针对目前高压断路器机械特性状态监测系统的研究现状与不足，为及时发现断路器的运行状态，提高可靠性，开发了一套基于DSP的高压断路器状态监测系统。该系统以TMS320C28346为控制核心，将AD7606作为采样芯片，可实现监测数据的采集、转换、传输和显示，能够实时监测断路器的合分闸线圈电流和触头行程。通过实验测试，结果表明该系统达到了各项参数误差在2%以下的设计要求。

高压断路器；状态监测系统；DSP；合分闸线圈电流

随着经济的高速发展，电能使用量的不断增加，电网规模越来越大，对电力设备的安全运行提出了更高的要求。高压断路器作为电力系统中重要的开关设备，起着控制和保护的作用，能够保证变电站以及电力系统正常、安全运行[1-2]。在电力系统运行中，如果高压断路器发生了故障，轻则设备受损，重则系统解列、用户大面积的停电，影响正常的社会生活和生产。因此，实时监测断路器的运行状态，显得至关重要。

国外的断路器监测技术已经成熟，并在断路器状态监测上得到了广泛应用，如德国西门子公司开发的断路器监测系统及GIS监测子系统，美国Hathway公司开发的BCM200断路器状态监测和瑞士ABB集团开发的SF6断路器状态监测系统可以监测断路器的合分闸线圈电流、触头行程等状态量[3-5]。国内对于断路器状态监测的研究相对较晚，部分高校对断路器的运行状态进行了有效的探索，如清华大学的CBA-1系统和北京航空航天大学的断路器机械特性测试仪可以监测到合分闸线圈电流信号和振动信号[6-7]。

目前，高压断路器状态监测技术存在以下问题：状态监测模块采用高速采集卡，价格过高；部分测试仪监测结果只能现场打印，不能进行长期大量的保存；数据管理软件不完善，在数据通信上，大多使用RS232通信，随着监测数据及记录数据量的增多，传输速度变慢，通信时间变长，难以满足实时性的需要；系统体积过大，便携性较差。基于此，研究开发了一套高压断路器机械特性状态监测系统。

1 系统总体设计

高压断路器状态监测系统的设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计包括AD7606采样电路、信号调理电路、U盘存储电路及RS485通信接口电路等。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

高压断路器的合分闸线圈电流信号经霍尔电流传感器及其信号调理电路将转换成电压信号，触头行程信号经直线位移传感器转换成电压信号，AD采样模块将电压信号转变为数字信号，数字信号传输至微处理器TMS320C28346并进行计算分析，分析后的数据可保存至U盘，最终通过RS485传输到触摸屏上显示监测报告。

软件设计包括主程序、信号采样程序、U盘存储程序、MODBUS传输程序及触摸屏程序。上电后，主程序首先初始化，调用信号采样程序，对数据进行分析，调用存储程序保存数据，调用MODBUS程序实现数据传输，最终调用触摸屏程序实现显示。

2 系统硬件设计

2.1 监测模块

在本次系统设计中DSP选择TI公司的TMS320C28346，在成本上得到了改善，霍尔电流传感器选择CSM010GT，直线位移传感器选择TS-0050，触摸屏选择tpc7062td。

信号调理模块的核心CSM010GT型电流传感器运用霍尔效应闭环原理，能够快速响应电流信号；测量精度高，副边电压的变化可以真实地反映原边电流的变化；在电隔离条件下，能测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。

输入输出关系为：

out1=in+0（1）

式（1）中：=0.1；0=2.5 V，代表原边无输入电流时，理论输出电压值为2.5 V。

用于位移监测的TS-0050型直线位移传感器直接安装在动触头的直线连杆上，可以直接获得触头行程，计算方便，且随着传感器技术的发展，其体积日益减小。

位移与电压关系为：

式（2）中：为电气量程，52 mm；为电源电压，10 V。

2.2 AD7606采样电路

为保证监测信号的采样精度，系统选用16位的AD7606作为微处理器的外扩采样芯片，以满足实时性的需求。AD7606芯片采用单电源供电，8通道同步采样，且所有通道均能以高达200kSPS的吞吐率采样，待机时功耗25 mW，运行时功耗100 mW，具有速度高、功耗低的特点，具有高输入阻抗和片内滤波，可以改善信噪比。

采样电路如图2所示。

图2 AD7606采样电路

引脚ADINA1~ADINA3分别是合闸线圈电流信号、分闸线圈电流信号和触头行程信号的输入端；引脚AD1_RANGE用来选择采样量程，通过P11选择-10~10 V量程；数字信号输出端引脚D0~D15，连接微处理器TMS30C28346的数据总线引脚XD0~XD15；引脚CONVST和BUSY接微处理器的GPIO14、GPIO15，当引脚CONVST从低电平向高电平转换时，其上升沿变化启动AD采样，同时引脚BUSY变成高电平，采样结束后，引脚BUSY变为低电平，微处理器TMS320C28346开始读取输出寄存器中的数据。

AD7606转换公式如下：

式（3）中：out为经调理电路或直线位移传感器转换后的输出电压；为AD芯片采样结果；=10 V，为采样量程。

2.3 信号调理电路

高压断路器的合分闸线圈电流大小一般在0～5 A。由于监测到的电流信号较弱，需要信号调理电路实现对信号的放大处理才能够实现状态量的监测。

信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路原理图

转换公式如下：

2.4 U盘存储电路

高压断路器状态监测系统实时采集了多种状态量，能够将电流信号、行程信号的全部信息存储记录下来，便于后续分析。本系统选用文件控制管理芯片CH376S，实现对U盘的读写。U盘存储电路原理如图4所示。

图4 U盘存储电路原理图

2.5 RS485通信接口电路

微处理器与触摸屏之间无法通信，需要通过物理层总线实现。微处理器TMS320C28346集成了通信模块，2个通信接口都是复用的，可通过跳线选择RS232总线或RS485总线；触摸屏可通过设置COM口选择RS242或RS485。RS232总线在数据传输时容易掉包，且数据量大时无法满足实时性的要求，因此采用跳线选择RS485通信接口。

RS485通信电路如图5所示。

图5 RS485通信电路原理图

3 系统软件设计

高压断路器状态监测系统的软件设计包括主程序、AD采样子程序、U盘存储子程序、MODBUS传输子程序以及触摸屏程序。

上电后，系统初始化，调用AD采样子程序，不间断地实时采集电流信号和行程信号；调用U盘存储子程序，将监测数据存于U盘中；调用MODBUS传输子程序，将相关状态量参数传输至触摸屏；用户可在触摸屏上选择显示监测报告、截屏打印、保存数据等功能，实现了友好的人机交互。

主程序流程如图6所示。

4 实验结果分析

搭建软硬件平台，调试高压断路器状态监测系统。以ABB的VD4真空断路器为监测对象，对其合分闸线圈电流和触头行程进行实时监测。测试结果与厦门国毅科技有限公司的GYT-07（精度为0.5%）机械特性测试仪的监测数据进行对比，验证该系统监测数据的准确性。重复进行合分闸操作，共50次，记录数据，任意选取其中的10组测试数据。合闸报告、分闸报告如表1、表2 所示。

其中，误差计算公式为：

表1 合闸报告

合闸操作次数12345678910 电流峰值/A本系统1.1101.1211.1241.1131.1211.1201.1161.1201.1151.116 GYT-071.1041.1031.1051.1061.1041.1071.1051.1041.1081.103 误差/（%）0.541.631.720.631.541.171.001.450.631.18 合闸时间/ms本系统58.258.358.458.358.358.458.358.458.558.5 GYT-0758.458.558.658.458.258.358.158.758.658.4 误差/（%）0.340.340.340.170.170.170.340.510.170.17 触头行程/mm本系统13.9614.0714.0313.9214.0914.0214.0613.9314.0514.01 GYT-0714.1514.4114.1914.2614.2814.2914.3714.2114.3214.26 误差/（%）1.341.681.131.971.331.891.881.971.891.75 触头开距/mm本系统11.5311.4811.3711.5411.4611.5211.5311.4811.4411.56 GYT-0711.7211.5611.5311.4111.6011.6311.4211.6111.5811.77 误差/（%）1.620.691.391.141.210.950.961.121.211.78 合闸速度/（m·s-1）本系统1.0711.0721.0761.0741.0781.0731.0721.0751.0731.076 GYT-071.0631.0641.0631.0621.0651.0651.0631.0621.0611.063 误差/（%）0.750.751.221.131.220.750.851.221.131.22

表2 分闸报告

分闸操作次数12345678910 电流峰值/A本系统0.9060.9030.9130.9220.9210.9080.9260.9150.9130.917 GYT-070.8980.8960.9090.9120.9080.8970.9180.9030.9070.912 误差/（%）0.890.780.441.101.431.230.871.330.660.55 分闸时间/ms本系统47.247.347.247.146.947.247.147.247.147.0 GYT-0747.347.547.447.347.447.547.347.447.447.3 误差/（%）0.210.420.420.421.050.630.420.420.630.63 触头行程/mm本系统14.2614.2814.2214.3314.4114.3614.3714.3314.2614.31 GYT-0714.0214.1614.0714.2614.1314.1514.1814.0814.1214.23 误差/（%）1.710.851.070.491.981.481.341.780.990.56

表2（续）

分闸操作次数12345678910 触头开距/mm本系统11.7411.8211.7811.6111.8511.8011.6311.8311.8611.75 GYT-0711.5611.6411.5811.6911.7311.5711.5911.6511.6311.88 误差/（%）1.561.551.900.681.021.990.351.551.981.09 分闸速度/（m·s-1）本系统0.8930.9010.8830.8710.8820.8710.8840.8820.8920.885 GYT-070.8780.8870.8670.8580.8690.8590.8690.8680.8770.872 误差/（%）1.711.581.851.521.501.401.731.611.711.49

通过高压断路器状态监测系统和GYT-07机械特性测试仪对VD4高压真空断路器正常运行时进行的多组测试，监测结果如表3所示，各参数误差最大值如表4所示。

实验结果表明：①高压断路器监测系统能够很好地监测到合分闸时间，且误差较小，基本在1%以内，这是因为微处理器有快速响应和处理的功能；②合分闸线圈电流的峰值误差在1%～2%之间，由于进入霍尔电流传感器的电流是通过断路器合分闸线圈电流的二次电流引出，通常存在微弱的电磁干扰，造成了监测电流值的轻微浮动；③合分闸时的触头行程及开距误差大部分在1.5%～2%，由于高压断路器在运行过程中，会产生机身振动，对安装在动触头直线连杆上的直线位移传感器造成一定的测量影响，使得行程监测数值的变化幅度大，进一步导致了合分闸速度有1.5%～2%的 误差。

表3 高压断路器特性参数

合闸电流峰值/A合闸时间/ms合闸触头行程/mm合闸触头开距/mm合闸速度/（m·s-1） 1.110～1.12458.2～58.513.9～14.0911.37～11.561.071～1.078 分闸电流峰值/A分闸时间/ms分闸触头行程/mm分闸触头开距/mm分闸速度/（m·s-1） 0.903～0.92646.9～47.314.2～14.4111.6～11.850.871～0.901

表4 参数误差

合闸参数电流峰值/A合闸时间/ms触头行程/mm触头开距/mm合闸速度/（m·s-1） 最大误差/（%）1.720.511.971.781.22 分闸参数电流峰值/A分闸时间/ms触头行程/mm触头开距/mm分闸速度/（m·s-1） 最大误差/（%）1.431.051.981.991.85

高压断路器监测系统监测到的合、分闸线圈电流信号及触头行程信号波形如图7所示，均符合典型波形。

结果表明，该系统监测到的高压断路器机械特性参数在一定范围内变化，与GYT-07机械特性测试仪相比，误差低于2%，达到了预期要求，且电流波形、行程波形均不失真，效果较好，实用性强。

图7 合分闸线圈电流、触头行程波形图

5 结语

电网的智能化是目前电网的发展方向，现有断路器监测系统大多采用高速采集卡，成本高、实时性差，所以本文设计开发了一套基于DSP的高压断路器机械特性状态监测系统。该系统集实时采集、数据转换处理、数据图形显示、数

据存储于一体，能够实时监测到高压断路器的合分闸电流和触头行程，且各项参数最大误差均在2%以下，监测系统体积够小，便携性好。在实际运行中，验证了该系统具有实时性好、精确度高、抗干扰能力强等优点，具有较高的实用性。

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2095－6835（2020）24－0022－04

TM561

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.007

邓博（1995—），男，研究生，研究方向为电器智能化技术及应用。

＊项目： 2019年福建省龙岩市科技计划项目资助（编号：2019LYF7004）

〔编辑：王霞〕