CN102288909B - 一种便携式断路器状态监测仪 - Google Patents

Abstract

一种便携式断路器状态监测仪，它是由装置箱、钳式传感器、电源模块和硬件电路模块组成，电源模块和内部硬件电路模块置于装置箱内，钳式传感器置于装置箱外，它们彼此通过装置箱前面板设置的信号接口连接；其信号走向为：钳式传感器直接夹住所测断路器某一测量位置，将获取的信号经装置箱前面板的信号接口传送至内部硬件电路，然后信号经电磁干扰抑制后通过放大电路将其放大至数字信号处理器接受的电压范围内，接着数字信号处理器内部自带AD将信号采集存储于大容量的闪存中，最后采集的信号通过安装在装置箱上面板上的液晶实时显示，或是通过装置箱前面板的通讯接口在上位机上显示。本发明灵巧便携，在电力系统自动化领域里有广阔的应用前景。

Description

一种便携式断路器状态监测仪

技术领域

本发明涉及一种便携式断路器状态监测仪，属于电力系统自动化领域，该装置可用于监测多种型号断路器的运行状态，从而确定断路器是否需要检修，检修哪些部件和内容，以预测隐患的发展趋势。

背景技术

断路器是变电站机械和电气动作最频繁的设备。但是频繁运行过程中断路器或它的部件因受热、电的应变及机械的应变或环境的影响，性能逐渐劣化，最终导致故障，引起其它电力设备(电容器、变压器等)的损坏或电力系统的停电，都远远超过断路器本身的价值。因此其工作可靠性对电力系统的安全运行具有十分重要的意义。

对断路器的检修，传统的模式是以时间为基础的周期性检修。这种不管断路器的实际状况，一律按规定的检修周期和检修项目进行大、小修的方式存在以下不足：(1)离线试验需停电进行，停电后断路器状态和运行中不符，影响判断准确度；(2)由于周期性定期检查，不是连续地随时监测，断路器仍可能在试验间隔期间发生故障，造成维修不及时；(3)存在维修过剩，操作频繁，势必增加断路器误动作的或然率。

由于定期检修技术存在以上不足，电力系统各变电站希望有一种能够实时监测断路器运行状态的系统，以提高运行的可靠性，保证电力系统安全运行，因此开展对断路器的状态监测研究是非常必要的。

现有的断路器状态监测主要是采用在线监测，即在断路器正常工作情况下，真实反映断路器在高电压情况下的工作状态，且从测试结果中分析断路器的故障位置，便于电力检修人员快速锁定故障目标。该监测装置与离线监测装置相比实时性好、信息量大，而且能反映出故障的位置，但通常需要在断路器上安装传感器和传输设备。此外，由于断路器的型号和特性参数较多，现有的在线监测系统大都只是针对某一型号的断路器的性能参数进行监测，不具有通用性。

纵观国内外电气设备状态监测的研究和应用状况，已投入使用的状态监测装置或系统存在如下问题：

(1)监测装置在运行前需要固定传感器和传输设备的位置，这样不仅浪费时间和人力，而且在携带过程中导致不方便。

(2)不能兼顾各种型号断路器的监测，现有的监测装置只能实现某一型号断路器参数的监测，或是只能实现多种型号断路器某一参数的在线监测。

(3)不能实时灵活地反映断路器的运行状态，多数监测装置将采集的信息存储于存储器中，然后再通过与上位机通信的方式传输采集的数据，从而进一步分析断路器的运行情况，这不能有效及时地反映出断路器的状态信息。

发明内容

本发明是为解决现有技术中存在的上述问题，提供一种具有小型化特点、携带方便，可及时了解多种型号断路器工作状态的监测装置。

本发明要解决的技术问题：针对不同型号的断路器需要不同监测装置监测以及传感器安装的问题，提供了一种便携式断路器状态监测仪，以记录断路器在运行过程中各参数的状态信息，并依托数字信号处理器(DSP)和大容量的闪存(K9K1G08U0M FLASH)实现信息采集和存储，最后通过图形点阵式液晶显示，以确定断路器在运行中是否存在故障，将可能存在的隐患及时排除，最大限度的减少事故和损失。

本发明的技术解决方案：基于便携的考虑，设计了具有小型化特点的装置，并提供两种电源供电模式以便于实验；基于方便安装和通用的考虑，选用钳式传感器作为信息获取的源头，然后对传感器获取的信号进行调理，采用DSP实现信号的采集和处理，将采集的信息存储于大容量的闪存中，最后以图形点阵式液晶显示波形，方便对断路器状态进行实时就地的分析和处理。

本发明一种便携式断路器状态监测仪，是由装置箱、钳式传感器、电源模块和硬件电路模块组成。其间的位置连接关系是：电源模块和内部硬件电路模块置于装置箱内，钳式传感器置于装置箱外；它们彼此通过装置箱前面板设置的信号接口连接。其信号走向为：钳式传感器直接夹住所测断路器某一测量位置，将获取的信号经装置箱前面板的信号接口传送至内部硬件电路，然后信号经电磁干扰抑制后通过放大电路将其放大至DSP接受的电压范围内，接着DSP内部自带AD将信号采集存储于大容量的闪存中，最后采集的信号可通过安装在装置箱上面板上的液晶实时显示，或是通过装置箱前面板的通讯接口在上位机上显示。

所述装置箱是内空方形箱体，是镀锌钢板制作，由前面板、后面板、上面板、下面板、左侧板和右侧板组合而成。装置箱的前面板上设有电源选择按钮、充电接口、信号接口、与上位机通讯接口；装置箱的的上面板设有安装键盘和液晶显示屏的槽；装置箱的后面板两端设有把手，方便实验室人员携带。装置箱的内部设置多个螺孔，便于固定安装硬件电路板、充电电池和开关电源。其中前面板设计的充电接口是为方便监测仪中电池充电设计；信号接口是方便钳式传感器采集的信号传送至内部硬件电路模块；预留与上位机的通讯接口是方便检修人员在采集完断路器的参数后，通过该接口读取数据以进一步分析断路器的运行性能；将键盘设计在装置箱的上面板上，方便控制整个监测仪的运行；液晶显示屏可实时监测断路器的运行状态，以达到就地观察的目的。上述装置箱的大小和各面板的设计凸显了便携和通用的考虑。

所述钳式传感器是钳型电流互感器。该钳式传感器与装置箱的前面板信号接口相连接。由于本发明监测的断路器参数中包括直流信号和交流信号，因此选用的钳式传感器为交直流两用电流互感器，选用这种钳式传感器可在不用断电，不用对断路器的线路进行拆拔的情况下，直接与断路器电流进行信息交换，这样的选择更加凸显监测仪的便携和通用的特点。

所述电源模块是为整个装置的运行供电，包括220V交流供电和自带电池供电，通过装置箱的前面板按钮的选择可设置供电方式。此设计方便实验人员在不同的环境下自主的选择所需的供电方式。

所述内部硬件电路模块，包括信号处理与存储模块、波形显示模块两部分，其间关系是：信号经信号处理与存储模块后将数据存储于闪存中，液晶或上位机可从闪存中读取数据并显示波形；该信号处理与存储模块的功能包括电磁干扰的抑制、信号的放大、AD转换和数据的存储，其间关系是：钳式传感器采集的信号经电磁干扰的抑制后传送至放大电路，信号被放大至DSP接受的电压范围内，并由DSP内部自带的AD将模拟信号转换为数字信号存储至闪存中；该电磁干扰的抑制是：采用压敏电阻和TVS并联的方式以抑制电磁干扰，其中压敏电阻可吸收大量的浪涌电压，TVS管反应速度较快，可及时对电磁干扰起到抑制作用；该信号的放大是：对信号采用差分输入的方式抑制共模信号的干扰，并将信号放大至DSP接受的电压范围内；该AD转换是：采用DSP自带的的ADC模块，该模块是一个12位分辨率的、具有流水线结构的16通道模-数转换器，内置双采样-保持器，快速转换时间能达到25MHZ，在单一时间段内最大提供16个自动A/D转换。采用该AD转换模块的目的在于，当采用DSP搭建数据采集系统时，不必外接ADC，避免了复杂的硬件设计；该数据的存储是：闪存与DSP的引脚直接相连，当AD转换完成后，数据将传送至闪存中。闪存的地址是通过复用8个I/O送入芯片的。这样的设计显著减少了芯片的管脚数目，为系统的升级带来了方便，并克服了RAM，E²PROM的缺点，写入速度达到μs级，至少可擦写10000次以上，实现在线编程。由于断路器的运行环境易受各种电磁干扰的影响，因此信号在放大之前先经过电磁干扰的抑制处理，再差分放大至DSP允许的电压范围内，最后将信号经AD转换后存储至大容量的闪存中。

该波形显示模块有图形点阵式液晶显示和上位机显示两种方式。根据显示波形和多个参数的要求，选用320×240的图形点阵式液晶模块，当数据采集完成后，可通过键盘的控制实时显示断路器的相应参数波形，其中由于电机储能电流采集的时间较长，液晶屏无法一屏完成显示，因此采用动态显示的方式以方便检修人员就地观测断路器的运行状态，这种显示方式灵活、直观，可达到就地观察的目的。装置箱的前面板上预留有与上位机通讯的接口，方便检修人员进一步分析断路器是否存在故障隐患。

其中，该装置箱的外形尺寸为39cm×34cm×14.7cm；

其中，该钳式传感器的型号为APPA30T；

其中，该电源模块的型号是FYS-14.8V/8.8Ah；

其中，该键盘选用4×4键盘模块。

该装置的工作原理流程如下：通过装置箱的前面板中的信号接口将钳式传感器采集的断路器信号传送至监测仪的内部硬件电路，信号经调理、放大后，采用DSP完成信号的采集和处理，并将AD转换后的信号存储于闪存中，最终通过图形点阵式液晶实时显示波形或是与上位机通讯实现波形的显示和分析。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)具有监测装置小型化、便于安装携带的特点；

2)采集信号经过压过流保护后，采用运行速度快、运算能力强的DSP和大容量的闪存进行处理和存储，以满足多种型号断路器不同参数的采集，实现了装置通用性的特点；

3)采用液晶显示达到了就地监测的目的，便于监测人员及时了解和掌握断路器的工作状态，分析其是否存在故障隐患，尽可能的减少不必要的损失。

附图说明

图1为监测仪整体结构框图。

图2为监测仪总体工作流程图。

图3为信号过压过流保护原理框图。

具体实施方式

本发明一种便携式断路器状态监测仪，是由装置箱、钳式传感器、电源模块和内部硬件电路模块组成。其间的位置连接关系是：电源模块和内部硬件电路模块置于装置箱内，钳式传感器置于装置箱外；它们彼此通过装置箱前面板设置的信号接口连接。其信号走向为：钳式传感器直接夹住所测断路器某一测量位置，将获取的信号经装置箱前面板的信号接口传送至内部硬件电路模块，然后信号经电磁干扰抑制后通过内部硬件电路模块中的放大电路将其放大至DSP接受的电压范围内，接着DSP内部自带AD将信号采集存储于大容量的闪存中，最后采集的信号可通过安装在装置箱上面板上的液晶实时显示，或是通过装置箱前面板的通讯接口在上位机上显示。

图1为监测仪整体结构框图。该监测仪由装置箱、钳式传感器、电源模块和内部硬件电路模块组成。电源模块和内部硬件电路模块置于装置箱内，钳式传感器置于装置箱外。钳式传感器将采集的信号通过装置箱前面板设置的信号接口传送至硬件电路模块。电源模块为整个装置的运行供电。装置内部硬件电路以执行速度快，运算能力强的DSP为核心，完成了信号的采集、与大容量的闪存相连接实现了数据的存储，与上位机或液晶通信实现了数据波形的显示。该监测仪可监测多种型号的断路器，且监测参数多，功能实现多，程序复杂，所以主处理器选用可编程空间大、指令执行速度快、运算能力强、自带12位AD的DSP F2812。各路采集的信号通过相应的信号调理电路和过电压保护电路送入DSP中的AD转换接口，DSP进行数据的采集、分析和处理。按照设计指标，监测仪采集一种型号的断路器参数大约需1.8022K的存储空间，以15种型号断路器为例，总共存储的数据为15×1802.2＝27033K，DSP内部自带的AD转换是12位的，存储时转换为16位，所以存储容量为27033×16/8＝54066KB≈53MB，因此，选用容量为128MB的K9K1G08U0M闪存作为存储芯片。

其中，该装置箱的外形尺寸为39cm×34cm×14.7cm；

其中，该钳式传感器的型号为APPA30T；

其中，该电源模块的型号是FYS-14.8V/8.8Ah；

其中，该键盘选用4×4键盘模块。

图2所示为系统总体工作流程图。在完成DSP、液晶和闪存初始化后，通过按键设置断路器的型号、采样时间和采样阈值，然后开始启动AD转换，直至采样完，等待下一步操作命令，以确定继续采样或是进行数据波形的显示。当选择采用液晶显示时，通过按键来选择不同型号断路器的不同参数，当参数设定后，DSP主处理器从相应的闪存存储区域读取对应参数的采样数据，从而在模块上显示波形。当与上位机通信时，通过按键选择相应型号的数据被发送，同时上位机软件开始接收数据，然后经过数据分离处理将数据存档并显示波形。当一个流程完成后，可重复上述过程。

图3所示为信号过压过流保护原理框图。该部分属于监测仪的内部硬件电路。断路器监测装置在实际运行中受到各种电磁干扰的影响，而信号输入通道是电磁干扰进入装置的主要途径，当电磁干扰经过信号放大后，对监测装置的可靠运行造成了极大的威胁。因此，应在信号放大之前采取相应措施抑制电磁干扰。对付电磁骚扰最有效的方法是采用瞬变骚扰吸收器，包括压敏电阻、TVS和气体放电管。当电磁干扰伴随着模拟采集信号进入放大器前端时，压敏电阻吸收了大量的浪涌干扰，同时为确保过电压的幅度完全被钳位在放大器的最大工作电压范围内，在压敏电阻后面加上了稳压管，电阻和电感的作用是限流，以保证二极管不会由于电流过大而损坏。

Claims (5)

1.一种便携式断路器状态监测仪，其特征在于：它是由装置箱、钳式传感器、电源模块和硬件电路模块组成，电源模块和硬件电路模块置于装置箱内，钳式传感器置于装置箱外，它们彼此通过装置箱前面板设置的信号接口连接；其信号走向为：钳式传感器直接夹住所测断路器某一测量位置，将获取的信号经装置箱前面板的信号接口传送至内部硬件电路，然后信号经电磁干扰抑制后通过放大电路将其放大至数字信号处理器接受的电压范围内，接着数字信号处理器内部自带AD将信号采集存储于大容量的闪存中，最后采集的信号通过安装在装置箱上面板上的液晶显示屏实时显示，或是通过装置箱前面板的通讯接口在上位机上显示； 

所述装置箱是内空方形箱体，是镀锌钢板制作，由前面板、后面板、上面板、下面板、左侧板和右侧板组合而成；装置箱的前面板上设有电源选择按钮、充电接口、信号接口、与上位机通讯接口；装置箱的的上面板设有安装键盘和液晶显示屏的槽；装置箱的后面板两端设有把手，方便实验室人员携带，装置箱的内部设置多个螺孔，便于固定安装硬件电路板、充电电池和开关电源；其中前面板设计的充电接口是为方便监测仪中电池充电设计；信号接口是方便钳式传感器采集的信号传送至内部硬件电路模块；预留与上位机的通讯接口是方便检修人员在采集完断路器的参数后，通过该接口读取数据以进一步分析断路器的运行性能；将键盘设计在装置箱的上面板上，方便控制整个监测仪的运行；液晶显示屏实时监测断路器的运行状态，以达到就地观察的目的； 

所述钳式传感器是钳型电流互感器，该钳式传感器与装置箱的前面板信号接口相连接；由于监测的断路器参数中包括直流信号和交流信号，因此选用的钳式传感器为交直流两用电流互感器； 

所述电源模块是为整个装置的运行供电，包括220V交流供电和自带电池供电，通过装置箱的前面板按钮的选择设置供电方式； 

所述硬件电路模块，包括信号处理与存储模块、波形显示模块两部分，信号经信号处理与存储模块后将数据存储于闪存中，液晶显示屏或上位机可从闪存中读取数据并显示波形；该信号处理与存储模块的功能包括电磁干扰的抑制、信号的放大、AD转换和数据的存储，其间关系是：钳式传感器采集的信号经电磁干扰的抑制后传送至放大电路，信号被放大至数字信号处理器接受的电压范围内，并由数字信号处理器内部自带的AD将模拟信号转换为数字信号存储至闪存中；该电磁干扰的抑制是：采用压敏电阻和TVS并联的方式以抑制电磁干扰，其 中压敏电阻吸收大量的浪涌电压，TVS管反应速度快，及时对电磁干扰起到抑制作用；该信号的放大是：对信号采用差分输入的方式抑制共模信号的干扰，并将信号放大至数字信号处理器接受的电压范围内；该AD转换是：采用数字信号处理器自带的的ADC模块，该模块是一个12位分辨率的、具有流水线结构的16通道模-数转换器，内置双采样-保持器，快速转换时间能达到25MHZ，在单一时间段内最大提供16个自动A/D转换；该数据的存储是：闪存与数字信号处理器的引脚直接相连，当AD转换完成后，数据将传送至闪存中；闪存的地址是通过复用8个I/O送入芯片的；由于断路器的运行环境易受各种电磁干扰的影响，因此信号在放大之前先经过电磁干扰的抑制处理，再差分放大至数字信号处理器允许的电压范围内，最后将信号经AD转换后存储至大容量的闪存中； 

该波形显示模块有图形点阵式液晶显示屏和上位机显示两种方式；根据显示波形和多个参数的要求，选用320×240的图形点阵式液晶显示屏，当数据采集完成后，通过键盘的控制实时显示断路器的相应参数波形。 

2.根据权利要求1所述的一种便携式断路器状态监测仪，其特征在于：该装置箱的外形尺寸为39cm×34cm×14.7cm。 

3.根据权利要求1所述的一种便携式断路器状态监测仪，其特征在于：该钳式传感器的型号为APPA30T。 

4.根据权利要求1所述的一种便携式断路器状态监测仪，其特征在于：该电源模块的型号是FYS-14.8V/8.8Ah。 

5.根据权利要求1所述的一种便携式断路器状态监测仪，其特征在于：该键盘选用4×4键盘模块。