基于DSP的高压断路器触头行程检测系统的研究∗

方昕

（安康学院电子与信息工程学院安康725000）

高压断路器是电力系统中使用广泛的电气设备，其机械特性将直接影响电网运行的安全。针对目前高压断路器检测技术的不足，利用角位移传感器测量合分闸行程位移从而反映断路器的机械特性的思路，设计了基于DSP的高压断路器触头行程检测系统，系统由行程位移信号调理模块、数据采集处理模块、数据通讯模块等组成。通过系统测试并与德国的KoCoS公司断路器特性测试仪得到的测量值进行对比，结果表明系统实时性好、成本低、抗干扰能力强，具有一定的实用价值。

高压断路器；触头行程；检测系统；机械特性

Class NumberTP274

1 引言

高压断路器作为电力系统输配电中重要的电气设备，在整个电网运行中担负着“控制”和“保护”的双重职责。“控制”指根据系统工作需要，通过控制断路器可决定系统中的线路或设备是否运行；“保护”指当系统中的线路或设备发生故障时，可通过继电保护使高压断路器跳闸，切除故障部分，缩小故障范围，从而起到保护系统的作用，使得电网正常运行。其性能可靠性将直接关系到电力系统的安全可靠运行［1～2］。据统计，80%的高压断路器故障是由其机械特性不良造成，造成的损失如引起其他电力设备的损坏或电力系统停电，远远超过了断路器本身的价值。因此，机械行程特性必须监测，以确保高压断路器的安全可靠运行，才能保证电力系统安全的可靠运行［3～5］。

高压断路器一般以直流为控制电源，电磁铁为操纵的第一级控制元件。当线圈中通过电流时，动铁芯收到了吸引，使得高压断路器有了分闸或合闸运动。在每次分/合闸过程中，都可以通过测量高压断路器分合闸行程位移来检测其工作状态，为机械特性检修提供判断依据［6～8］。现有的自主研发的检测系统中依然存在诸多问题，如数据精度低、故障判断难、维护费高、抗干扰能力弱等问题。因此，需要研制适用范围广、测量精度高、抗干扰能力强、价格低廉的设备或测量方法［9～10］。

本文主要研究高压断路器的触头行程测量，其是高压断路器机械特性监测的一个重要方面。随着现场测试记录数据的增大，传输速度加快，通讯时间缩短，仪器实时性提高的需求，本研究开发了基于DSP的高压断路器触头行程检测系统，并对其进行了现场测试，测试结果表明，该系统结构简单、运行方便、检测有效，具有一定的实用价值。

2 系统总体设计

本系统以DSP处理器为核心，设计了行程位移信号调理模块、数据采集模块、上位机显示模块等。系统工作时，DSP处理器采集行程位移信号调理模块的输出信号进行数据处理，得到高压断路器的触头行程测试结果，再通过USB通讯电路传给上位机；上位机采用工控机作为整个系统的上层管理设备，通过Labwindows/CVI虚拟仪器软件编制上位机程序，从而实现对高压断路器触头行程的检测。其优点能充分地利用DSP计算快速的优势，实时地得到测试结果，使得系统整体达到结构简单、运行方便、检测快速有效、抗干扰能力增强的目的［8］。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

3 系统硬件设计

3.1行程测量调理电路设计

由于高压断路器外形结构尺寸的缩小和部分高压断路器内部结构的特殊性，使得在其动触头附近几乎没有安装直线位移传感器的空间，直接测量不再适合。考虑到由于高压断路器在分合闸过程中动触头的运动与主轴连动杆运动行程之间的关系，即曲线特性呈现出近似直线的规律，因此本文采用通过测量高压断路器主轴连动杆的角位移的方法来获得动触头的行程位移，故选用角位移传感器来检测开/合闸角位移。首先在角位移传感器的两端施加固定参考电压后，然后测量发现其输出电压会随着滑动触头位置的改变而成比例变化［6～8］。行程测量调理电路如图2所示。

图2 行程位移信号调理电路

图中，由两个运放、一个线性光耦构成了电流负反馈电路，在运放反馈回路上连接了电容C1，其连接电容的好处有两点：一是可对信号进行相位的补偿，二是消除了在某些频段上可能出现的自激震荡。虚线部分表示为电位器式角位移传感器，VA为触头运动时的角位移传感器的输出电压信号，VB为进入数据采集模块A/D通道的电压；VA与光耦隔离后的电压Vout满足如下关系：

其中，电阻RF1、电阻RF2组成分压电路，并且RF1=RF2，Rin=Rout。Vout经分压后的电压VB为

当触头运动时，VA电压会发生变化；通过Mul⁃tisim仿真软件模拟行程位移，若VA增大，此时VB与VA的电压关系如图1所示。

图3 行程位移仿真图

3.2数据采集模块设计

系统选用的数字信号处理器（DSP）型号为TMS320F2812，由于其自带的ADC达不到测量精度的要求，因此系统在DSP处理器外部扩展一个ADS7852芯片来实现模数转换。ADS7852为Burr-Brown半导体公司生产的12位、8通道、并行模数转换芯片，其具有+2.5V基准输入电压端、8路模数转换通道、最大采样率为500KHz，采样率与时钟频率关系为［6～8］：

图4 数据采集模块设计

图中，时钟采用4MHz，采样率为250KHz。ADS7852的AN0～AN7为8个模拟电压输入通道，A0～A2为通道选择信号输入端；DB0～DB11为12位的数据接口；BUSY/为模数转换是否结束信号查询端。

3.3USB通讯模块设计

针对传统的串口通信方式耗时较长的问题，如RS232传输2Mbit的数据用时需长达十几秒，本文采用USB总线实现系统上位机与DSP的通讯。USB（Universal Serial Bus）为通用串行总线，从1994年起至今经历了多年发展，已经成为总线通讯数据传输的手段，传输2Mbit的数据可用时不到4s，缩短通讯时间，有利于数据实时传输［6～8］。本文设计的USB接口电路基于PL2303芯片，接口电路设计如图5所示。

图5 USB接口电路图

由上图可知，USB通过一根屏蔽的4芯电缆线与上位机即工控机进行通讯，四根电缆线分别为电源线、地线、数据线D+和数据线D-。D+和D-这两根数据线采用差分技术传输数据，使得USB的传输具有极强的抗干扰性。

4 系统软件设计

系统软件设计主要包括上位机程序设计和DSP测量程序设计。其中，上位机程序设计是基于LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台开发的，通过人机交互式操作界面，主要实现行程数据、曲线显示等功能。LabWindows/CVI是National Instru⁃ments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集、分析、表达集成于一体，便于开发人员建立检测系统，实现自动测量，数据采集等功能［6-8］。本文设计的检测系统界面如图6所示。

图6 检测系统主界面

DSP测量程序主要是对下位机DSP进行编程，采用的是CCS（Code Composer Studio）编程软件，其支持汇编、C/C++等编程语言，可对DSP进行仿真、可视化的数据分析，实现信号采集、数据处理、数据通讯、结果上传等功能。测量程序流程图如图7所示。

图7 测量程序流程图

5 行程位移准确度检测

结合实际应用，以LW8-30系列单相四断口SF6断路器试品为例对该检测系统进行了工业现场测试。通过本系统将断路器合分闸的行程进行多次重复测量，并将德国的KoCoS公司断路器机械特性测试得到的测量值作为标准值进行对比分析，结果如表1所示。

表1 行程位移测试结果

行程位移测量的系统误差用最大引用误差表示为

由表1可知，行程位移测量绝对误差最大值为

由此可知，系统的动触头行程位移的检测方法有效，且抗干扰能力较强，系统操作简单、方便、响应速度快，保证了测量精度，具有一定的实用价值。

6 结语

本文以DSP为核心处理器，采用了USB通讯模块，利用角位移传感器测量合分闸行程位移从而反映断路器机械特性的方法，结合上位机以虚拟仪器软件LabWindows/CVI为平台开发的高压断路器触头行程检测系统，实现了高压断路器触头行程的测量，经与德国KoCos断路器特性测试设备数据对比，证实了开发的高压断路器行程测量系统具有实时性好、成本低、可靠性高等特点。但系统中传感器的配套使用、系统数据对断路器机械特性的判断方面仍然需要进一步研究，以便提高检测系统的实用性。

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Detection System of High Voltage Circuit Breaker Contact Travel Based on DSP

FANG Xin
（Department of Electronic and Information Engineering，Ankang University，Ankang725000）

High-voltage circuit breaker is widely used electrical equipment in power system.Its mechanical characteristics will directly affect safety of power grid operation.Aiming at the shortcomings of the current high-voltage circuit breaker detection technology，using angular displacement sensor detects to measure displacement of closing trip to reflect mechanical characteristic，the contact travel detection system of the high-voltage circuit breaker is designed based on DSP.The system consists of travel dis⁃placement signal conditioning module，data acquisition and processing module，communication module，data display module.The test results show that the system has good real-time performance，low cost，strong anti-interference ability，and has certain practi⁃cal value by comparing the system test with the standard value obtained by the German KoCoS circuit breaker.

high voltage circuit breaker，contact travel，detection system，mechanical characteristic

TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.05.022

2016年11月4日，

2016年12月23日

国家自然科学基金项目（编号：51377125）；陕西省教育厅项目（编号：12JK0536；16JK1016；16JK1015）；陕西省青年科协项目（编号：2015110）；安康学院培育项目（编号：2016AYPYZX09）；安康学院高层次人才项目（编号：2016AYQDZR06）资助。

方昕，女，硕士，讲师，研究方向：测量、数据处理、智能算法。