煤礦井下斷路器實時監測系統設計

劉生江

【摘 要】針對目前煤礦井下常見的斷路器故障及誘因，設計了一種以TMS320F2812為核心的斷路器實時監測系統，分析了系統的工作原理，完成了系統中各個功能元件與單元的設計，并實現了軟件的預警和抗干擾控制。通過硬件與軟件的設計，保證了電氣設備中各個硬件模塊的安全性及其監控的實時性與穩定性，對于提升斷路器的保護能力及其可靠性有著重要的意義。

【關鍵詞】斷路器；實時監測；系統設計；可靠性

【Abstract】According to the present common circuit breaker failure and cause of the coal mine， the real-time monitoring system was design with TMS320F2812 as the core for circuit breaker， the system principle of work was analyzed， the design of each functional components and unit in the system was completed， and the early warning and anti-interference of software control was realized. Through the control of the hardware and software， the safety of electrical equipment in each hardware module and the real-time performance and stability of the monitoring is guaranteed， which can improve the protection ability of the circuit breaker and its reliability has great significance.

【Key words】Circuit breaker； Real-time monitoring； System design； Reliability

0 引言

煤礦產業屬于相對特殊的行業，由于井下的工作環境存在諸多危險因素，比如高溫、高濕以及高瓦斯濃度等，導致煤礦生產條件的安全系數較低。隨著煤炭需求量的逐年遞增，促使煤礦井下的作業逐漸實現了機械化、自動化、系統化，同時為了保證各個電氣設備的正常工作，避免突發電力事件造成人力、物力的損失，要求斷路器實時監測系統具有很強的穩定性和可靠性[1]。

斷路器監測信息需要進行實時通訊，通訊數據包括電參數及溫度參數，及時對上傳的數據進行分析及處理，若出現了預設的預警條件，將會把相關信息直接發送至管理員客戶端，實現遠程控制。系統由硬件與軟件共同控制，要求其可靠性、數據檢測的實時性、準確性以及穩定性等要充分得到保證，并能夠根據用戶要求選取相關監測參數，避免硬件工作的浪費，為設備維修與維護提供明確的方向，從而提高設備運行效率，降低工作成本。斷路器是煤炭安全生產的初始保障[2]，相對于發達國家，國內斷路器實時監測系統的功能以及應用程度還存在較大差距，但隨著硬件與軟件技術的普及，斷路器實時監測系統具有良好的發展和應用前景。

1 斷路器故障分析

1.1 跳閘分析

（1）高溫引起斷路器跳閘

當斷路器安裝位置的通風散熱性不佳時，斷路器的工作溫度能夠超過70℃以上。在斷路器內部結構中，具有兩種不同熱膨脹系數的金屬材料，若斷路器溫度超過一定范圍，負載保護金屬將發生不同程度的變形，正常情況下，當電流過載時，將產生瞬間高溫，形成過載保護[3-4]。

（2）電機啟動過程中的斷路器跳閘

斷路器非正常跳閘的誘因主要包括機械故障與電氣控制和輔助回路故障等，其中，機械故障占總故障發生率的65%以上，比如機構卡扣、元件變形、零件損壞、銷軸及鐵芯松動等。

1.2 故障誘因

分析斷路器機械故障的誘因主要包括以下方面：（1）內部線圈與鐵芯的裝配精度較低，導致阻力過大，無法正常跳閘；（2）內部運動部件發生機械損壞或者較大變形，無法過載保護；（3）閥體機構等金屬構件發生銹蝕，銷軸松脫等。為了降低斷路器的機械故障發生率，在斷路器的生產及安裝時，需要進行反復調試。在電氣故障方面，其具體表現為：線圈短路、燒毀及過長時間帶電，輔助開關異常，合閘接觸器損壞，二次接線故障，電源故障等。其中，在電氣故障中由于接觸問題造成的故障較多，造成短路或者斷路，使得斷路器無法正常跳閘。

一般地，造成斷路器的錯誤動作的主要原因有：（1）元件質量不過關，二次回路中的接線端排線受環境影響（潮濕等）導致絕緣能力下降，引起部分短路放電現象，造成斷路器誤跳閘；（2）工作電壓不穩定，尤其在低壓工作下，容易受到外界擾動產生誤動作；（3）斷路器內部的液壓構件密封性降低，導致液壓油外泄無法產生及時的跳閘動作，或者閉鎖后無法開啟；（4）斷路器內部的彈簧機構尺寸調整或者設置不合理，在長時間工作下，無法讓斷路器產生動作。

2 系統總體設計

2.1 系統主要監測內容

（1）分合閘線圈電流監測

電磁鐵是斷路器操動機構里面的一個重要元件，當線圈中有電流流過時，線圈會產生磁通，鐵芯會在電磁力的作用下動作，接通操作回路，進行高壓斷路器的分閘或者合閘。其實分合閘時的線圈電流信號中含有大量的信息，監測線圈電流并觀察其波形，可以判斷線圈的電氣連續性和完整性，反映出二次回路的狀態。分合閘時的線圈電流不僅能反映出操動機構的運動狀態，還能反映出控制閥、鏈條的工作狀態信息，比如：鐵芯行程、鐵芯有沒有卡澀等。通過分析合分閘時的線圈電流，可以了解并掌握高壓斷路器的操動機構的運行狀態，還可以據此判斷高壓斷路器是否拒跳、偷跳，并且可以分析出高壓斷路器發生故障的原因。

（2）溫度監測

因為高壓斷路器需要長期通過電流。正常負荷電流，短路時很大的故障電流，而實際情況下導體中都是有電阻的，電流流過時會產生熱量，導體的溫度會升高。在高壓斷路器的端子處，由于環境和設計、制造不當等原因，它們的電阻會增大，同樣溫度升高也很明顯，溫度升高會導致連接處的氧化程度加劇，致使接觸電阻變得更大，假如不能進行及時處理，就會破壞期間絕緣絕緣、絕緣被擊穿等重大事故。所以為了保證斷路器可靠地工作，就要確保斷路器各部位的溫度不超過最高允許溫度。

測量溫度是比較常用的技術，難度不是很大，已經能夠達到高精度水準。目前，經常使用的溫度檢測方法是：使用便攜式紅外測溫儀進行測量，用紅外溫度傳感器進行測量，熱電偶間接測量法等等。

（3）動觸頭行程監測

動觸頭行程—時間特性是高壓斷路器重要的表現機械特征的參數，它可以用于斷路器分、合閘的速度的計算。斷路器觸頭的分、合閘的速度，是非常重要的參數，影響著斷路器的開斷性能，特別是分閘后以及合閘前的動觸頭速度。動觸頭速度可以通過行程—時間關系計算得到，也是斷路器在線監測中比較重要的內容。

2.2 系統工作原理

如圖1所示，文中高壓斷路器在線監測系統以TMS320F2812為核心，并進行擴展外圍電路，根據不同監測參數的要求，選用不同的傳感器進行監測，信號調理電路把采集到的信號處理后傳輸給芯片，利用系統內部的A/D轉換器進行模數轉換，再通過RS485傳輸采集到的數據，由上位機顯示參數分合閘線圈電流、溫度等的數據、并將得到的數據儲存與打印出來。在外圍電路中，還根據實際需要設計了電源、鍵盤、開關量、顯示屏。

該系統所能實現的功能：（1）監測與診斷斷路器的合分閘線圈電流；（2）監測與診斷斷路器母排端子溫升；（3）監測與診斷斷路器的動觸頭行程；（4）監測與診斷開斷電流；（5）監測開斷次數；（6）監測三相同期性；（7）顯示斷路器的監測參數信息；（8）統計、打印和數據共享功能。

3 系統硬件與軟件設計

3.1 硬件設計

（1）傳感器選型及調理電路設計

本文中是使用JT5-B磁平衡式霍爾電流傳感器進行采集分合閘線圈電流，它能夠對不同波形的電流進行測量，輸出端可以將輸入端的電流波形真實反映出來，把斷路器的線圈引線從霍爾傳感器的測量孔徑中穿過去，這樣便于獲得電流信號歷史記錄，還能夠避開電磁式互感器的不足，解決電磁干擾問題。

該型號傳感器的參數主要有：輸入/輸出電流的比例是500：1，響應時間小于1μs，失調電流小于0.4mA。傳感器裝在斷路器的操作回路中，電流信號輸入到電流傳感器，在傳感器內通過取樣電阻將信號轉換為電壓信號，然后再經過信號調理電路傳輸到DSP中，再通過DSP內部的模數轉換器把模擬信號轉換為數字信號，最后再處理數據。

電流經過JT5-B霍爾傳感器后按照一定比例被轉換為對應的電壓信號，為了避免電壓信號受到后續電路的干擾，可以根據運算放大器的“虛斷”、“虛短”性質進行電壓跟隨器的設計，并把霍爾傳感器輸出的電壓值按一定比例縮放。調理電路如圖2所示。

因為溫度測量點處的電位比較高，如果采用接觸式測溫的話，傳感器的供電問題是一個難題，而且高壓成分容易沿著傳輸路徑傳輸產生對地擊穿，導致發生嚴重故障；所以，要采用非接觸式方法進行測量斷路器及其母排接線端子溫度。

本文選用基于紅外線輻射原理進行溫度測量的測溫模塊，該模塊通過紅外線輻射進行測量被測物體的溫度，在20～70℃的測量環境下，傳感器誤差不超過3℃。傳感器輸出電壓信號，在 V/F轉換后，被轉換為頻率與電壓有正比關系的數字脈沖信號，并傳輸到DSP中進行處理，測溫元件采用TPS534型紅外溫度傳感器。

本文中選用光電式位移傳感器[5]進行動觸頭行程的測量。需要在斷路器的操動機構的主軸上安裝旋轉光電編碼器，因為動觸頭行程是對應于旋轉光電編碼器的脈沖數，從而可以求解相應特征量。如果編碼器輸出N個信號，信號間的相位差就是π/N，可計數脈沖是2N光柵數，再結合斷路器的傳動比，就能夠算出斷路器動觸頭的位移。

斷電流是監測與預測斷路器電氣壽命的重要參考依據。本文中用霍爾電流傳感器來測量開斷電流，傳感器的輸入電流范圍是0～100A，輸出信號的范圍是-5V～+5V。傳感器是利用霍爾效應進行電流的測量的，當一個導線上有電流流過時，會在導線周圍產生磁感線，如果附近同時有霍爾傳感器，那么傳感器內部的電子在磁通的作用下受力，會發生偏移，霍爾傳感器會輸出一個電壓信號，然后把這個信號利用放大器進行放大，輸出的信號可以反映原邊電流。在監測電氣壽命時，除了需要開斷電流，還需要對開斷次數進行計數。本文中選用硬件計數對開斷次數進行計數，串聯兩個74HC161，從而構成一個256進制的計數器。利用10MHz有源晶振輸出的高速脈沖作為系統的外部參考頻率，并且用其求取鎖相環輸出信號的寬度，這種方法滿足能精度要求，電路圖如圖3所示。

TMS320F2812的JTAG接口需要滿足IEEE1149.1標準，它可以實時工作，即使在執行代碼與中斷時，也可以隨時修改寄存器地址與存儲單元中的內容。當不與中斷服務沖突時，可以選用單步執行程序的方式。JTAG接口電路如圖4所示。

3.2 軟件設計

（1）預警設計

斷路器在線監測與故障診斷系統除了實現監測與診斷功能外，還要重點完成保護作用，因此，文中通過軟件控制方案[6]，對預警狀態進行設計。系統運行后，斷路器在線監測與故障診斷系統開始監測配電網參數，同時進行預警判斷，預警的主要內容包括：溫度預警、電流信號越線預警、三相電壓不平衡預警等。通過程序控制觸發預警窗口，并發出音頻警告，比如溫度預警控制，其工作流程如圖5所示。首先，系統要檢驗DS18B20數字傳感器的存在，即初始化，初始化完成后，發送跳過ROM指令，然后發送讀取暫存器指令，并向DS18B20發送復位脈沖，DS18B20接收信號以后開始記錄溫度值，最后通過CRC校驗得出最終準確的測量數據。系統在通訊端口設置通信口和波特率、停止位長度等參數信息，控制串口的關、閉屬性，通過溫度報表管理模塊處理并顯示測量數據的圖表或曲線。

（2）抗干擾設計

數據采集的單次監測中，出現的隨機誤差并沒有規律可言，但是監測次數較多時，數據中的誤差將按照正態規律分布，因此，在采用周期內，信號參數所經歷的檢測次數越多，隨機誤差越容易處理和消除。一般地，消除隨機誤差較為常見的方法為算數平均法，即算數平均濾波，采用次數能夠直接決定該方法對干擾信號處理的平滑度，采樣次數越多，則能夠濾除的干擾信號越多，但是容易導致系統靈敏度下降。因此，在實際工作條件下，需要綜合考慮兩方面因素，適當選取采樣次數，確保能夠在盡量少的采樣次數下獲取較好的濾波效果。

在抗干擾處理中，錯誤信息的消除是非常關鍵的。一般地，錯誤信息的來源主要為狀態信息變位信號的失真。若不能被及時發現并消除，將帶給管理員諸多錯誤信息，誤導錯誤指令，嚴重時造成一定的事故。

（3）通訊設計

文中系統采用GPRS通訊，通過網絡短信，將監測系統與下位機進行連接，完成系統高效控制。GPRS模塊通過串口連接，接收和發送需要解碼的信息。控模塊中發出的數據信息將通過串口進行CMGS判斷，當判斷出回執時，則表示發送成功，若未出現回執，則進行錯誤驗證，最終返回錯誤代碼。整個過程保證了數據傳輸的可靠性，能夠實現監測數據的安全性。

4 結論

斷路器是煤礦生產中電力系統中的重要組成元件，它的可靠性對電力系統的穩定性而言非常重要。本文利用DSP的TMS320F2812芯片設計了一個高壓斷路器在線監測與故障診斷系統，實現了對分合閘回路電流、動觸頭行程監測，分別完成系統的硬件與軟件設計。該系統可靠性好，穩定性高，對于煤礦井下的安全生產有著重要的意義。

【參考文獻】

[1]徐建峰，黃瑜瓏，徐國政.高壓斷路器行程特性監測方法的研究[J].高壓電器，2001，37（1）：10-13.

[2]郎福成，徐建源，林萃.真空斷路器機械特性的在線監測[J].東北電力技術，2005，26（l）：12-15.

[3]關永剛，黃瑜瓏，錢家驪.真空斷路器電磨損監測技術的改進[J].高壓電器，2001，37（4）：1-3.

[4]林功平，徐石明，羅劍波.配電自動化終端技術分析[J].電力系統自動化，2003， 27（12）：59-63.

[5]呂一航，李靜，戴懷志，成永紅，趙勇，賈申利，榮命哲.高壓斷路器綜合在線監測系統的研制[J].中國電力，2004，37（3）：68-71.

[6]劉全志，師明義.高壓斷路器在線狀態檢測與診斷技術[J].高電壓技術.2004，27（05）：29-31.

[責任編輯：楊玉潔]