基于分合閘線圈信號的斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

卞和營+代克杰

摘 要： 針對目前高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀和不足，提出了一種基于分合閘線圈電流信號的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計了構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路和在線監(jiān)測軟件，該系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、濾波、放大和分析，能夠計算分合時間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭幼黝愋瓦M行基本的判斷，監(jiān)測結(jié)果能在上位機監(jiān)控界面上顯示。實驗和實際運行結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實時性好、監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、可靠性高和抗干擾能力強等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 斷路器； 在線監(jiān)測； 硬件設(shè)計； 軟件設(shè)計

中圖分類號： TN710?34； TP21 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0100?05

Design of online monitoring system for breaker status based on closing coils signal

BIAN He?ying， DAI Ke?jie

（College of Electrical and Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： Aiming at the research status and deficiencies of online monitoring technology for high voltage circuit breaker， an online monitoring system for high voltage circuit breaker status based on the current signal of the closing coil is provided. The hardware circuits and online monitoring soft were designed. The system can realize collecting， converting， filtering， amplifying and analyzing the real?time current signals quickly， and also can calculate a lot of parameters such as the close?open time， close?open velocity， switching path， close?open path and overshoot distance， which can judge the types of action of the high voltage circuit breaker， and the monitoring results can be displayed on the PC monitor interface. Experiment and actual operation shows that the system has the advantages of better real?time， fully data monitoring， high reliability and high anti?disturbance.

Keywords： circuit breaker； online monitoring； hardware design； software design

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的容量與能量需求的不斷增加，電力設(shè)備的安全運行顯得越來越重要。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)設(shè)備，能夠根據(jù)電網(wǎng)運行的需要可靠的投入或切除相應(yīng)的線路或電氣設(shè)備，在電網(wǎng)中能起到控制和保護作用。當(dāng)發(fā)生故障時能夠及時將故障線路或電氣設(shè)備從電網(wǎng)中快速切除，如果高壓斷路器不能及時開斷線路、消除故障，就會使事故擴大造成嚴(yán)重后果[1?2]。因此高壓斷路器工作的可靠程度、性能的好壞是決定電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。

目前，我國變電站對高壓斷路器的檢修主要是定期檢修，但對高壓斷路器定期檢修制度的盲目性大且需要拆卸，常常在拆卸和安裝過程中會帶來新的問題[3]。因此對高壓斷路器必須實行在線狀態(tài)監(jiān)測，實時監(jiān)測其運行狀態(tài)，為設(shè)備是否需要狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

一些發(fā)達國家對高壓斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已日趨成熟。比如美國德克薩斯電力公司的便攜式斷路器分析儀、ABB公司開發(fā)的SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、日本東京電力公司和東芝公司聯(lián)合開發(fā)的GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)等[4]。目前我國還沒有很成熟的斷路器狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，但一些單位在這方面已做出了有益的探索，如清華大學(xué)開發(fā)的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，華中理工大學(xué)和湖南省電力局聯(lián)合研制的高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)等[5?6]。根據(jù)各種資料和文獻的報導(dǎo)[7?10]，目前高壓斷路器的在線監(jiān)測技術(shù)仍存在如下幾個突出問題：在線監(jiān)測選擇的傳感器不夠精確，診斷精度不高；數(shù)據(jù)的保存、處理等不系統(tǒng)，缺乏科學(xué)的管理，無法根據(jù)利用斷路器運行的歷史對故障做出合理的判斷；在線監(jiān)測裝置模塊壽命過短，安裝維護困難，價格過高而精度不夠高；以往在線監(jiān)測裝置所關(guān)心的是機械參量的計算結(jié)果，而對機械運動的過程關(guān)心不多。

基于此，針對目前高壓斷路器研究的現(xiàn)狀和不足，結(jié)合國內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的最新研究成果，設(shè)計開發(fā)了一套高壓斷路器在線監(jiān)測裝置。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計

本設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計主要包括信號調(diào)理電路、隔離放大電路、AD7606應(yīng)用電路以及AD7606與STM32的接口電路；軟件設(shè)計主要是高壓斷路器智能在線監(jiān)控軟件的設(shè)計。具體的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計方案如下：首先將采集到的高壓斷路器分合閘線圈電流信號通過信號調(diào)理部分的濾波、轉(zhuǎn)換等作用變成電壓信號；其次通過隔離放大電路將此電壓信號放大到AD7606端口所需的電壓；再通過AD7606將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸入到STM32微處理器中，利用STM32的計數(shù)器實現(xiàn)編碼器的脈沖計數(shù)，進而測量出高壓開關(guān)觸頭行程；最后STM32將測到的電流數(shù)據(jù)和行程數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過RS 422接口傳給上位機PC，并在監(jiān)控界面上顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理電路首先將電流傳感器采集到的高壓斷路器的分合閘電流信號通過電阻[R104]將此信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號，然后經(jīng)三端濾波器FP100將此電壓信號輸入到模擬運算放大器，通過模擬運算放大器AD822將電壓信號放大[K]倍后把信號傳輸給隔離放大器電路，其中[K=1+R101R100=10。]信號調(diào)理電路如圖2所示。

2.2 隔離放大電路設(shè)計

設(shè)計的隔離放大電路如圖3所示。

此電路最重要的部分是IC100隔離放大器，其內(nèi)部封裝元件是ISO124，它是一種新的占空比調(diào)制解調(diào)技術(shù)的精密隔離放大器，采用匹配1 pF隔離電容進行輸入輸出的隔離，并整體嵌入塑料封裝內(nèi)。IC100的每一個電源引腳都要接一個1 μF的電容，電容應(yīng)盡可能地靠近放大器，其內(nèi)部頻率設(shè)定為500 kHz，為把DC/DC轉(zhuǎn)換器饋通噪音減至最低，在電源端設(shè)計了一個л型過濾器。ISO124放大器傳輸信號通過一個500 kHz占空比調(diào)制技術(shù)穿過一個隔離電容。對于輸入信號低于250 kHz的頻率，這種系統(tǒng)的工作就像任何一個線性放大器的工作，但是對于頻率高于250 kHz，其工作的情況與采樣放大器相似。

圖2 信號調(diào)理電路

圖3 隔離放大電路

2.3 AD7606應(yīng)用電路

設(shè)計選用16位、8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)AD7606，其內(nèi)部包括模擬輸入位保護、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4中[V1、][V2、][V3]和[V4]分別是由信號調(diào)理電路經(jīng)隔離放大后輸出的主分電壓、副分電壓、合閘電壓和儲能電機電壓，作為AD7606的輸入信號。[RP80]和[RP81]構(gòu)成上拉電阻。電容[C84、][C83、][C80]等可實現(xiàn)退耦作用，為AD7606提供所需的穩(wěn)定電壓。AD7606數(shù)字端口使用的+3.3 V的電壓，與STM32使用同一路電源，模擬部分電壓AVCC由模塊電源輸出的5 V電壓經(jīng)濾波后提供。

2.4 AD7606與STM32的接口電路

STM32和AD7606接口電路如圖5所示。

圖5 AD7606與STM32接口電路

圖5中STM32的28腳和AD7606的CONVST腳相連，用于啟動AD7606進行A/D變換；STM32的24腳和AD7606的BUSY?AD相連，實現(xiàn)對AD7606轉(zhuǎn)換狀態(tài)的識別，AD7606轉(zhuǎn)換未完成時，引腳為低電平，轉(zhuǎn)換完成后，變成高電平；STM32的25腳和AD7606的CS?AD腳相連，用于選擇AD7606；STM32的27腳和AD7606的RD?AD腳相連，用于讀取AD7606變換后的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 斷路器故障監(jiān)測原理

高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級控制件，而且基本上以直流電源為控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著診斷機械故障的重要信息。線圈的直流供電電路如圖6所示。圖6中[L]的大小取決于線圈和鐵芯鐵軛等的尺寸，并與鐵芯的行程[S]（即是鐵芯向上運動經(jīng)過的路程）有密切關(guān)系，其值隨著[S]的增加而增加，如圖6所示。

設(shè)鐵芯不飽和，則[L]與[i]的大小有關(guān)，電路中開關(guān)K合閘后，由圖6電路得：

[u=iR+dwdt] （1）

式中：[w]為線圈的磁鏈，[w=Li，]于是，上式可變?yōu)椋?/p>

[u=iR+dLidt=iR+Ldidt+idLdSdSdtu=iR+Ldidt+idLdSv] （2）

不同[S]處的[dLdS]即為如圖7曲線在[S]處的斜率[tan?；][v]為鐵芯的運動速度。圖8為高壓斷路器操作時，線圈中的典型電流波形隨鐵芯運動的變化過程可分為以下四個階段。

圖6 斷路器分合閘電路

圖7 L?S曲線

圖8 線圈電流波形

（1） 鐵芯觸動階段：在[t=t0～t1]的時間段，[t0]為斷路器分（合）命令到達時刻，是斷路器分、合時間計時起點；[t1]為線圈中電流、磁通上升到足以驅(qū)動鐵芯運動，即鐵芯開始運動的時刻，這是指數(shù)上升曲線，對應(yīng)圖8中[t0～t1]的電流波形起始部分。

（2）鐵芯運動階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運動，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運動為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運動狀態(tài)，例如鐵芯運動有無卡澀以及脫扣、釋能機械負載變動的情況。

（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運動。這一階段是通過傳動系統(tǒng)帶動斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運動的時刻，而觸頭則在[t2]前后開始運動，[t3]為斷路器輔助接點切除時刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動系統(tǒng)運動的情況。

（4）電流切斷階段：[t=t3]時，輔助接點切斷后開關(guān)K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。

綜合以上幾個階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間等參數(shù)，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動閥，鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測操動機構(gòu)的工作狀態(tài)，進而預(yù)測故障。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計思路：當(dāng)STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經(jīng)A/D采樣后將數(shù)據(jù)信息暫存在環(huán)形存儲器，判斷所得數(shù)據(jù)是否大于閾值，然后將大于閾值的數(shù)據(jù)再次經(jīng)A/D采樣，存儲在正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)采樣次數(shù)大于等于2 000時，就將數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送到上位機。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖9所示。

圖9中環(huán)形存儲器只存儲500個數(shù)據(jù)且只存儲最新的500個數(shù)據(jù)，即可存儲最近的100 ms數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供3 000點的存儲容量，提供600 ms的實時數(shù)據(jù)，兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行拼接，可以完整記錄斷路器動作一次時操作機構(gòu)各個線圈電流的變化。

3.3 斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件是利用C++語言設(shè)計的斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù)在上位機上可視化顯示的軟件。設(shè)計軟件中包括基本設(shè)置、設(shè)備參數(shù)、算法選擇、建立連接、分析數(shù)據(jù)、消除報警、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、用戶管理等功能，本界面通過和下位機的連接將采集的數(shù)據(jù)傳送顯示出來，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中以表的形式存儲數(shù)據(jù)。高壓斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

圖10 斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)界面

圖10為采集信號后的分析圖，通過對采集的信號進行分析，可以給出前述各個過程的時間點，計算各個過程的特征值，同時可以對動作類型進行判斷，計算分合時間、分合速度、開關(guān)超程、分合行程、過沖距離等參數(shù)。

3.4 系統(tǒng)的功能、可靠性測試及應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計完成后進行了功能和可靠性測試，為此專門設(shè)計了模擬測試系統(tǒng)。模擬電路采用三個霍爾傳感器，模擬實際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設(shè)計了一套觸發(fā)裝置，能輸出三路開關(guān)量，該裝置能每隔3 min觸發(fā)一次，依次觸發(fā)合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。

功能性試驗共進行了3 000次，試驗結(jié)果表明設(shè)計的系統(tǒng)動作可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

斷路器故障監(jiān)測系統(tǒng)通過了各種功能測試、可靠性測試以后，于2012年8月在平高集團高壓試驗大廳進行了試驗測試，并應(yīng)用在公司首臺252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。

4 結(jié) 語

變電站綜合自動化是智能電網(wǎng)目前發(fā)展的方向，而實現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的智能化是智能電網(wǎng)的一項重要內(nèi)容，為此本文設(shè)計了一種基于分合閘線圈電流信號的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的采集，能對分合閘線圈的電流信號進行轉(zhuǎn)換、濾波、放大、存儲和分析，能夠計算分合時間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，并能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭幼黝愋瓦M行基本的判斷。實驗和實際運行表明該系統(tǒng)具有實時性好、監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、操作性和抗干擾能力強等優(yōu)點。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在平高集團首臺GIS252上投入運行。

參考文獻

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（2）鐵芯運動階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運動，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運動為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運動狀態(tài)，例如鐵芯運動有無卡澀以及脫扣、釋能機械負載變動的情況。

（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運動。這一階段是通過傳動系統(tǒng)帶動斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運動的時刻，而觸頭則在[t2]前后開始運動，[t3]為斷路器輔助接點切除時刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動系統(tǒng)運動的情況。

（4）電流切斷階段：[t=t3]時，輔助接點切斷后開關(guān)K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。

綜合以上幾個階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間等參數(shù)，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動閥，鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測操動機構(gòu)的工作狀態(tài)，進而預(yù)測故障。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計思路：當(dāng)STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經(jīng)A/D采樣后將數(shù)據(jù)信息暫存在環(huán)形存儲器，判斷所得數(shù)據(jù)是否大于閾值，然后將大于閾值的數(shù)據(jù)再次經(jīng)A/D采樣，存儲在正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)采樣次數(shù)大于等于2 000時，就將數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送到上位機。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖9所示。

圖9中環(huán)形存儲器只存儲500個數(shù)據(jù)且只存儲最新的500個數(shù)據(jù)，即可存儲最近的100 ms數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供3 000點的存儲容量，提供600 ms的實時數(shù)據(jù)，兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行拼接，可以完整記錄斷路器動作一次時操作機構(gòu)各個線圈電流的變化。

3.3 斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件是利用C++語言設(shè)計的斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù)在上位機上可視化顯示的軟件。設(shè)計軟件中包括基本設(shè)置、設(shè)備參數(shù)、算法選擇、建立連接、分析數(shù)據(jù)、消除報警、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、用戶管理等功能，本界面通過和下位機的連接將采集的數(shù)據(jù)傳送顯示出來，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中以表的形式存儲數(shù)據(jù)。高壓斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

圖10 斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)界面

圖10為采集信號后的分析圖，通過對采集的信號進行分析，可以給出前述各個過程的時間點，計算各個過程的特征值，同時可以對動作類型進行判斷，計算分合時間、分合速度、開關(guān)超程、分合行程、過沖距離等參數(shù)。

3.4 系統(tǒng)的功能、可靠性測試及應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計完成后進行了功能和可靠性測試，為此專門設(shè)計了模擬測試系統(tǒng)。模擬電路采用三個霍爾傳感器，模擬實際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設(shè)計了一套觸發(fā)裝置，能輸出三路開關(guān)量，該裝置能每隔3 min觸發(fā)一次，依次觸發(fā)合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。

功能性試驗共進行了3 000次，試驗結(jié)果表明設(shè)計的系統(tǒng)動作可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

斷路器故障監(jiān)測系統(tǒng)通過了各種功能測試、可靠性測試以后，于2012年8月在平高集團高壓試驗大廳進行了試驗測試，并應(yīng)用在公司首臺252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。

4 結(jié) 語

變電站綜合自動化是智能電網(wǎng)目前發(fā)展的方向，而實現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的智能化是智能電網(wǎng)的一項重要內(nèi)容，為此本文設(shè)計了一種基于分合閘線圈電流信號的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的采集，能對分合閘線圈的電流信號進行轉(zhuǎn)換、濾波、放大、存儲和分析，能夠計算分合時間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，并能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭幼黝愋瓦M行基本的判斷。實驗和實際運行表明該系統(tǒng)具有實時性好、監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、操作性和抗干擾能力強等優(yōu)點。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在平高集團首臺GIS252上投入運行。

參考文獻

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（2）鐵芯運動階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運動，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運動為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運動狀態(tài)，例如鐵芯運動有無卡澀以及脫扣、釋能機械負載變動的情況。

（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運動。這一階段是通過傳動系統(tǒng)帶動斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運動的時刻，而觸頭則在[t2]前后開始運動，[t3]為斷路器輔助接點切除時刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動系統(tǒng)運動的情況。

（4）電流切斷階段：[t=t3]時，輔助接點切斷后開關(guān)K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。

綜合以上幾個階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間等參數(shù)，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動閥，鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測操動機構(gòu)的工作狀態(tài)，進而預(yù)測故障。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計思路：當(dāng)STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經(jīng)A/D采樣后將數(shù)據(jù)信息暫存在環(huán)形存儲器，判斷所得數(shù)據(jù)是否大于閾值，然后將大于閾值的數(shù)據(jù)再次經(jīng)A/D采樣，存儲在正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)采樣次數(shù)大于等于2 000時，就將數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送到上位機。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖9所示。

圖9中環(huán)形存儲器只存儲500個數(shù)據(jù)且只存儲最新的500個數(shù)據(jù)，即可存儲最近的100 ms數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供3 000點的存儲容量，提供600 ms的實時數(shù)據(jù)，兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行拼接，可以完整記錄斷路器動作一次時操作機構(gòu)各個線圈電流的變化。

3.3 斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件是利用C++語言設(shè)計的斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù)在上位機上可視化顯示的軟件。設(shè)計軟件中包括基本設(shè)置、設(shè)備參數(shù)、算法選擇、建立連接、分析數(shù)據(jù)、消除報警、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、用戶管理等功能，本界面通過和下位機的連接將采集的數(shù)據(jù)傳送顯示出來，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中以表的形式存儲數(shù)據(jù)。高壓斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

圖10 斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)界面

圖10為采集信號后的分析圖，通過對采集的信號進行分析，可以給出前述各個過程的時間點，計算各個過程的特征值，同時可以對動作類型進行判斷，計算分合時間、分合速度、開關(guān)超程、分合行程、過沖距離等參數(shù)。

3.4 系統(tǒng)的功能、可靠性測試及應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計完成后進行了功能和可靠性測試，為此專門設(shè)計了模擬測試系統(tǒng)。模擬電路采用三個霍爾傳感器，模擬實際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設(shè)計了一套觸發(fā)裝置，能輸出三路開關(guān)量，該裝置能每隔3 min觸發(fā)一次，依次觸發(fā)合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。

功能性試驗共進行了3 000次，試驗結(jié)果表明設(shè)計的系統(tǒng)動作可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

斷路器故障監(jiān)測系統(tǒng)通過了各種功能測試、可靠性測試以后，于2012年8月在平高集團高壓試驗大廳進行了試驗測試，并應(yīng)用在公司首臺252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。

4 結(jié) 語

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