CN102759707A - 动特性测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空断路器机械特性状态监测技术，更具体地说是涉及一种真空断路器机械特性状态监测装置，可以得到真空断路器的各种参数，应用于断路器出厂测试和真空断路器在线工作过程中。其特征在于：该装置主要由电源模块、控制模块、采集模块、AD转换模块、信号处理模块及通信模块组成；该装置能方便的监测出弹簧操动机构真空断路器储能电机回路电流、合、分闸脱扣器线圈电流、断路器振动信号以及主轴旋转的角位移与速度信息量等；通过此装置能够很好的判别真空断路器状态；且此装置接线简单，使用方便，检测稳定，数据准确，不会影响断路器的正常运行，并能较好地实现高压真空断路器机械特性的在线监测。

Description

动特性测试仪

技术领域

 本发明属于真空断路器机械特性状态监测技术，更具体地说是涉及一种真空断路器机械特性状态监测装置，可以得到真空断路器的各种参数，应用于断路器出厂测试和真空断路器在线工作过程中。

背景技术

由于高压断路器是电力系统中最重要的开关设备之一，它担负着对电力系统的控制和保护的双重任务，但由于高压断路器的故障而导致电力系统故障的事件却时有发生，因此，对需要断路器进行监测，以取得断路器故障的详细资料，来判断其工作状态，预防其引起重大事故。目前，数字信号处理器应用已经普遍受到重视，随着对数据采集，处理，存储，传输的要求增高，尤其数据量很大的情况下，使用普通的单片机已不能满足要求，因此，为了提高本装置的性能，使用了数字信号处理器作为处理核心。断路器监测技术也在不断的完善，本发明是在以往技术的基础上，做了进一步的开拓。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种真空断路器机械特性状态监测装置，该装置能方便的监测出弹簧操动机构真空断路器储能电机回路电流、合闸脱扣器线圈电流、分闸脱扣器线圈电流、断路器振动信号以及主轴旋转的角位移与速度信息量；也可监测出永磁机构断路器的永磁线圈电压、永磁线圈电流、断路器振动信号以及动触头动作的位移与速度信息量。

技术方案：

一种动特性测试仪，作为一种真空断路器机械特性状态监测装置，其特征在于：该装置主要由电源模块、控制模块、采集模块、AD转换模块、信号处理模块及通信模块组成；与断路器连接的采集模块的输出端与AD转换模块连接，AD转换模块的输出端与信号处理模块连接，信号处理模块的输出端与控制模块和通信模块连接，控制模块的输出端与断路器连接；电源模块与控制模块、采集模块、AD转换模块、信号处理模块及通信模块连接，为其供电。

电源模块由220V交流电转直流电源模块、+12V转24V电源转换模块及电平转换模块组成。

控制模块由两组继电器、发光二极管、三极管、续流二极管和电阻组成；继电器的1、3脚连接到三极管的集电极上，三极管的发射极接地；继电器的1脚与三极管之间设有发光二极管，继电器的1、3脚之间设有续流二极管。

信号采集模块由电流采集模块、电压采集模块、振动采集模块、位移采集模块组成，电流采集模块、电压采集模块、振动采集模块、位移采集模块并联后连接到AD转换模块的输入端上。

其中电流采集模块包括三组采集相异信息量的电流采集模块，分别为弹簧操动机构断路器储能电机回路电流采集模块，合分闸脱扣器回路电流采集模块和永磁机构断路器永磁线圈回路电流采集模块。

AD转换模块由电平转换电路和ADS8364最小系统组成。

信号处理模块主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成。

通信模块由RS485通信模块和RS232通信模块组成。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:

1.            对断路器的机械状态信息量监测的全面性，不光监测了断路器动触头位移量，同时还分别监测了弹簧操动机构断路器合、分闸脱扣器线圈电流量及其电机储能回路电流量、永磁操动机构断路器永磁线圈电流、电压量、以及振动信号，采集的信号全面，可以对断路器的各方面性能指标进行评估、分析，也可通过多路信号精确的判断故障所在，避免了因为偶然因素造成的错误判断。

2.            提出一机两用的思想，设计测试仪可以作为断路器出厂测试用，也可以作为在线监测用。且针对永磁机构真空断路器，提出对永磁线圈电流、电压同时监测的方案，分析永磁线圈电磁力与永磁体之间的关系。

3.            由于对断路器开关的监测信息量中，动触头的动作状态是断路器动作状态的直接体现者，所以对断路器动触头信息的监测作了多种方案。一种是直接测量方法，直接测动触头状态时采用线性度高的电阻式直线位移传感器测量。一种是间接测量方法，测量断路器主轴动作状态间接反映动触头的动作状态。间接测量方法中选择了两种传感器，针对不同的场合使用，一个是线性度高的电阻式角位移传感器，一种是增量式选装编码器。前者的优点是响应快，无论动触头的动作多快，它都能及时响应。后者的优点是只检测脉冲信号，几乎没有任何干扰，精度高，但光电转换有一定的延时，如果传感器响应频率选择不当，会造成脉冲的丢失，产生误差。也可通过为增量式光电编码器配置减速装置来增加传感器的响应频率。

4.            增加了振动状态的检测，由于振动信号中包括了断路器机械结构中任何位置动作时的振动状态，可以说振动信号是整个断路器振动时机械结构状态信息量的综合。或者说是断路器各部分信息量的叠加形成了断路器的振动信号量，这里包括了空间上的叠加和时间上的叠加。

5.            使用了TI公司推出的TMS320F28335型号的DSP作为信号处理模块的核心单元，其工业应用广泛，处理速度快、处理精度高，存储器容量大，便于大数据量采集的进行。并且此型号的DSP为浮点型的处理器，数据处理能力高于定点DSP的数据处理能力。

6.            在监测装置中，采用了外部AD采集模块，可同时采集六路模拟信号量，采集精度达到十六位，相比DSP的内部AD精度提高了3~4个二进制位，且其采样频率高达250kHz，完全满足采样定理的要求。

7.            安装简单，经济实用，能全面的测量断路器的各个性能参数，直接反映断路器的工作状态，便于及时采取操作，避免不必要的损失。对电力系统的正常工作意义重大。

附图说明：

图1为本发明装置的系统结构组成框图；

图2为本发明电源模块原理图（5V-3.3V电源转换电路）；

图3为本发明电源模块原理图（5V-2.5V电源转换电路）；

图4为本发明继电器控制电路；

图5为本发明采集模块电路原理图；

图6为本发明合、分闸脱扣器线圈电流采集模块电路图；

图7为本发明合、分闸永磁线圈电压采集模块电路图；

图8为本发明合、分闸永磁线圈电流采集模块电路图；

图9为本发明开关量隔离电路图；

图10为本发明 0~5V电平转换模块电路图；

图11为本发明AD转换模块的电路原理图；

图12为本发明 5V~3.3V电平转换电路原理图；

图13为本发明信号处理模块管脚说明图；

图14为本发明RS232通讯模块的电路原理图；

图15为本发明RS485通讯模块的电路原理图；

图16为本发明柜体正面图；

图17为本发明数字信号处理器主程序流程图；

图18为本发明捕获程序流程图。

实施方式：为了实现上述任务，本发明采用以下技术措施：

本发明是建立在以往技术基础上的发明装置，以综合判断为主要思想，其中数字信号处理器芯片中装入了各种综合分析判断的逻辑。基于这种思想，本发明装置集成了多路采集信号，以采集不同形式的信息量来获取真空断路器机械特性状态的局部信息，经过装置中的信号处理模块的分析，将局部信息合并、叠加、推演，产生出对真空断路器机械特性的判断信息。本发明装置为了取得多方面的局部信息，通过信号逻辑模块的逻辑操作，可以选择各采集电路信息的组合方式，来获得不同组合所能产生出的独有信息。

该监测装置由电源模块、控制模块、采集模块、AD转换模块、信号处理模块及通信模块组成，如图1所示。

电源模块由220V交流电转直流电源模块（AC-DC）、+12V转24V电源转换模块（DC-DC）及电平转换模块。因为电流传感器为±12V供电、振动传感器为24V供电、位移传感器设置为+12V或+24V供电、继电器等需要5V供电、需要一个2.5V基准电平、数字电路部分需要3.3V电源供电，所以在电源电路采用220V交流电转直流电源模块（AC-DC），为装置提供±12V、5V电源，使用升压转换电路将+12V电平转换为24V电平，使用AMS1117芯片构成的5V-3.3V电源电路为信号处理模块提供电源，使用REF5025构成的+5V-+2.5V电源电路提供基准电平。电源模块原理图如图2-图3所示。

控制模块由继电器、发光二极管、三极管、续流二极管和电阻等组成。三极管作为一个可控开关和放大作用，给基极通电则导通，集电极连接着发光二极管输出端、续流二极管的正端、继电器一次侧的输出管脚，发射极接地，发光二极管、续流二极管的另一端接+5V电源，继电器一次侧的输入管脚接+5V电源，继电器二次侧接AC220V。当给基极通电，三极管导通，则发光二极管发光，指示三极管及继电器工作，继电器关合，二次侧AC220V接入二次侧电路。原理图如图4所示。

信号采集模块由电流采集模块、电压采集模块、振动采集模块、位移采集模块，其中电流采集模块包括三组采集相异信息量的电流采集模块，分别为弹簧操动机构断路器储能电机回路电流采集模块，合分闸脱扣器回路电流采集模块，永磁机构断路器永磁线圈回路电流采集模块。电流、电压采集模块都是采用霍尔电流传感器及采样电阻和限流电阻组成，其检测准确，结构简单，方便操作。振动信号采集模块主要由振动传感器组成，其安装方式可采用磁铁底座安装，使用灵活，也可使用螺丝固定于断路器本体上，安装牢固，此模块可以方便的采集断路器不同动作时期的振动情况。动触头的监测实施了两种方案，第一种是监测主轴角位移及角速度信号，主要由电阻式角位移传感器或增量式旋转编码器和电平转换电路组成监测模块，间接反映动触头行程、速度信息。第二种是直接测量动触头绝缘拉杆，主要由电阻式直线位移传感器和电平转换电路组成。对于电阻式角位移传感器和电阻式直线位移传感器，具有以下优点：结构简单、成本低、适用的温度范围较宽、线性度高达0.05%，其工作原理简单，类似滑动变阻器的原理，但其由于机械摩擦会有干扰产生，所以提高其电阻两端电压，提高信噪比，最后将输出信号通过电平转换电路降压输入给信号处理模块。增量式旋转编码器为三端输出，通过联轴器与断路器的主轴相连，主轴旋转时，光栅旋转A、B端产生方波脉冲，且相差90°，通过判断A或B端上升沿时，另一端的高、低电平，可以判断主轴的旋转方向，由于编码器+12V供电，输出的方波脉冲高电平为+12V，通过光耦、比较器和运算放大器组成的降压电路将+12V高电平降到+3V,作为主轴旋转状态信号输出。采集模块电路原理图如图5-图8所示。

测试仪也对断路器的动触头的分合不同期性开关量信号，以及辅助触点开关量进行监测，输出信号需接图9所示开关量隔离电路，主要由EL817光耦构成，目的防止输入信号电平高，危害数字信号处理器。

由于AD转换模块有差分输入的特点，所以可通过运算放大器设计电平转换电路，使其接受双极性输入，扩大AD转换模块的采集信号范围，保证对多路含有负信号的采集通道的正常运行，将0V到5V采集范围扩大到-5V到+5V。电平转换电路如图10所示，该电路的作用是将采集模块输出的信号进行了电平转换，转换成0~5V信号，满足AD采样模块采集的信号范围。

AD转换模块主要由ADS8364芯片及其外围电路组成。其优点为可进行同时采集六路模拟信号量，有效精度十六位，频率高达250kHz。AD转换模块的电路原理图如图11所示。

由于AD采集模块输出信号在0~5V之间，而信号处理模块供给电源为3.3V，所以在两者之间需要加入一个电平转换电路，作为信号传递的桥梁。该芯片可通过控制第1管脚和第24管脚DIR功能控制芯片管脚的输入输出方向，输入端可接3.3V或5V电源，输出可接3.3V电路。电路原理图如图12所示。

信号处理模块主要部分为数字信号处理器，使用TI公司推出的TMS320F28335，广泛应用于工业控制，特别用于处理速度、处理精度方面要求高的领域。主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成，主要特点：(1)处理速度快，主频150MHz；(2)片内自带SRAM、Flash，；(3)外部存储器接口；(4)众多外部设备，如SCI、SPI、CAN、EV、ADC等；(5)大量可控制的GPIO口。数字信号处理器支持C等语言的编程。其存储器的存储空间大，能够用作大数据量的采集、运算、传输操作；功能管脚多，能够用于扩展机械特性测试仪的增强功能；具有非常高的工作频率，使其不会成为监测系统发展的瓶颈；其浮点型操作优势，使其具有强大的数据处理能力，对大量数据的处理游刃有余，并有很高的运算精度。信号处理模块管脚说明如图13所示。

监测装置集成了两路通信模块，分别是RS232和RS485，电路原理图如图14、15所示。当测试仪作为断路器出厂试验试用时，可通过这两个通讯模块连接测试仪与上位机系统，如此，测试仪采集处理的数据即可通过通讯模块将数据上传给上位机系统，上位机系统对数据进行分析，出示断路器的各路参数。

图16为本发明柜体正面图；图17为本发明数字信号处理器主程序流程图；图18为本发明捕获程序流程图。使用该监测装置已成功监测了ZW32A（G）-12/T630-20型户外断路器的机械特性，能够得到各路采集信号波形图。

本发明集成了多方面的技术与方法，提出的思想是综合全面的信息相互依托、相互制约，利用信息的合并、叠加、推演，从而得到对对象的判断信息，本发明装置即为信息集成的黑盒装置，其内部拥有装入了众多的思维逻辑对集成的信息进行处理。

Claims (8)

1.一种动特性测试仪，作为一种真空断路器机械特性状态监测装置，其特征在于：该装置主要由电源模块、控制模块、采集模块、AD转换模块、信号处理模块及通信模块组成；与断路器连接的采集模块的输出端与AD转换模块连接，AD转换模块的输出端与信号处理模块连接，信号处理模块的输出端与控制模块和通信模块连接，控制模块的输出端与断路器连接；电源模块与控制模块、采集模块、AD转换模块、信号处理模块及通信模块连接，为其供电。

2.根据权利要求1所述的动特性测试仪，其特征在于：电源模块由220V交流电转直流电源模块、+12V转24V电源转换模块及电平转换模块组成。

3.根据权利要求1所述的动特性测试仪，其特征在于：控制模块由两组继电器、发光二极管、三极管、续流二极管和电阻组成；继电器的1、3脚连接到三极管的集电极上，三极管的发射极接地；继电器的1脚与三极管之间设有发光二极管，继电器的1、3脚之间设有续流二极管。

4.根据权利要求1所述的动特性测试仪，其特征在于：信号采集模块由电流采集模块、电压采集模块、振动采集模块、位移采集模块组成，电流采集模块、电压采集模块、振动采集模块、位移采集模块并联后连接到AD转换模块的输入端上。

5.根据权利要求4所述的动特性测试仪，其特征在于：其中电流采集模块包括三组采集相异信息量的电流采集模块，分别为弹簧操动机构断路器储能电机回路电流采集模块，合分闸脱扣器回路电流采集模块和永磁机构断路器永磁线圈回路电流采集模块。

6.根据权利要求1所述的动特性测试仪，其特征在于：AD转换模块由电平转换电路和ADS8364最小系统组成。

7.根据权利要求1所述的动特性测试仪，其特征在于：信号处理模块主要由TMS320F28335芯片及其外围电路组成。

8.根据权利要求1所述的动特性测试仪，其特征在于：通信模块由RS485通信模块和RS232通信模块组成。

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