断路器运行状态在线监测系统设计.pdf

光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器161断路器运行状态在线监测系统设计林子富玉林市福泰建设投资发展有限责任公司，广西 玉林 537000摘要：在使用断路器时型号和极数的选择很重要，合适的型号和极数能够使设备运行更加稳定和安全。初步选定型号和极数后，需要与上、下位启动装置的安全特性进行匹配，进而防止设备的跨幅度失效，避免引起安全问题。在此基础上，需要使用高效方法对断路器的运行状态进行实时监管，可以在断路器上应用各类传感器，辅以信号转换模块，远程传输断路器的运行状态和问题缺陷，进而实现高效的在线监测。关键词：断路器；传感器；在线监测系统；上位机分类号：TM5610 引言断路器是有着强大辅助支撑功能的器件，通过合理控制电路的中断和延续，可以保障设备稳定运转，避免发生异常事件，从而为厂区电器集中使用提供一定的安全保障1。为了更加稳定高效地监测断路器运行状态，需要设计在线监测系统。1 在线监测系统硬件设计研究人员设计了在线监测系统硬件框架，如图 1、图 2 所示，主要包括传感器、与传感器输出端连接的信号调理电路、与信号调理层输出端连接的模数转换模块、STM32F407 模块。1.1 传感器1.1.1 位移传感器在在线监测系统硬件框架中，位移传感器通常采用直线式传感器，在稳定工作的前提下量程通常选用45 mm，该传感器具有高度耐疲劳性，运动精确度可以维持在 0.18%。位移传感器传动杆的运动量可以转换为负载电压，通过放大原件 lm324 进行信号放大、由模数转换模块进行处理、经过单片机的运算，最终形成位移-时间特性曲线，为后期其他传感器的特性拟合提供了数据支持2。1.1.2 加速度传感器在对断路器的监测中，加速度传感器的使用也尤为重要，通过加速度传感器与信号调理电路的数据通信，可以将断路器故障失效时产生的微弱振动信号放大后传输至信号调理电路的输出端，然后通过模数转换模块与 STM32F407 建立稳定的传输连接，从而获得作者简介：林子富，男，本科，工程师，研究方向为电网及变电站生产管理、变电站项目、分布式光伏建设、施工管理及运营。文章编号：2096-9317（2023）03-0161-03加速度传感器霍尔电流传感器压力传感器A/D转换模块AD7606STM32F407AID 转换及微处理模块位移传感器信号调理电路传感器及调理电路图 1 在线监测系统前端框架AD 转换及微处理模块电源模块4G 通信模块铁电存储器JATG 调试传感器及调理电路STM32F407图 2 在线监测系统整体硬件架构 照明电器 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明162振动信号的特性拟合曲线，对比正常状态下的特性曲线可以直观判断断路器的运行状态。加速度传感器通常选用型号为 34208A 的三轴式传感器，其可测范围为550g（g 为重力加速度），响应速度快，响应频率通常稳定在 10 kHz 左右。通常情况下，传感器在感受到微弱震动后响应电荷会大幅度提升，且随着震动次数和频率的增加，电荷量也不断提升，呈现正比例关系3，放大电荷量并进行模数转换可以获得清晰的故障特性曲线。1.1.3 霍尔电流传感器通过设置霍尔电流传感器可以最大限度地提高对断路器电流运行动态的敏感性，霍尔电流传感器可以捕获微弱电流信号，通过预先布局的专用信号采集模块，放大电流在电阻上产生的电势差。经过滤波组进行信号优化处理，得到数模转换前的数据流，将数据流传送至调制电路进行数据值模拟计算，最终将计算值与实际情况进行特性拟合4，得到电流的实时运行动态。1.1.4 压力传感器压力传感器可以通过断路器的触头对线路闭环过程中闭合触头所产生的压力进行在线监测，可以判定触头与线路的闭合稳定性，避免断路器的非紧密接触带来的断路器打火故障和其他严重故障5。压力传感器的检测范围广，通常情况下可以达到 8 mV，灵敏度强。在传感器完成信号采集后，通过调理电路的提取与分析可以得到准确的计算值，进而实现传感器特性曲线的拟合，通过实时监测特性曲线的拟合状况可以确定断路器的具体工作状态，进而判断断路器的故障与失效情况6。1.2 其他硬件传感器捕获的信号和收集的数据会经过数模转换，转换后的数据流会传输至 STM32F407 模块进行处理。STM32F407 模块由 5 V 电源供电，通过数模转换模块进行数据采集与识别。数模转换模块具有 9 个信道模拟输入口，在使用时将 A1 A4 接口通过电路板线连接至数模转换模块的信道输入口，将 B1 B5 接口与STM32F407 模块的 D1 D5 接口连接，进而实现稳定的数据流传输7。当断路器触头出现故障或者失效时，传感器会检测到信号的变化，从而引起 STM32F407 引脚电平的改变，当电平达到稳定状态后，数据流会存储在 STM32F407 的临时储存器中，STM32F407 的内部预先导入了处理程序8。在线监测系统的处理器采用 ARM Cortex 芯片，该芯片外接调理电路、恢复电路、OV7670 模块、AL422B模块、信息存储模块、数据通信模块、显示器、微处理模块、CMOS 摄像头、定位模块等，能够实现高空拍摄，获取土木工程结构和地质的高空图像。ARM Cortex 芯片是 16/32 位 RISC 微处理芯片，设置有 SDIO接口、SD 卡接口、串口、网口、USB 接口等。控制模块内存为 128 MB 以上的 DDB 内存，具有 256 MB NAND flash，控制板 S3C6410 处理器能够支持 NAND flash、NOR flash、SD 等多种存储和启动方式。DSP 模块作为适配器能够高精度计算采集的数据信息，从而提高断路器的信号处理能力9。在线监测系统的数据通信可以选择移动通信方式，在现有技术条件下应该优先选用 4G 通信模块进行辅助，对转换模块前的传感数据进行数据交互，经过上位机的处理将数据流暂存在铁电存储器，经过串口再次进行 JATG 性能调试，在此过程中使用 TCP 进行数据流传输10。2 在线监测系统外围电路设计为了准确得知断路器触头的开闭时间节点，需要拟合出触头开闭的特性曲线。旋转光电编码器的结构如图 3 所示，通过旋转光电编码器可以及时监测触头的开闭，在断路器触头开闭的瞬间，编码器中的码盘会同步运行，此时外部光穿过码盘被接收元件接收，然后信号电路中会出现间断式的信号源，通过对信号源的处理，可以模拟出触头开闭的特性曲线。根据特性曲线的走向能判定断路器触头的运动形式，结合时钟电路，可以计算出触头的开闭速度，为在线监测提供稳定的支撑11。断路器的运行电路通过 I/O 控制输出开关，结合数模转换模块能够优化结构，对于外接部分进行调整，使芯片接入方式能够满足适用要求。在线监测系统使用的非正交多址接入结构通过多个引脚控制，能够同时控制多个传感器数据的采集和输出，提升传感效率，进而提升在线监测的准确性12。3 在线监测系统模块设计在线监测系统的模块分为传感融合模块、集成控制模块和信号处理模块三大模块。3.1 传感融合模块传感融合模块使用 LM1117 低压差电压调节器，光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器163该调节器的电压范围为 1.25 13.8 V，负载调整范围为 0.4%，电压差在 1.2 V 输出，为整个电路提供了电流限制和热保护功能13。模块使用了 IN4734 稳压二极管，起到了稳压的作用，同时使用了 SW-DPDT 双刀双掷开关，使电路的安全性能提高。模块采用 ARM Cortex-M0 高功效微处理器，该处理器功耗超低，可以实现断路器运行监测数据的动态可视化14。3.2 集成控制模块集成控制模块使用新一代数字信号处理芯片TMS32010，该芯片内部有 1616 硬件乘法器、字长为32 bit 的逻辑运算单元 ALU、144 个数据寄存器和移位寄存器、辅助寄存器、堆栈和指令计数器等。芯片有40 个引脚，寻址能力强，对外数据字长为 16 bit。芯片的周期为 200 ns，乘法指令在 1 个周期内可完成 16 bit16 bit 的乘法，对于断路器运行过程中的数据处理非常有效15。3.3 信号处理模块信号处理模块是整个在线监测系统数据动态可视化的核心，该模块采用 TRF7960 读写芯片，该芯片有性能强、运行功耗低、多种协议并存、集成度高等许多优点，实现了断路器启动过程中监测数据的读写处理。模块使用 32 位的 ARM 处理器设置接口访问程序和控制模数转换，可以实现断路器运行过程中的三维可视化控制16。综上，使用并行外设接口与断路器连接，可以监测断路器运行数据的动态变化，同时对监测出的异常数据进行预警处理。4 结束语文章针对断路器运行状态在线监测系统硬件和电路都进行了改进。在硬件方面，对各传感器模块、数模转换模块、单片机和程序进行优化，不但能够及时显示和传输断路器的运行状态数据，而且数据信息通过 4G 无线通信方式进行传输，为在线监测提供了根本支撑。在电路方面，电路模块为数据流信号的准确传输提供了支持，使得数据的偏差很小，确保了在线监测的平稳高效。参考文献1 孙子昌,陈昊,张建忠,等.高压断路器在线监测技术综述J.湖南电力,2021,41(3):53-57.2 韩盛选.变电站断路器监测系统的研究与应用D.鞍山:辽宁科技大学,2021.3 张伟.基于动作过程振动监测的低压断路器机械寿命预测D.天津:河北工业大学,2021.4 石金波,唐天笑,陆骢,等.断路器机械特性分析与故障诊断系统的设计和应用J.光源与照明,2023(1):153-155.5 高淇.高压断路器的机械特性劣化趋势分析及寿命预测D.厦门:厦门理工学院,2021.6 张斌.断路器机械特性状态评价与检修策略管理改进D.北京:中国科学院大学(中国科学院大学工程科学学院),2019.7 张琦,都成刚.高压断路器状态智能监测系统设计J.环境技术,2018,36(6):77-82.8 孙伟业.基于STM32和4G无线通信的真空断路器状态监测及故障诊断系统D.合肥:合肥工业大学,2021.9 郭兴宇,黄智慧,梁德世,等.新型机电混合断路器及其电流转移过程分析J.电工技术学报,2022,37(24):6411-6419.10 豆龙江,何玉灵,万书亭,等.基于振动信号的高压断路器弹簧疲劳程度检测方法J.电工技术学报,2022,37(24):6420-6430.11 盖曜麟,葛丽娟,郭懿中,等.基于改进SVM算法的高压断路器故障诊断J.高压电器,2022,58(12):14-20.12 王岩,吴秀茂,孟子良,等.基于Adams的高压断路器轴封结构优化与试验J.高压电器,2022,58(12):37-41.13 姚聪伟,庞小峰,孙帅,等.基于二次时间信息的断路器操动机构状态预警方法研究J.高压电器,2022,58(11):114-120.14 姚灿江,徐刚,孙龙勇,等.选相合闸断路器机械稳定性研究与设计J.高压电器,2022,58(11):167-175,183.15 姚宁,李德召,杜道忠,等.适用于直流配电网的混合式断路器研究J.高压电器,2022,58(11):184-190.16 李璨,咸日常,张宁,等.10 kV大电流接地系统真空断路器切除空配变的操作过电压暂态特性J.真空科学与技术学报,2022,42(12):943-951.图 3 旋转光电编码器结构转动轴信号处理模块信号输出模块码盘光栅 2光栅 1光源接收元件