面向高压断路器故障诊断的多源信号采集系统

李江婷，阳 清，沈佳华，李 徽

（1.湖南理工学院 机械工程学院，岳阳 414006；2.杭州国洲电力科技有限公司，杭州 310000）

高压断路器是配电系统处理与防控的重要元件，广泛应用于变电站中。其在实际应用中常发生故障，一旦出现故障，极易导致电网故障等事故[1-3]。目前多采用定期检修法维护设备，即根据设备使用周期制定维护方案，一旦到规定周期，无论是否发生故障都停电检修。其维护周期长、成本高、检修效率低，且人为检修存在一定的漏洞，若未及时发现故障，将影响设备正常运转。

在此基础上，相关研究者提出了断路器运行状态在线监测技术[4]，有红外温度测量[5]、振动检测[6]、电流信号检测[7-10]等，但这些状态监测的采集信号种类单一，只能诊断出单类信号相关的故障。而真实运行场景可能出现的故障较多，如弹簧力不足、齿轮缺陷、电气老化、操动机构卡涩等[11]，根据单一信号源诊断断路器故障将无法满足实际需求，不符合智能电网的发展规划。因此设计一种面向高压断路器的多源信号采集系统，可以稳定地采集断路器振动、声音、电流信号以供上位机对之进行状态监测和多维度故障分析。

1 多源信号采集系统硬件设计

1.1 系统整体架构设计

多源信号采集系统主要由供电、信号采集调理、缓存、信号处理、以太网传输模块以及上位机组成，整体架构如图1 所示。电源模块供电，传感器将各自接收到的振动、声音、电流信号流经信号调理电路，对初始信号进行模拟信号滤波、电压放大以及去耦合等操作后，利用AD 采样芯片将模拟信号转换为数字信号，并将转换结果存入数据缓冲器；MCU（微控制单元）处理器读取并处理好数据后，存入主存储器；最后利用以太网传输模块将数据传至上位机，由上位机进行信号波形显示、特征参量提取、频谱分析、数据存储等操作。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall architecture of the system

1.2 信号采集调理模块

信号采集调理模块用于采集断路器振动、声音、电流信号并减少干扰。选用灵敏度高、频率测量范围广、便于安装的压电式加速度传感器ULT2001采集振动信号，解决断路器工作期间振动强度传导后的衰减问题；选用频率响应范围大、灵敏度高的TYPE 2612 自由场传声器检测消除传感器对声场干扰后的声压；选用最大测量电流达100 A、支持电池或外部电源供电的CPL8100A 低频电流探头采集线圈电流信号。为确保系统采样率不低于100 KSPS，选用有16 位分辨率、可8 通道同步采样、最大采样率200 KSPS 的ADS8588S 进行数模转换。

实际测试时输入电压24 V、恒定电流4 mA，ULT2001 磁吸在设备触头组处，TYPE 2612 非接触安装在设备1～2 m 处，电流传感器穿心安装在断路器电机电源线处。各传感器输出对应信号后，利用信号调理电路降低噪声干扰，连接AD 芯片对应引脚，输入信号。图2 为信号调理电路。

图2 信号调理电路Fig.2 Signal conditioning circuit

1.3 缓存模块

AD 采样芯片对CPU 而言是低速率系统，为提高CPU 工作效率，在两者间增加一个数据缓冲器。当缓存数据达一定量时，通知CPU 按先后顺序取走缓存器中预先保存的AD 采样数据，以匹配高、低速率系统的速率。数据缓冲器采用FPGA+双RAM（随即存取存储器）结构，CPU 取走其中一片RAM 的数据时，另一片RAM 可供AD 缓存新数据，确保系统不丢帧，完整采样到任意时刻数据。FPGA 芯片选用EPM579T144，RAM 选用IS61LV5128。

1.4 信号处理模块

ARM 微控制器是信号处理模块的核心，本系统选用AT32F437ZMT7 芯片，一款国产高性价比的32位MCU，拥有256 KB 闪存、工作频率达288 MHz、内部自带DSP（数字信号处理）处理，满足高速及控制等要求。MCU 需接收上位机软件控制系统发出的指令，读取、分析并处理AD 采样数据，随后通过以太网数据接口将数据传给上位机。

1.5 以太网传输模块

根据采样率和通道数需求，系统每秒需传输约1 M 字节的数据。为提高系统传输速率，选用100 Mbps 带宽的以太网传输，采用支持100 Mbps 速率的LAN8720A 芯片进行数据收发，使用RMII 接口和MAC层通信。选用RJ45 为以太网络接口，LAN8720A 途经变压器与RJ45 连接，LAN8720A 与RJ45 外围电路分别如图3 所示。其中LAN8720A 外部与25 MHz晶振连接，借助PLL 倍频至50 MHz 作时钟源，使PHY芯片与集成了MAC（媒体访问控制）的MCU 顺利通讯。

图3 以太网传输模块外围电路Fig.3 Circuit surrounding Ethernet transmission module

2 多源信号采集系统软件设计

2.1 AD 采集逻辑设计

为使系统控制简单、便于编写代码，采用ADS8588S的并行读取模式对各传感器进行同步采集。ADS8588S每一路模拟输入均有1 MΩ 固定阻抗，使得模拟量的输入无需低阻抗输出驱动来驱动，直接将振动、声音以及电流传感器的输出端分别接至AD 芯片的输入端。系统使用50 MHz 的外部时钟频率，图4 为具体控制时序图，CONVSTAB 受下降沿触发，表示开始启动AD 芯片；开始转换前需先复位，RESET引脚高电平持续时间tPH_RST需大于50 ns 才可被识别为有效复位，故设置tPH_RST≥50 ns；CONVSTAB 等待2 个时钟后拉高，数据开始转换；拉高BUSY 位，进行数模转换；BUSY 位拉低，转换完成，此时转换数据已准备好，可开始回读。CS 拉低时，RD 的每个上升沿处读取1 个bit，采用移位寄存器的方式进行存储，多通道同时进行。

图4 采集逻辑时序图Fig.4 Collection logic sequence diagram

2.2 以太网模块逻辑设计

PHY（物理层）芯片相当于MAC 层和上位机间通讯的媒介。LAN8720A 通过RMII 接口与MAC通信，利用REFCLKO 引脚提供50 MHz 时钟，通过REF_CLK 引脚输出至MCU。

发送数据时以太网数据帧格式：前同步码+SFD+以太网帧头+IP 头部+UDP 头部+数据+CRC。以太网数据帧提前保存在DMA FIFO 中，检测到SOF 事件后，提取数据至MAC 内核，随后利用RMII 接口把数据传送给PHY 芯片，传输完成后产生EOF 事件，MAC 内核通知DMA（直接存储器访问）。期间需进行最终传输数据的CRC 校验，结果附在发送以太网帧格式的末尾[12]。若检测到有以太网数据包需接收，LAN8720 控制接收信息。检测到SFD 后，MAC 朝接收缓冲区发送以太网帧数据，从紧跟SFD 的目标地址开始发送，去除接收帧的报头和SFD，解包MAC数据包，解包后的数据借助DMA 传输至系统寄存器。

2.3 上位机软件设计

软件控制流程如图5 所示，软件具备设备管理、测试内容配置、时域波形显示、综合频谱分析、历史数据比对等功能。设备管理可设置隔离开关信息、测试信息、采样信息及测试通道；测试内容配置包括确定采样信息、配置档位、连续或单次测试以及基准电流；波形显示指显示各信号原始波形、包络分析结果及频谱分析结果；历史数据比对将样本数据与数据库的对比数据进行比对，以发现设备故障，确保设备使用安全。

图5 软件控制流程Fig.5 Software control flow chart

3 系统测试及验证

3.1 试验方案

利用ZN63（VS1）-12 系列的户内高压真空断路器[13]搭建试验平台以测试该系统性能，模拟弹簧力不足和齿轮缺齿2 种故障[14]。该断路器采用双弹簧结构进行储能[15]，其稳定运行状态如图6（a）所示；通过拆除1 只弹簧，采用单弹簧储能模拟弹簧力不足故障如图6（b）所示；将缺齿齿轮替换断路器原有良好齿轮，模拟齿轮缺齿故障如图6（c）所示。设置断路器正常动作时产生的各信号波形图为对照组，弹簧力不足和齿轮缺齿时产生的信号波形图为实验组。将各波形进行比对分析，以确定断路器在出现缺陷时各类信号会出现何种异常。

图6 断路器多种状态模拟Fig.6 Simulation of multiple states of circuit breakers

3.2 功能测试和结果分析

上位机通过以太网模块将采集到的信号数据转换为波形图并显示出来。图7 为断路器在正常工作状态下分闸时的分闸电流、振动及声音信号的局部放大波形图。t0时刻，线圈开始通电，线圈电流呈指数形式增长，t1时达到峰值，铁芯开始运动；因铁芯运动速度较慢，反电动势作用偏小，电流减小，铁芯于t2时刻停止运动；随后，反电动势为0，电流持续以指数形式上升，t3时达到峰值；保持电流基本不变到t4时刻；因辅助触头间产生电弧，线圈电流随电弧电压持续升高而飞快下降，在t5时刻降至0；t5时刻弹簧锁扣，此过程极短，锁止加速度绝对值极大，产生的振动及声音信号较大。

图7 断路器正常工作状态下分闸时分闸电流、振动及声音信号局部放大波形图Fig.7 Locally amplified waveforms of the opening current，vibration，and sound signals of the circuit breaker when opening under normal operating conditions

铁芯运动是一个摩擦事件，产生微弱振动及声音信号，观察t1～t2段曲线是否产生微弱信号可判断铁芯运动时是否有脱扣、卡滞等现象。t2～t4段电流波形反映开关本体传动机构的工作情况，观察电流波形是否偏离正常波形，以确定设备传动机构中与铁芯顶杆连接的阀门或锁扣是否存在缺陷。t4～t5段电流波形反映辅助触头工作情况，若灭弧存在困难则波形发生偏离，若无法正常转换则电流一直存在，最终烧坏线路。

图8 分别为断路器在正常动作时、弹簧力不足时、齿轮缺齿时的各信号波形图。将图8（b）与图8（a）的各类信号波形图进行对比分析，发现其主要差异表现在储能电机电流：正常动作时，储能电机电流随时间的推移存在着一定的规律；而弹簧力不足时，储能电机电流不再存在任何规律，出现较多异常跃起，且分合闸电流的异常跃起也有所增加。将断路器在齿轮缺齿时产生的各信号波形图8（c）与图8（a）中对应信号波形进行比对，发现储能电机电流、分合闸线圈电流无明显变化，但相较于正常工作时储能过程中产生的振动及声音信号，齿轮缺齿时增加了许多较为明显的毛刺。

图8 断路器不同工作状态下整体储能电机电流、分闸电流、合闸电流、振动、声音信号波形图Fig.8 Waveform diagram of the overall energy storage motor current signal，opening current signal，closing current signal，vibration signal and sound signal of the circuit breaker under different working conditions

4 结语

本多源信号采集系统以ZN63 系列高压断路器为平台，AT32F437 为核心处理器，利用压电式加速度传感器、自由场传声器、霍尔电流传感器分别检测振动波形、声音波形、电机电流与分合闸线圈电流波形，通过处理传输等模块，在电脑端显示采集结果。通过模拟试验验证，该系统可以较好地检测高压断路器的振动、声音、电机以及分合闸线圈电流信号，误差小，稳定性高；电脑端将接收到的数据转换为波形显示出来，通过比对样本，确定异常主要出现在何种信号中。通过以上研究可以验证本系统能高效、可靠地采集到断路器的振动、声音、电机电流与分合闸线圈电流波形，以支持数据波形比对，为后续从多维度对断路器进行潜在风险规避和故障诊断提供了重要依据，实现丰富诊断类型的同时，节省成本、提高诊断可靠性。