一种基于DSP的高压断路器状态在线监测装置

摘要：本文介绍了一种基于DSP的高压断路器状态在线监测装配，该装配采用TI公司的DSPVC33作为主控制器，能够收集断路器的多种状态信息，实现对状态特征的长数据录波和年夜量历史数据存储，并快速、高精度地在线计较评估断路器动作后的触头电寿命和机械寿命，并在此根蒂根基上组成散布式的高压断路器状态监测系统。
关头词：断路器在线监测DSP

0引言

现代高压电气装备是以高性能、智能化、免维修为成长趋向。电气装备从现行的计划检修向状态检修转变已成为必然趋向。高压断路器是电力系统中重要且数目庞大的电气装备，断路器发生故障酿成的损失，远远超越断路器自己的价值[1]。为了断路器工作的靠得住性，必需接纳相关措施，防患于未然。建立高压断路器的状态检修环节，可以展望故障先兆，克服定期检修的盲目性，同时也为制造出智能型的免维修断路器试探和堆集了资料。本文计议实现高压断路器状态在线监测的原理和技术。断路器长短常复杂的电气装备，断路器的劣化触及到热、电、机械、情况等多方面的身分，虽然对断路器的故障监测与诊断已有较长时间的研究，但至今依然没有一个完善的、成熟的断路器寿命评估模式[2]。今朝的断路器在线监测模式年夜多采用档次不高的单片机作为主控制器，组成自力的监测装配。由于单片机的速度、字长、扩大能力等方面的局限性，存在采样旌旗灯号较少、收集数据不足、对运动进程缺少记实、分析精度不高、计较模子简单等问题，诊断结论缺少说服力[2]，同时存在人机交互性不够友好、联网能力较差的错误谬误。本文认为上述问题的解决应从以下三方面进手：1)断路器监测旌旗灯号的合理选择和进步前辈传感器的选型与安装是状态诊断的条件与关头；2)选用高性能的CPU作为监测装配的焦点，是决议监测系统性能指标的根蒂根基条件；3)改监测装配为监测系统，采用散布式的系统结构，灵活利便，使得智能性、扩大性年夜年夜增强。本文提出的高压断路器状态在线监测系统是采用散布式结构，其中在线监测单元以TI公司的高性能数字旌旗灯号处置器DSPVC33作为主控制器，能对断路器的众多关头参数进行长数据录波，综合诊断，具有地显示和远程网络功能，适用于用得较多的少油或多油、六氟化硫（SF6）及真空三年夜类断路器。

1高压断路器在线监测项目

特征提取是在线监测的重要环节，盲目采用过量的传感器收集断路器的状态特征既不现实也不经济[3]。本文安身于在线监测的实用化，仅直接提取关头特征，经数学分析揣度出断路器的状态和性能。在线监测的主要项目有：1.1断路器触头的电磨损断路器的每次开断城市对触头发生一定水平的损伤，断路器的触头电磨损（又称电寿命）是断路器性能的重要指标。对断路器触头电寿命的诊断，实践证实仅斟酌累计开断电流和累计开断次数是不科学的。合理的法子是依据开断电流的年夜小，评估出该次开断的触头磨损量，再累积每次开断的触头烧损量，作为电寿命判此外依据。各类型号的断路器都可以得知其额定短路开断电流下的允许开断次数，设额定短路开断电流下允许开断次数为N，界说一台全新的断路器的触头相对电寿命（磨损量）为100。则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N，凭据分歧断路器的N-Ib曲线，即可求得肆意年夜小开断电流Ib的对应允许开断次数Nb，则对应的单次开断的相对电磨损量为1/Nb，这样可求出任开断时的相对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命L=L1-å（1/Nb），L1为断路器电寿命的初始值，是一个不年夜于1的百分数，其值由断路器的运行历史决议，新投运的或经过年夜修后的L1可取为1。凭据以上方式和实验成，本文彩用的电寿命计较曲线可在下表的根蒂根基上插值实现。表中Ib为任开断电流，Ie为额定短路开断电流，N为额定短路开断电流下的开断次数，Qm为对应开断电流Ib时的触头相对电磨损量。表1.少油断路器的相对电磨损公式
表2.SF6断路器相对电磨损公式
表3.真空断路器相对电磨损公式
1.2断路器的机械寿命监测高压断路器故障统计中，故障几率高的是操作机构故障。据统计，有40至60的高压断路器的操作事故是由机械方面的缘由酿成的[3]。1.2.1分合闸线圈电流波形分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关头特征，电流波形中蕴含丰硕的信息。图1所示的是一个典型的断路器开断短路电流的跳闸回路电流，T0为分合饬令到达时刻，T1为铁芯起头运行时刻，T2代表铁芯震动操作机构的负载后减速或遏制运行的时刻，T3可视作开关辅助a接点断开线圈电路时刻，T0-T1与控制电源及线圈电阻有关，T1-T2的变化表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变更情况，T2-T3或T0-T3可以反映操作传动系统运动的情况。经由过程以上几个分歧特征时间的分析即可诊断断路器部门机械故障趋向，包括拒分、拒合等故障。1.2.2断路器开断进程的时间行程特征曲线断路器的时间行程特征曲线中蕴含多种信息，包括分合闸时间、同期性、速度和行程旌旗灯号等。这些旌旗灯号与断路器的灭弧室性能、燃弧时间和弧后介的恢复、合分闸弹簧的性能等相关。1.2.3断路器动作时的振动波形断路器在操作时，对应机构中的每部件的动作在振动旌旗灯号时间图上城市有一个振动脉冲，对于分歧的操作，各部件的振动脉冲泛起的顺序是不变的，振动波形具有秀的重复性，是以用振动旌旗灯号分析断路器的动作特征是有用的，振动分析法对于断路器机构的变形、润滑故障诊断活络度高，也是机构和灭弧室磨损、部件故障、装配失误等的特征表象[3]。可以在装配投运时，经若干次划定的例行操作，现场录取该断路器的振动波纹做“指纹”，作为诊断的参考。

2高压断路器在线监测的传感器选型

综上所述，断路器工作状态的检测可采用电流、行程、振动三种类型的传感器实现。为了不影响断路器的正常工作，尽量采用非接触检测方式，传感器在断路器体外安装，且无可调整部件，不需现场整定，受情况身分的影响小。2.1断路器触头的开断电流检测断路器触头的开断电流为交流电流量，本文选用穿心型庇护CT实现。输进旌旗灯号范围为0-100A，输出旌旗灯号峰峰值为－5V～＋5V。2.2分合闸线圈电流检测分合闸线圈电流为直流电流量，本文选用霍尔电撒播感器，安装方式为传感器铁芯启齿安装，不影响断路器的二次接线。输进旌旗灯号范围为0-20A，输出旌旗灯号为4～20mA的直流电流。霍尔传感器是基于霍尔应的原理。所谓霍尔应是指若在一半导体薄片的两头通以控制电流I，并在薄片垂直的标的目的上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场标的目的上将发生电势UH的现象,所发生的电动势称为霍尔电压或霍尔电势。当霍尔元件的材料和几何尺寸肯定以后，霍尔电势的年夜小正比于控制电流I和磁感应强度B，即UH=KHIB，对于肯定的霍尔元件而言，KH为常数。霍尔传感器结构简单，频率响应宽，可实现非接触检测。2.3断路器动触头的行程检测动触头的行程为直线位移，经由过程丈量连念头构的角位移间接实现。本文彩用旋转式光电编码器实现。旋转式光电编码器的特点是重量轻、力矩小、靠得住性高，普遍用于各类角位移丈量的场所。光电编码器由码盘、光源和光电元件组成[4]。码盘有三个码道组成，外圈码道为增量码道，码道上散布有相当数目的透光和不透光的扇形区；中心码道为辨向码道，扇行区位置与增量码道错开半个扇形区；内层码道只有一条透光的狭缝。使用时码盘随被测方针一同旋转，3对光源和光电元件安插在码盘的两侧，位置对称，则外层码道的光电元件输出的脉冲数反映了被测方针转动角度的年夜小；外层码道与中心码道的输出相位差反映了被测方针的转动标的目的；内层码道的狭缝作为码盘的基准位置，输出旌旗灯号提供一个初始零位旌旗灯号。增量码道上扇形区数目的几多，决议了编码器的分辨力。光源一般采用发光二极管，光电元件一般采用硅光电池或光电晶体管。旋转式光电编码器安装在断路器连念头构的转动轴上。2.4振动旌旗灯号检测压电式加速度传感器是是振动丈量的主要传感器形式。和其它类型的传感器相比具有活络度高、频率范围宽、线性动态范围年夜、体积小、安装形式多样等一系列点。压电式传感器是基于压电应的原理。所谓压电应是指正压电应，当沿着一定的标的目的对某些电介加力而使其变形时，内部发生极化现象，在它的两个概况上发生极性相反的电荷，当外力往失落后，又重新恢复不带电状态，这类机械能转化为电能的现象称为正压电应。压电式加速度传感器的主要部件包括壳体、压电片和紧压在压电片上的量块组成。由于量块发生正比于加速度的惯性力，此力作用在压电片上，由正压电应使压电片概况发生正比于加速度的电荷。2.5开进量装配同时检测断路器动作的相关节点状态，并将这些节点状态和以上各类传感器的输出旌旗灯号相连系，用来分析各类机械性能。

3高压断路器在线监测系统的硬件结构

为了实现状态检修的目的，高压断路器在线监测系统应具有各类数据收集、旌旗灯号分析、故障诊断、数据经管等功能，而且具有秀的人机界面，系统中的各功能模块能够实时有用地通讯。系统结构以下图所示。系统的焦点是散布式的断路器在线监测装配，该装配采用模块化背插结构，包括DSP主控板、MMI模件、模进、开进、开出模件和电源模件。断路器在线监测装配安装在现场，它收集传感器输出旌旗灯号，进行在线分析处置后，将装备状态实时显示在液晶面板（MMI）；并经由过程CAN总线送往上位机（PC），上位机系统挪用运用算法，实时计较断路器相关指标并累积历史数据，给出历史评价。DSP主控板是以TMS320VC33为焦点的智能控制模件，它的使命可分为4个方面：信息收集、处置计较分析、控制输出和通讯。由于液晶模块的驱动与现场显示使命量较年夜，故设计中将显示功能自力于DSP主控板，由以89C51为焦点的MMI模件自力执行显示功能。DSP主控板与MMI模件用RS-232毗连，采用简单的主从式串行通讯协议。而DSP主控板与上位机之间的距离较年夜、传输数据量也更年夜，上位机要凭据收到的数据进行更周密的推理，所以采用高靠得住、实时性强的CAN总线毗连。DSP芯片TMS320VC33是美国TI公司推出的TMS320C3X系列的浮点式数字旌旗灯号处置器，它是在原来的TMS320C31浮点DSP的根蒂根基上开发一个价格更低的版本，该产物以高速、低功耗、低成本、易于开发为显著特点。由于采用了内部1.8V，外部3.3V供电，因而功耗比原有型号下降了年夜约一个数目级，带有32b的高性能CPU，具有高速的浮点运算能力，能支持高达75MIPS的运行速度，而且带有34K´32b（1.1Mb）的片内双静态RAM。片内存储器可映照外设，其中包括一个串行口、2个32b按时器和一个DMA；具有法式指导功能，法式可以由低速的EPROM装人到系统的高速RAM全速运行。DSP主控板以DSPVC33为焦点，扩大有存储器模块、通讯接口模块、看门狗电路等。DSP的高速运算能力和运行速度使得对电流旌旗灯号的一周波108点高密度采样、对角位移行程传感器输出的高频脉冲采样得以实现。

4装配的软件结构简介

断路器在线监测装配的软件包括DSP主控板软件和MMI模件软件。DSP主控板软件是系统控制的焦点，MMI板的软件依赖于DSP主控板的数据。DSP主控板的法式可划分为监控法式、通讯法式、采样法式和计较法式四个主要的功能模块。监控法式是主轮回，采用仿嵌进式实时多使命操作系统的使命调剂机制，并对装配自检。采样法式完成对输进量高速采样、录波，生成时钟等使命。计较法式完成断路器操作时的各类在线监控指标的捕捉和计较。通讯法式按规约对通讯数据进行封装，并发送或接收数据。

5结语

电气装备在线监测是变电站自动化的拓展功能，断路器的状态在线监测是其中的一项主要内容。本文介绍了一种基于高速浮点DSP的断路器在线监测装配，介绍了该装配的监控功能和所采用的传感技术。该装配经由过程检测故障电流、分合闸线圈电流波形、触头行程等旌旗灯号计较分析高压断路器的电寿命、机械寿命并评估断路器的动作性能。该装配已投进现场使用，性能稳定，果秀。

参考文献

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