基于三軸加速度計(jì)的跌落式熔斷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

周 翔 丁永生 朱 峰

（1. 上海置信電氣股份有限公司，上海 200335；2. 上海天貴電子科技有限公司，上海 201999）

跌落式熔斷器是戶外高壓保護(hù)電器，可裝在桿上變壓器高壓側(cè)、互感器和電容器與線路連接處，為配電線路和電力變壓器提供過(guò)載和短路的保護(hù)，也可裝在長(zhǎng)線路末端或分支線路上，對(duì)繼電保護(hù)保護(hù)不到的范圍提供保護(hù)。跌落式熔斷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、體積小巧，在配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛[1]。將其安裝在配電線路分支線上，可縮小停電范圍，因其有一個(gè)明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，具備了隔離開(kāi)關(guān)的功能，故給檢修段線路和設(shè)備創(chuàng)造了一個(gè)安全作業(yè)環(huán)境，增加了檢修人員的安全感。安裝在配電變壓器上，可以作為配電變壓器的主保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)主要采取對(duì)三相跌落式熔斷器配套微動(dòng)開(kāi)關(guān)的方案，通過(guò)熔絲熔斷后的機(jī)械聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)跌落告警，該種方案工程實(shí)現(xiàn)需要變更現(xiàn)有熔斷器結(jié)構(gòu)，且與微動(dòng)開(kāi)關(guān)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工藝較為復(fù)雜，不利于跌落監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)配網(wǎng)迅速普及[2]。故跌落熔斷器缺乏簡(jiǎn)便有效地實(shí)時(shí)監(jiān)控手段，一旦發(fā)生跌落熔斷器跌落事故，電力搶修工作人員無(wú)法及時(shí)知道跌落熔斷器已出現(xiàn)事故，并且由于無(wú)法進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，不能及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)處理事故，從而導(dǎo)致大面積和長(zhǎng)時(shí)間停電。跌落式熔斷器的智能化研究，將極大地縮短故障時(shí)間，提升供電服務(wù)質(zhì)量[3]。

針對(duì)跌落熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用，本文研究了基于三軸加速度計(jì)的熔斷器跌落狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]。三軸加速度計(jì)具有測(cè)量范圍寬、穩(wěn)定性高、無(wú)漂移、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、成本低等許多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于慣性定位單元。同時(shí)系統(tǒng)采用簡(jiǎn)易安裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)有熔斷器監(jiān)測(cè)工程改造。

1 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的安裝

熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置可安裝在配電線路上，如圖1所示。其中傳感器固定在熔斷器熔管上，運(yùn)行維護(hù)人員在安裝跌落式熔斷器時(shí)，將熔斷器內(nèi)部的熔管傾斜角度θ 控制在20°～30°之間，故監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部加速度計(jì)的三軸方向也就相對(duì)固定。智能配變終端安裝在桿塔上，用于在線監(jiān)測(cè)熔斷器運(yùn)行及跌落情況。

圖1 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置安裝示意圖

2 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的工作原理

跌落式熔斷器熔絲管兩端的動(dòng)觸頭依靠熔絲（熔體）系緊，當(dāng)短路電流通過(guò)熔絲熔斷時(shí)產(chǎn)生電弧，熔絲管內(nèi)襯的鋼紙管在電弧作用下產(chǎn)生大量的氣體因熔絲管上端被封死，氣體向下端噴出，吹滅電弧[6-7]。由于熔絲熔斷，熔絲管的上下動(dòng)觸頭失去熔絲的系緊力，在熔絲管自身重力和上、下靜觸頭彈簧片的作用下，熔絲管迅速跌落，使電路斷開(kāi)，切除故障段線路或者故障設(shè)備。跌落實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)與熔管的固定安裝，通過(guò)三軸加速度傳感器中X軸讀數(shù)Cx，可精確測(cè)量熔管傾斜的角度進(jìn)而敏感熔管是否跌落；同時(shí)通過(guò)Y軸和Z軸的讀數(shù)，判斷監(jiān)測(cè)裝置是否在運(yùn)維人員更換熔絲后松動(dòng)，若松動(dòng)將通過(guò)配套的智能配變終端進(jìn)行告警提醒運(yùn)維人員[8]。熔管跌落以及監(jiān)測(cè)裝置松動(dòng)典型過(guò)程分別如圖2至圖4所示。

圖2 熔管跌落過(guò)程

圖3 熔管復(fù)位過(guò)程

圖4 熔管發(fā)生松動(dòng)

由圖可知，狀態(tài)點(diǎn)Ⅰ—Ⅳ依次為正常運(yùn)行、跌落判定、檢修復(fù)位以及典型松動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)，正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)Cx讀數(shù)一般為9.3～8.4。

當(dāng)Cx讀數(shù)在8.3～6.7之間，監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行告警預(yù)置，若在固定采樣周期內(nèi)復(fù)歸正常狀態(tài)讀數(shù)，則裝置可通過(guò)終端上報(bào)“監(jiān)測(cè)異常”通知運(yùn)檢人員。

若在固定采樣周期內(nèi) Cx讀數(shù)小于 6.6（垂直偏角大于48°），則判定為熔管跌落，裝置上報(bào)“跌落告警”通知運(yùn)檢人員。

在熔管復(fù)位后，比較之前正常運(yùn)行時(shí)的Cy、Cz讀數(shù)，若滿足：

則判斷裝置安裝出現(xiàn)松動(dòng)，上報(bào)“安裝異常”。

3 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置主要分為監(jiān)測(cè)主模塊和監(jiān)測(cè)子模塊兩大部分，其中監(jiān)測(cè)主模塊嵌入在智能配變終端的IO模塊內(nèi)，主模塊一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)子模塊檢測(cè)到跌落信號(hào)時(shí)，會(huì)主動(dòng)發(fā)送信號(hào)給主模塊，其他時(shí)候子模塊處于休眠狀態(tài)，以節(jié)約電池用量。此外子模塊每過(guò)一段時(shí)間也會(huì)主動(dòng)發(fā)送狀態(tài)信息給主模塊，主模塊以此作為心跳檢測(cè)，判斷子模塊是否存在[9-10]。

圖5 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

檢測(cè)子模塊主要由以下部分組成：加速度傳感器、單片機(jī)、射頻芯片、電池以及板載天線，其功能框圖如圖6所示。

圖6 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置子模塊示意圖

處理器為 NXP公司的 32位微處理器LPC824M201JHI33，速度高達(dá)30MHz，并且具有低功耗模式電流低至 90μA，封裝小，自帶晶振及FLASH，無(wú)需外圍設(shè)備，節(jié)省空間[11-12]。

加速度傳感器采用ANALOG DEVICES公司的ADXL343，具有封裝小，工作溫度范圍寬（?40℃～85℃），功耗低至23μA，適用于自由落體檢測(cè)[13]。

CPU處理完運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后通過(guò)小無(wú)線方式上傳，小無(wú)線選用 nRF24L01無(wú)線收發(fā)器，是一個(gè)帶有NRF24L01的2.4GHz射頻收發(fā)器模塊。寬范圍供電1.8～3.6V，發(fā)送時(shí)電流 10.5mA，睡眠模式功耗只有900nA。在戶外NRF24LR的通信距離可達(dá)62m。在建筑物內(nèi) 2.4GHz信號(hào)會(huì)很快消失，通常在通過(guò)1～2堵墻之后信號(hào)便會(huì)丟失，但它在一個(gè) 20m×20m的房間內(nèi)可以毫無(wú)問(wèn)題的接收信號(hào)。該模塊具有125個(gè)通信頻道，其中一些是用于藍(lán)牙、ZigBee和WiFi的頻道。因此，用戶必須安裝沖突檢測(cè)，并在頻道之間進(jìn)行切換，以找到空置的頻道。

電池選用 FANSO公司的 ER14505M，標(biāo)稱(chēng)3.6V，電量達(dá)1450mAh，理論工作時(shí)間10年以上，保守預(yù)計(jì)使用3年。

通常子模塊的單片機(jī)和射頻芯片均處于休眠狀態(tài)，單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)低功耗的定時(shí)器，會(huì)在設(shè)定的某一個(gè)固定時(shí)間周期性的喚醒單片機(jī)，單片機(jī)每次喚醒之后會(huì)查詢下加速度傳感器的狀態(tài)，并判斷當(dāng)前是是否發(fā)生了跌落事件，如果發(fā)送了跌落事件，就激活射頻芯片主動(dòng)發(fā)送跌落狀態(tài)信息給主模塊；如果沒(méi)有，就判斷是否達(dá)到了發(fā)送心跳包的周期，如果到了，就激活射頻芯片并發(fā)送心跳信息。發(fā)送完成之后單片機(jī)和射頻芯片會(huì)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。其工作流程如圖7所示。

圖7 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置工作流程

4 熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)熔斷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的方案設(shè)計(jì)，構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，通過(guò)模擬不同熔管跌落角度，測(cè)試裝置跌落檢測(cè)可靠性，如圖8所示。

圖8 熔斷器跌落模擬測(cè)試

通過(guò)綁帶的長(zhǎng)度變化，可將熔管分別跌落到20°至?80°，記錄配變終端采集到的跌落信號(hào)，0代表未跌落，1代表跌落。通過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)可有效檢測(cè)熔管跌落狀態(tài)，見(jiàn)表1。

表1 跌落信號(hào)檢測(cè)

5 結(jié)論

總之，隨著配電智能化的進(jìn)程，若要使跌落式熔斷器能夠可靠運(yùn)行并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，則除了選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量熔斷器外，還應(yīng)將跌落式熔斷器在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用于配電網(wǎng)中，這樣可更好地檢查跌落式熔斷器是否正常工作，對(duì)跌落熔斷器的穩(wěn)定、安全運(yùn)行意義重大，有利于工作人員盡快找出故障所在，讓所有人用電無(wú)憂。此外，工作人員應(yīng)建立日常檢修制度，保證在更換、安裝熔斷器時(shí)規(guī)范操作，了解跌落式熔斷器常見(jiàn)故障原因，并便于盡早發(fā)現(xiàn)異常原因，這樣可以有效地減少跌落式熔斷器常見(jiàn)故障的發(fā)生。

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