王 禹 ，楊 帆 ，李 巖 ，唐紅梅

（1.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300130；2.吉林龍鼎電氣股份有限公司，吉林 吉林 132013）

真空斷路器是一種常見的電網(wǎng)開關(guān)器件，它具有體積小、質(zhì)量輕，適合反復(fù)操作、滅弧效果好等優(yōu)點，在幾乎所有高壓電網(wǎng)節(jié)點處都可以見到它的身影[1]。它的最核心部件是真空滅弧室，滅弧室的作用是使其內(nèi)部觸頭在真空條件下完成合閘與分閘。但是在長時間使用中，觸頭常會因斷路器反復(fù)開關(guān)動時的高溫電弧燒灼和劇烈碰撞產(chǎn)生磨損，當磨損超過斷路器規(guī)定的限度（一般小于3 mm）時，會出現(xiàn)合閘不靈，引發(fā)電網(wǎng)事故[2-4]。

當前針對真空斷路器的研究主要只集中在滅弧室絕緣特性，機械性能，觸頭材質(zhì)研發(fā)，觸頭周圍電磁場的計算與分析等方面，卻很少在觸頭的磨損檢測進行研究[9]。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，隨著斷路器動觸頭的磨損，在每次合閘后，滅弧室動觸頭的位置會出現(xiàn)細微變化，測量這個細微的變化可以準確得出觸頭的磨損度，本文正是根據(jù)這個原理，針對斷路器磨損檢測問題，設(shè)計出了一種真空斷路器觸頭磨損在線檢測系統(tǒng)[5-7]。

1 從機的設(shè)計

本檢測系統(tǒng)由一臺主機適配器與數(shù)臺安裝在斷路器端的從機組成，如圖1所示。

1.1 從機的設(shè)計概述

如圖2所示，從機采用三星S3C6410作為核心板，它包含ARM11處理器、RAM、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、時鐘以及各種GPIO接口等資源。光電計數(shù)器負責監(jiān)視并向核心板報告斷路器合閘分閘動作。從機使用抗干擾抗機械振動較強的WDCD5位移傳感器向核心板發(fā)送磨損數(shù)據(jù)，以對抗斷路器的惡略工作環(huán)境。觸摸屏和LCD與核心板相連作為顯示和輸入設(shè)備。無線射頻模塊4432通過串口與核心板連接，負責與主機適配器通信，短信模塊AD3812通過串口與核心板相連，用于與操作員通過短信進行控制通信和發(fā)送報警短信。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System chart

圖2 從機原理圖Fig.2 Slave schematic

從機的檢測與通信功能由3個進程實現(xiàn)，進程1（檢測進程）：如圖3所示，在設(shè)置好從機的所檢測的各路斷路器最大磨損量與開關(guān)次數(shù)后，當檢測到某路合閘信號時，從機自動檢測出對應(yīng)路最新觸頭磨損數(shù)據(jù)與開關(guān)次數(shù)并保存至工作日志，對比當前各路觸頭磨損值是否達到初始化時設(shè)定的預(yù)設(shè)壽命，若此下位機檢測的某一觸頭出現(xiàn)磨損達到預(yù)設(shè)值，從機將把報警信息寫入工作日志 （上位PC機能通過輪詢方式查詢到下位機報警信息），通過GSM短信向特定號碼發(fā)送報警短信，并使蜂鳴器發(fā)出警報音。

進程2（通信進程）：如圖4所示，此程序負責使無線模塊保持低功率狀態(tài)守候來自主機的廣播信息，當接受到主機廣播信息后自動切換到高功率的接收狀態(tài)，接收解析來自主機的地址碼廣播，并比對廣播中地址碼是否與本機地址一致。若一致，則將日志文件中的最新的各個觸頭狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳給主機，而后恢復(fù)低功率等待狀態(tài)。若不一致則直接恢復(fù)低功率等待狀態(tài)。

進程 3（短信控制進程）：如圖5所示，此程序負責在開機時進行短信模塊初始化、設(shè)置控制短信密碼和短信中心號碼等，并在運行中通過短信模塊發(fā)送報警信息以及接收并回復(fù)來自短信的控制信息。管理員可以通過短信控制從機，若發(fā)送指定格式控制短信至特定編號從機，短信模塊收到后會通過串口將短信編碼輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)進行PDU或7bit格式解碼，提取短信密碼、短信中心號碼、發(fā)送方號碼與控制信息。若密碼和控制信息與預(yù)設(shè)規(guī)則相符，按要求提取工作日志中數(shù)據(jù)，將短信中心號碼、發(fā)送方號碼、日志數(shù)據(jù)進行PDU格式編碼并通過短信模塊發(fā)送回復(fù)。

圖3 檢測部分流程圖Fig.3 Detector flow chat

圖4 通信程序流程圖Fig.4 Communication flow chat

圖5 短信控制程序流程圖Fig.5 Sms controller program flow chat

1.2 從機的系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 LINUX移植與文件系統(tǒng)

從機搭載LINUX3.0.1操作系統(tǒng)，使用Uboot作為Bootloader，采用包含Qt2運行庫的yaffs2文件系統(tǒng)。其中此版本的Uboot與LINUX內(nèi)核源碼中均包含針對S3C64xx的配置文件，僅需按S3C6410配置對源碼的.config文件稍作修改即可完成編譯工作，編譯好的內(nèi)核映像包含觸摸屏、ADC、NANDFlash等多數(shù)從機硬件的驅(qū)動程序。

1.2.2 光電計數(shù)器、位移傳感器驅(qū)動程序概述

光電計數(shù)器使用輸出一路TTL電平的紅外對射式光電計數(shù)器，輸出為低電平有效，三路計數(shù)器的數(shù)據(jù)引腳分別連接 到 S3C6410 的 KEYINT1，KEYINT2，KEYINT3 引 腳 。KEYINT均為處理器的中斷引腳，計數(shù)器的設(shè)備文件為/dev/KEYDEVICE X。W-DCD5位移傳感器使用電源模塊提供的9 V直流電作為電源，根據(jù)位移的不同輸出0～3.3 V的模擬直流信號。將3個位移傳感器通過一個20針接口連接到核心板的GPIO接口，三路模擬信號分別作為S3C6410核心板的三路AD轉(zhuǎn)換的輸入信號[8]。設(shè)備文件分別是/dev/adc0，adc1，adc2。

2 主機工作流程與設(shè)計

2.1 主機工作流程

本系統(tǒng)的主機僅由一個U盤大小的無線射頻接收器作為主機適配器與一款PC機軟件組成，適配器經(jīng)過USB接口與PC連接。它能與檢測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)臺下位機進行輪詢方式通信，監(jiān)視各下位機工作狀態(tài)，接收各下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)并顯示在計算機軟件界面上，向指定下位機發(fā)送命令。連接好主機與主機適配器后，主機自動加載無線模塊驅(qū)動（windows XP或 windows 7系統(tǒng)），將無線模塊與指定的計算機端口建立連接。

圖6 主機程序流程圖Fig.6 Host program flow chat

2.2 主機的軟件設(shè)計

主機部分軟件使用QT5開發(fā)平臺編寫。程序界面顯示各個從機所監(jiān)測的三路觸頭的磨損狀態(tài)與開關(guān)次數(shù)。程序流程如圖6所示，當程序開始運行后，程序按順序循環(huán)發(fā)送包含不同地址碼的廣播信息，每次發(fā)送間隔為0.8 s。在這個時間間隔中主機等待來自指定下位機的含有檢測數(shù)據(jù)的回復(fù)信息，若收到回復(fù)信息，檢測軟件會將收到的檢測數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)的下位機狀態(tài)欄處。在每次發(fā)送后到下次發(fā)送前的間隔中接收來自目標從機的數(shù)據(jù)信息，并將目標下位機上傳的檢測信息提取出來，顯示在界面上相應(yīng)窗口中。若0.8 s內(nèi)未收到下位機回復(fù)，則對應(yīng)圖標顯示此下位機已失去聯(lián)系。

3 檢測系統(tǒng)的測試

3.1 系統(tǒng)安裝

系統(tǒng)從機安裝在真空斷路器端。從機的3個位移傳感器通過可調(diào)旋鈕安裝在斷路器真空管下面，其探頭頂在與每個真空管的動觸頭連桿上，完成這一步后調(diào)整每個傳感器下的可調(diào)旋鈕，使傳感器探頭有一定的預(yù)壓縮。將3個光電計數(shù)器安裝在每個動觸頭連桿兩側(cè)。實驗中使用兩臺從機，從機上電后，設(shè)置2臺從機地址碼分別為1與2。點擊從機觸屏上的清零鍵將每個預(yù)壓縮后的傳感器的位移變?yōu)榱隳p點，之后檢測到的磨損位移將以此位置作為起點。對斷路器進行開關(guān)測試，以判斷光電計數(shù)器是否正確安裝，從機是否可以檢測到斷路器的開光動作。設(shè)置斷路器的最大磨損值以及最大開關(guān)次數(shù)，并將已有的數(shù)據(jù)清零。此時檢測系統(tǒng)下位機已經(jīng)處于工作狀態(tài)[9]。將主機接收模塊連接至PC機的USB接口，并將檢測軟件安裝在用于測試的PC機上。

3.2 組網(wǎng)測試

本次測試中使用兩臺從機與一臺主機進行組網(wǎng)測試，2臺主機從機距主機約為200～300 m。分別為2臺已安裝好的從機上電。為了使2臺斷路器分別出現(xiàn)先達到預(yù)設(shè)磨損量和先達到最大使用次數(shù)，筆者將1號從機的三路觸頭最大磨損值設(shè)置為3 mm，最大使用次數(shù)設(shè)置為20 000次，2號機的三路觸頭最大磨損值設(shè)置為5 mm，最大使用次數(shù)8 000次。打開測試PC機中的檢測軟件，顯示網(wǎng)內(nèi)有2臺地址碼分別為1與2的從機，每臺從機上的3個斷路器對應(yīng)的開關(guān)次數(shù)與磨損度均為0。

將開高壓開關(guān)測試儀設(shè)置為3路斷路器同時動作。測試儀啟動后，測試軟件界面上的對應(yīng)狀態(tài)值開始變化，開關(guān)次數(shù)開始增加，磨損值變化較為緩慢。此時發(fā)送AB兩條控制短信至測試從機，控制信息要求從機發(fā)送當前日志數(shù)據(jù)，A短信使用錯誤密碼，B使用正確密碼，發(fā)送B號短信后，手機收到與當前從機屏幕上的磨損數(shù)據(jù)一致的信息，而發(fā)送短信A后從機并未回復(fù)。

3.3 實驗結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

表1截取的是1號機三路斷路器開關(guān)次數(shù)達到3 000次、6 000次和9 733次時從機得到的檢測數(shù)據(jù)。而表2是2號從機檢測到的三路斷路器開關(guān)次數(shù)為3 000次、6 000次和8 000次時的檢測數(shù)據(jù)。1號從機所在斷路器的B路觸頭在第9 733次合閘時（未到10 000次）磨損值便達到預(yù)先設(shè)定的最大磨損值（3 mm），預(yù)設(shè)號碼手機立刻收到報警短信。我們隨即對1號從機進行停機檢測，磨損值測量的最大誤差出現(xiàn)在C路觸頭第6 000次時，最大誤差為0.78%。2號從機在達到預(yù)設(shè)最大斷路器開關(guān)次數(shù)（8 000次）時手機收到報警短信，此時檢測到的三路觸頭的磨損值均為達到預(yù)設(shè)值，進行停機檢測后，我們發(fā)現(xiàn)最大磨損值誤差出現(xiàn)在2號從機B路第3 000次時，最大誤差為0.66%。此次試驗表明該檢測系統(tǒng)磨損檢測誤差為0.14～0.78%，完全滿足對斷路器觸頭磨損的檢測精度指標，并且在試驗中未出現(xiàn)從機脫機情況，滿足對檢測系統(tǒng)對可靠性的要求。

表1 1號從機檢測值與實際值Tab.1 Detection value&actual value of slave1

表2 2號從機檢測值與實際值Tab.2 detection value&actual value of slave2

4 結(jié)束語

通過上述對檢測系統(tǒng)的測試表明，該款基于S3C6410核心板的真空斷路器觸頭磨損在線檢測系統(tǒng)具有測量精度高（檢測誤差小于0.78%）、可靠性強、檢測距離遠、組網(wǎng)靈活性強、安裝使用方便等特點?？梢源蟠鬁p輕了斷路器真空管檢修的工作量。此系統(tǒng)每臺從機造價約為600元，主機適配器約為70元。應(yīng)用在中型斷路器上時成本約占總成本的3%～5%。

[1]閆鵬飛.基于單片機的真空斷路器出頭磨損檢測系統(tǒng)[J].電測與儀表，2010，12（47）:53.

YAN Peng-fei.microcontroller-based vacuum circuit breaker wear detection system[J]. Electrical Measurement &Instrumentation，2010，12（47）:53.

[2]張穎瑤，劉志遠，耿英三，等.采用全武合金觸頭材料真空斷路器滅弧室的絕緣特性[J].高電壓技術(shù)，2009，35（8）:1914-1919.

ZHANG Ying-yao，LIU Zhi-yuan，GENG Ying-san，etal.Dielectric performances of vacuum interrupter using a new contact material-quanwu alloy[J].High Voltage Engineering，2009，35（8）:1914-1919.

[3]范興明，鄒積巖，陳躍，等.高壓斷路器合成關(guān)合試驗要求及其關(guān)合性能的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006（10）：78-79.

FAN Xing-ming，ZOU Ji-yan，CHEN Yue，et al.Synthetic making test requirements of high voltage circuit breaker and its closing performance[J].Power System Technology，2006（10）：78-79.

[4]Osmokrovic P.Influence of switching operations on the vacuum interrupter dielectric strength[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2002，24（1）：21-30.

[5]劉亞東，戚偉，羅林根，等.35 kV真空滅弧室真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].高壓電器，2008，44（5）:449-455.

LIU Ya-dong，QI Wei，LUO Lin-gen，et al.35 kV vacuum interrupter chamber vacuum line monitoring system[J].highvoltage electrical appliances，2008，44（5）:449-455.

[6]Numerical T H.Modeling to evaluate the withstand voltage of a HV vacuum interrupter[J].IEEE transactions on electrical insulation，2008，24（1）：21-30.

[7]Matsuo，Takahiro.Insulation recovery characteristics after current interruption by various vacuum interrupter electrodes[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2006，13（1）：10-16.

[8]王文龍，耿直，喬江輝，等.壓力傳感器靜態(tài)校準方法改進[J].火箭推進，2011（3）：80-84.

WANG Wen-long，GENG Zhi，QIAO Jiang-hui，et al.Improvementofstatic calibration method forpressure sensors[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（3）：80-84.

[9]王文龍，張少博，陳海峰.一種試驗數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計[J].火箭推進，2012（1）：76-80.

WANG Wen-long，ZHANG Shao-bo，CHEN Hai-feng.Design of a test data processing software[J].Journal of Rocket Propulsion，2012（1）：76-80.