高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統的研究

廣西電網有限責任公司桂林供電局　彭彥軍　騰本科　文　靖　董海亮

高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統的研究

廣西電網有限責任公司桂林供電局彭彥軍騰本科文靖董海亮

高壓斷路器操作彈簧應力失效將導致斷路器分合閘速度不合格或分合閘時間超標，嚴重影響設備和電網的安全穩定運行。為準確判斷高壓斷路器彈簧應力變化，設計了一種高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統。結果表明，該系統能實時快速的檢測出操作彈簧的應力特性，判斷出彈簧性能。

高壓斷路器；彈簧失效；應力；判定

1　引言

本文設計了一種高壓斷路器操作彈簧應力離線檢測系統，協助現場工作人員快速找出操作彈簧的隱形隱患，提高設備及電網的可靠性。該實時檢測系統主要包括信號采集單元、DSP芯片、可編程邏輯器件CPLD芯片、參數存儲電路等，采用CPLD芯片協助DSP芯片控制外設，通過DSP芯片對實時系統進行檢測和數據處理，經過串口 RS-232總線同上位PC機通信，將DSP芯片檢測的數據傳送到PC機，PC機進行后續數據分析，快速的判定彈簧失效。

2　高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統結構及原理

2.1整體結構

高壓斷路器操作彈簧實時檢測系統結構如圖1所示，主要包括信號采集單元，用于信號采集處理的DSP芯片，與DSP芯片通訊的復雜可編程邏輯器件CPLD芯片，參數存儲電路等。其中，CPLD芯片掛接有外設件， DSP芯片通過串口 RS-232總線與之通信的上位PC機。

圖1　高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統整體結構

2.1.1DSP芯片

DSP具有運算速度快，能實時對系統進行檢測和數據處理的特點，該實時檢測系統采用DSP處理器作為主控芯片，負責對信號的采集、處理和分析。DSP芯片采用具有高速處理能力和數據、程序存儲量大的32位浮點型TMS320F28335芯片作為系統的控制器。

TMS320F28335芯片主要包括TMS320F28335內核、事件管理器、模數轉換模塊、通用輸入/輸出多路復用器、鎖相（PLL）環時鐘模塊、外設中斷擴展模塊。

其中，TMS320F28335內核包括CPU單元、存儲器單元、邏輯測試單元和外設接口單元；事件管理器為EVA和EVB兩個事件管理器，每個事件管理器均包括通用32位定時器單元、PWM處理單元、捕捉單元以及正交編碼脈沖電路；模數轉換模塊分辨率為12位，該模塊具有16路A/D轉換通道；通用輸入/輸出（GPIO）多路復用器TMS320F28335芯片共有88個通用GHO 口，這些當中有56個具有多功能作用，軟件編程時可通過內部寄存器GPIOMUX來設置該引腳作為片內外設I/O還是片外數字I/O。

圖2　DSP-TMS320F28335最小系統框架結構示意圖

2.1.2CPLD芯片

相比于其它廠家的同等功能的CPLD芯片，MAX II系列CPLD芯片具有成本低廉、功耗低等優點，因此CPLD芯片選用的EPM570T144型號，該型號的CPLD采用144腳TQFP封裝，支持3.3V/2.5V/1.8V等不同外部供電電壓，具有116個通用1/0，每個引腳延時為8.8 ns，內部具有570個邏輯單元（LE），支持JTAG下載編程。

EPM570T144芯片包含保證EPM570芯片正常工作時需要的CPLD最小系統電路，CPLD最小系統電路包括時鐘振蕩電路、下載程序的JTAG接口電路、復位電路和為CPLD提供正常工作電壓的電源電路。CPLD芯片負責整個系統外設的時序控制，其實現與DSP通信，為DSP總線譯碼；對TFT液晶屏顯示的時序控制，完成按鍵去抖、識別，LED、蜂鳴器驅動等操作。

2.1.3信號采集單元

高壓斷路器操作彈簧實時檢測系統中的信號采集單元包括采集電路、置位電路、調理電路、電源電路。

置位電路為在磁阻傳感器HMC1052芯片上施加一復位脈沖，HMC1052屬于弱磁檢測傳感器，當有外加的強磁場（通常大于20Gauss）干擾時，傳感器內部的薄膜磁化極性會遭到破壞，會影響傳感器測量精度，這時需要對傳感器施加一個瞬態電流來恢復傳感器特性，這一操作可以通過在HMC1052芯片上施加一個置位或復位脈沖來實現，在經過置位或復位后，薄膜合金磁阻元素的方向一致。

2.1.4參數存儲電路

EEPROM參數存儲電路，主要負責磁場為0Gauss時，傳感器經過調理電路后輸出的電壓值保持下來，每次運行時，DSP首先從EEPROM中讀出該值，以該電壓值作為零點標準，進行判斷應力集中區域。本系統中釆用美國ATMEL公司推出的非易失性串口存儲芯片AT24C02，該芯片具有I2C串行接口，存儲量為256X8位，供電電壓范圍為1.8V-5.5V，數據保存可靠，保存時間長，廣泛運用于儀表的參數存放系統中。

2.1.5其他模塊

外設件包括LED狀態指示燈、按鍵、蜂鳴器報警裝置、LCD波形顯示器。參數存儲電路采用非易失性串口存儲芯片AT24C02。

2.2高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統原理

主控制器DSP芯片內部A/D進行釆集轉換信號，并進行相應高速處理完后，通過DSP總線將信息傳送到CPLD， CPLD將波形信息存入顯存SRAM中，周期性的將SRAM中存放的一幀LCD波形數據在LCD屏上顯示出來，一旦LCD屏上的波形出現過零點，即可判斷傳感器檢測處存有應力集中；為增強儀器的人機交流效果，儀器中添加按鍵和蜂鳴器等外設，按鍵主要負責儀器的相關參數設定，當傳感器檢測到應力集中區域時，蜂鳴器報警；同時，DSP也可以將采集的波形數據通過串口發送到上位機，上位機通過Lab VIEW軟件實現波形上位機觀察，分析并保存。

3　實際實施

根據高壓斷路器彈簧應力的要求，建立一個彈簧模型，期待通過對一般彈簧進行數值模擬，獲得彈簧在壓縮過程中的應力場及應變場。并且根據有限元模擬結果，為實際彈簧應力檢測提供理論支撐。應力的最大點出現在彈簧材料橫截面的內側，與經典理論相吻合。彈簧工作圈內側應力很大，容易引起應力集中，這是導致彈簧材料應力失效主要原因。

4　總結

本文主要設計了一種高壓斷路器操作彈簧應力檢測系統，并詳細介紹系統的整體結構及原理。通過實施應用，該實時檢測系統具有處理器運算速度高，系統易用穩定，測試數據精確度高，可實現數據的實時傳輸的優勢，能實時檢測操作彈簧應力特性，快速判定彈簧性能。