断路器动触头速度检测系统设计

断路器动触头速度检测系统设计

上官志灿

350524199105036018  厦门烟草工业有限责任公司 361000

摘要：本文介绍了一种基于单片机的高压断路器在线监测系统。主要是对断路器动触头分、合闸的速度进行在线监测。该系统以AT89C51单片机为处理器，系统具有信号采集、调理、转换的功能，并可以将采集到的角位移量通过计算，转换成直线位移量，在软件上进行波形的显示。系统分为几个模块：信号接收及调理模块、A/D转换模块、D/A转换模块、串口等。

关键词： 高压断路器；动触头；在线监测；角位移传感器；

前言

高压断路器是电力系统中最重要的高压开关电器,它的主要作用是在电力系统发生短路故障时自动地切断电力系统的短路电流,以防故障扩大,确保电力系统安全稳定运行。根据电力系统安全、可靠和经济运行的需要,高压开关电器应能开断和闭合正常线路与故障线路。为了保证高压断路器动作的安全可靠,在断路器生产、安装和调试的过程中必须对其机械特性进行严格的测试,测试参数主要包括分(合)闸时间、速度和行程等,并以此为判断该断路器质量是否合格,能否安全投入使用的重要依据。

一、高压真空断路器的基本结构及工作原理

真空断路器有载流灭弧装置和操动机构两部分组成。操动机构对断路器在分、分合闸时，提供所需要的操作功，由于真空断路器的开距短、电弧能量小，与开断参数相同的其他断路器相比，操作功所需量远小于六氟化硫断路器及油断路器。早期真空断路器采用电磁机构，现在多数改用弹簧机构，就机构本身而言，除机械寿命次数高外，与油断路器及六氟化硫断路器的操动机构没有本质上的区别，因此讲到真空断路器的结构时，主要是真空灭弧室，它与油断路器或六氟化硫断路器相比，有本质上的差异。

真空断路器是指断路器的主触头置于真空灭弧室内，触头的开断与闭合均在高真空度的环境中进行。所以真空断路器的结构，就是真空灭弧室的结构。（1）触头，真空灭弧室的触头，一般采用对接式，但是对接式触头容易产生弹跳现象，所以需要提高触头的初始压力值，用来减少触头的弹跳时间，一般其弹跳时间不允许超过2ms。两触头的开距，10KV的一般为10～16mm，35KV一般为24～40mm。（2）屏蔽罩，屏蔽罩是包围在触头周围的金属圆筒，其作用是吸收来自燃弧过程中所排放出来的金属蒸汽及金属液滴，防止其返回两触头间隙引起重燃，以及外壳绝缘强度降低。（3）波纹管，波纹管是真空灭弧室重要的部件，通过利用波纹管的纵向可伸缩性，从真空灭弧室外部用机械方法使内部的触头运动，同时又不会破坏外壳的气密性。（4）绝缘外壳，真空灭弧室的绝缘外壳常用的材料有玻璃或者高氧化铝陶瓷。玻璃外壳真空灭弧室适用于开断电流较小的断路器，陶瓷外壳则可用于所有的真空断路器。

断路器的所有使命，总的来说就是体现在触头的分、合动作，而分、合动作又是通过操动机构来实现的。下面是真空断路器的分、合闸操作过程：合闸：操动机构合闸线圈得电→合闸铁芯动作→机构及传动连杆动作→开关主轴转动→绝缘推杆前推→三角拐臂转动→下压触头弹簧片装置→灭弧室动导电杆向下运动使触头接触→触头弹簧压缩至接触行程终点，同时机构的辅助开关切断接触器线圈电源，电磁机构的扣板由半轴扣车保持在合闸位置→合闸结束。分闸：机构中分闸线圈得电→分闸铁芯动作→扣板与半轴脱扣→断路器在触头弹簧盒分闸弹簧的作用下迅速分断→机构的辅助开关切断分闸线圈电源→机构复原，并由分闸弹簧保持在分闸位置。

二、系统设计方案

   本次的系统设计是以AT89C51单片机芯片作为处理器来运作的，该单片机是一种功能强大的微处理器，能够满足此次系统设计。系统的设计流程如下：系统初始化，模拟传感器检测，将传感器传输的信号进行A/D转换，然后在单片机进行数据处理，相应的在液晶屏上显示分合闸的速度，同时经过串口，连接MATLAB显示时间-位移曲线。为了进行对比，将A/D转换的信号再进行D/A转换，并用示波器进行角度波形的显示。

本次设计采用的角位移传感器型号为WDY-35D1-634-0C型，其标准阻值为1KΩ，独立线性度≤0.1%。角位移传感器的体积小，因此便于安装。角位移传感器输出电压信号与实际的角度行程成线性关系。通过与直线位移传感器相似的转换公式,可以得出实际的角度行程。

其中A代表实际角度行程,θ代表传感器总量程；U 为加在传感器两端的电压(一般情况下为9V);P为AD976(下位机A/D采样模块)的采样数据;20为AD976满量程电压;65535表示AD采样为16。

三、系统设计总体流程图

   系统设计流程，首先要接收到传感器给出的信号，然后进行模数转换，得到的数据进行计算，使其变化成直线位移，然后在上位机进行位移-时间波形的显示。系统设计的总体流程如图1

本次设计采用的液晶显示模块是LCD1602液晶显示模块。LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示1602即32个字符。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个57或者511等点阵字符位组成，每一个点阵字符都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。

四、结束语

综上所述，本文利用单片机，以高压断路器动触头行程为主要的研究对象，设计主要运用单片机、传感器、MATLAB及LCD显示等。整个系统包括信号接收和处理模块、A/D和D/A转换模块、LCD液晶显示模块、串口和上位机MATLAB软件波形显示模块。设计将角位移传感器接收到的数据，进行放大后，在系统中进行处理，将角位移到直线位移的转化，在上位机MATLAB软件上显示位移-时间波形，即断路器动触头行程的曲线图，通过研究该曲线图，可以得出动触头运动的分闸速度、合闸速度等相应的机械特性参数。

参考文献：

[1]方可行，断路器故障与监测[M]。北京：中国电力出版社，2003；

[2]苑舜，高压开关设备状态监测与诊断技术[M]。 北京：机械工业出版社，2001。      　　　

[3]林燕侠，真空断路器机械特性故障诊断研究[C]。江苏科技大学学位论文, 2009               

[4]陈杰，传感器原理及检测技术[M]，北京：机械工业出版社,2013                            

[5]张永奎, 赵智忠等，基于分合闸线圈电流信号的高压断路器机械故障诊断