基于DSP的真空断路器机械特性测试系统硬件设计

研究、开发了真空断路器机械特性测试系统，克服了以往的一些应用难题，能实现包括机械、电气、触头温度等多种断路器运行特性的综合监测；该系统采用上下位机结构，下位机是一个基于TI公司的VC33数字信号处理器的数据采集系统，并拥有简单的人机接口，硬件设计中采用了可编程逻辑理念，软件设计中采用模块化的组合思想，大大提高了软件开发的高效性和维护的灵活性，缩短了系统的开发周期；上位机实现数据的存储、状态量的显示和波形的显示，可以与其他高级软件接口，进行数据交换，上下位机之间采用485串行通讯总线进行通讯。

在配电线路中常用的保护元件主要是断路器，断路器是近年来发展最为迅速的一种保护电器。在低压网络中，普遍用的是塑壳式断路器或框架式断路器。而在中压及高压网络中主要用的是少油断路器、多油断路器、SFs断路器及真空断路器。作为电力系统控制和保护设备,高压断路器动作的可靠性对供电可靠性有着极大的影响。影响高压断路器可靠性的一个主要因素就是其操动机构的可靠性。据国际大电网CIGRE对断路器故障调查的统计结果可知,断路器70. 3%的故障是由于操动机构的机械故障引起的。为进一步提高断路器的可靠性,有必要研制新型的断路器操动机构。近年来,一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的新型操动机构(永磁机构)引起了开关行业的关注并成为电器制造企业和运行部门研究的热点。开发针对永磁机构断路器的机械特性测试装置对于研究新型永磁操动机构机械特性、提高其可靠性具有重要的意义。

本文采用DSP TMS320LF2407开发了一套用于永磁机构真空断路器的机械特性测试系统。该测试系统利用DSP完成对永磁机构断路器相关参数的快速、准确检测和转换运算;经传感器采集,并由DSP转换运算后的各种信号通过CAN总线上传至上位PC机。

1.1系统监测对象

通过对断路器的机械结构、电气性能分析，本系统确定了如下几个监测对象：行程—时间特性、分合闸线圈电流、触头温度和开断电流。

1.2行程－时间特性

行程—时间特性是断路器工作状态的重要表征，通过对行程位移的监测可以有效的分析断路器的操作机构的触头运行过程，计算出断路器的行程、触头分合闸速度，进而判断断路器的操作机构的健康状况。测量动触头的行程－时间曲线，最直接的方法是在动触头下或触头的绝缘拉杆下安装直线位移传感器。但是对于小车式的断路器来说，其结构非常紧凑，在动触头和绝缘拉杆附近可以用来安装直线传感器的空间非常有限，而且传感器如装在动触头处还存在高电位隔离问题。考虑到断路器的动触头在分合闸过程中，其运动行程规律与主轴连动杆运动行程规律之间有着固定的联系，因而可以通过在主轴上安装角位移传感器测量断路器主轴的分合闸角位移－时间曲线来间接得到动触头的直线位移－时间曲线。系统选用的角位移传感器型号为WYT-3，该传感器采用新型磁敏感元件，将机械转动或角位移转化为电信号输出，可无触点的测量转动角度的变化，输出模拟电压信号。

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对分合闸线圈电流的测量基本上都采用霍尔电流传感器，主要就是传感器的选型问题。首先，作为一套在线监测系统，不能影响被监测系统的运行性能，不能人为的增加故障点；其次，要考虑在线监测装置的测量精度，实现测量的目的。因此，本系统采用北京莱姆公司的LTSR新型ASIC闭环电流传感器，其体积小、电气性能好，而且可以直接布置在PCB板上，分、合闸电磁线圈回路引线穿心而过，不会对断路器主系统的正常运行造成影响。

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高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现触头温度测量就必须解决抗强电干扰、耐高温、高压隔离等技术问题。本系统采用文献[1]介绍的方法，利用北京安伏电子有限公司的Nsmart8的测温系统进行断路器的触头温度监测，有效的解决了断路器触头温度测量问题。

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开断电流的获取通过电流互感器获得，主要用来计算断路器的电寿命。电寿命的计算方法采用文献[2]中所提到的开断电流与开断次数的折算法，能较好的考核断路器的电寿命，误差在15％以内，为工程应用所接受。

2.1 真空断路器的工作原理

      真空断路器是利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器，是高压断路器的一种。真空断路器的基本结构主要由支架，真空灭弧室，导电回路，传动机构，绝缘支撑，操动机构六部分构成。真空断路器的传动链一般由机构传动连杆、拐臂、主轴、绝缘推杆、三角拐臂和触头弹簧装置等构成。操动机构通过绝缘拉杆、触头弹簧等同真空灭弧室的动导电杆相连，带动动导电杆运动完成合、分闸操作。

      真空断路器的合、分闸操作过程：

合闸 时 操 动机构合闸线圈得电→合闸铁芯动作→机构及传动连杆动作→开关主轴转动→绝缘推杆前推→三角拐臂转动→下压触头弹簧装置→灭弧室动导电杆向下运动使触头接触→触头弹簧压缩至接触行程终点。与此同时，机构的辅助开关切断合闸接触器线圈电源，分闸弹簧拉长贮能，电磁机构的扣板由半轴扣车保持在合闸位置，合闸结束。

分闸时，机构中的分闸线圈得电→分闸铁芯动作→扣板与半轴脱扣→断路器在触头弹簧和分闸弹簧的作用下迅速分断→机构的辅助开关切断分闸线圈电源

→机构复原，并由分闸弹簧保持在分闸位置。

2.2 真空断路器的机械特性参数定义

      根据 《高 压断路器国家标准》，机械特性试验中下列动作特性或整定值应予以记录和计算：

(1)合闸时间;

(2) 分闸时间;

(3)一极中各单元之间的时间差:

(4) 极间时间差(如果进行多极试验时);

(5 )操动装置的恢复时间;

(6) 控制回路的损耗;

(7) 脱扣装置的损耗，可能时还应记录脱扣器的电流;

(8) 分闸或合闸指令的持续时间;

(9) 密封性(适用时):

(10) 气体密度或压力(适用时);

(11) 主回路电阻;

(12 ) 时间一行程特性曲线:

(13) 制造厂规定的其它重要特性或整定值;

其中 ， 动触头的行程一时间曲线，分(合)闸线圈电流一时间波形，分(合)闸速度，分(合)闸时间，分(合)闸不同期性对断路器开断和关合各种电路影响最大，也是用户和生产厂家最关心的几个特性参数。断路器机械部分的磨损、疲劳老化、生锈、阀的缓慢动作以及零件装配不当等均会影响断路器的机械特性，监测开关动作的行程一时间特性，提取各种机械特性参数并分析其变化可发现较多机械故障隐患，并可预测可能的故障部件。监测线圈电流波形的变化可以诊断出断路器机械故障的趋势，对断路器中发生几率危害最大的拒动、误动故障的诊断尤为有效。

2.3 真空断路器参数的确定方法

永磁机构真空断路器的行程2时间特性是表征断路器最重要的参数,也是计算断路器分合闸速度的依据,能有效地反映断路器的机械性能。其中,断路器时间参数的确定是对行程特性及分合闸速度等其他参数进行分析计算的基础,特别是分合闸操作起始和结束瞬间的确定,直接影响着真空断路器机械参量的数值,故本系统首先要确定的是断路器的刚分和关合时刻。刚分和关合时刻通过检测分合闸线圈的电流变化并结合在断口加辅助回路的状态信号来获得,即合闸时间是从合闸回路有电流开始到所有极触头都接触的瞬间为止的时间间隔;分闸时间是从分闸回路有电流开始到所有极触头都分离瞬间为止的时间间隔。由于起始的依据是判断分合闸线圈中有无电流通过,故线圈电流出现时刻的测定将直接影响测量的精度和系统稳定性。本系统特选用对信号反应非常迅速的霍尔传感器对分合闸线圈通电的瞬间(以及控制电压的变化)进行高速数据采集,可保证整个系统的测量精度和稳定性。同时,用来辅助确定分合闸时间的断口状态也是记录和运算断路器弹跳时间以及弹跳次数的依据。

3 TMS320F2407简介和功能结构图

3.1 简介

  TMS320LF240x系列DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的。高性能的C2xx CPU内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有单片电机控制的外设。

将高速运算功能与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品，可用于控制功率开关转换器，可提供多电机的控制等。由于LF240x的高集成度，一片芯片即构成一个控制器。

TMS LF240x采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和控制等先进的控制算法，为各种电机提供了高速、高效和全变速的先进控制技术。

TMS320LF240x采用4级流水线结构与改进的哈佛结构。

片内外设及存储器资源如下:

（1）双8路或单16路的10位A/D转换器，转换时间为375ns（该指标视型号而不同）。

（2）片内存储器：32K字闪存、2.5K字RAM，其中包含544字的双端口RAM(DARAM)，2K字的单端口SARAM。

（3）41个可独立编程的多路复用I/O引脚；

（4）两个事件管理器EVA、EVB，适用于控制各种类型的电机，用于工业自动化。

（5）串行通信接口SCI模块；

（6）串行外设接口SPI模块；

（7）带锁相环PLL的时钟模块；

（8）5个外部中断（复位中断、两个驱动保护中断与两个可屏蔽中断）；

（9）CAN 2.0B模块，即控制器局域网模块；

（10）看门狗（WD）定时器模块；

（11）可扩展的192K字的空间，分别为64K字的程序存储器空间、64K字的数据存储器空间、64K字的I/O空间。

（12）用于仿真的JTAG接口。

3.2 功能结构图

      TMS320F2407的功能结构图如图3-1所示。

本测试系统主要由上位机和下位机两部分组成,可一次性快速完成永磁机构真空断路器各机械特性参数的测试,图1 为测试系统原理框图。图中,检测模块(传感器)实现断路器各状态信息(控制电压、分合闸电流、行程及断口状态)的检测,然后经信号调理模块输出至DSP进行A /D转换,转换后的数字量通过CAN总线上传至PC机的显示分析模块,以完成各参数的计算分析及动态特性的显示。其中本文只负责本系统的硬件设计，至于上位机的计算分析和动态特性显示会在以后作进一步的设计。

1. 1. 测试系统的硬件设计

整个测试系统的硬件主要由各传感器、信号采集调理电路、DSP和PC机组成。系统以DSP最小系统为核心,外围扩展了检测和通信电路,主要完成被测信号的采集和传输功能。

（这个图要改2407的）

本测试系统以TMS320LF2407 为核心,控制电压测量采用VSM 500 霍尔磁平衡式电压传感器,响应时间< 40μs,线性度< 0. 4 % ,传感器的输入端通过引线直接和控制电压两端连接;分合闸线圈电流测量采用CSM 200 霍尔磁平衡式电流传感器,响应时间< 1 μs,线性度< 0. 2 %,传感器安装于断路器操动机构的分合闸操作回路中;动触头行程的检测采用13FLP50导电塑料直线位移传感器,预期寿命可达上百万次,独立线性为±(2. 0 %～3.0% ),分辨率为无穷小,传感器直接安装于断路器本体上；断路器断口状态的检测通过在断口两端加直流电压,并于电路中串一限流电阻来实现。传感器输出的检测信号经信号调理电路转换成0～3 V电压信号输出至DSP的A /D模块；断口及其他开关状态信号经信号调理及光电隔离后输出至DSP的I/O模块。

5 测试系统的硬件设计

系统包括以下基本单元：

⑴ 信号的变送。信号的变送由相应的传感器完成。传感器从电气设备上测量出反应断路器运行状态的物理量，并将非电信号转换成电信号，传送到装置CPU处理单元。

⑵ 信号的调理。对传感器变送过来的信号进行适当的调理，对混杂在信号中的噪声进行抑制，提高信噪比。

⑶ 数据的采集。对经过调理后的信号进行采集、转换和存储。

⑷ 信号的传输。对采集到的信号传送到装置CPU处理单元。

⑸ 数据的处理。对采集到的数据进行处理和分析，例如数字滤波，时域分析，频域分析，利用小波分析等等，目的是进一步提高信噪比，为诊断提供有效可靠的数据和信息。

 

5.1 信号调理模块

由于从传感器直接输出的信号往往存在干扰及信号不匹配等问题,故要进行高精度的信号调理,以完成信号的电平转换、隔离以及低通滤波等功能。图4为信号调理电路结构框图。同时,为保证检测并记录的断路器各机械特性参数的可靠性,避免电磁干扰引起元器件和设备的误动作以及损坏,电磁兼容设计也是测试系统的一个重要组成部分。

（图4可以画好看点的）

图5为传感器采集信号传输电路。主要采用TVS管和电容来抑制开关动作时产生的脉冲干扰,使用稳压管以限制输入电压的幅度,通过隔离运算放大器电压跟随并经RC滤波以减小模拟与数字电路间的串扰,最终信号输出至DSP的A /D模块进行A /D转换。

（图5，6可用protel改过来）

图6 为各开关状态量的输入电路。由TVS管、片状滤波器、差分电阻、稳压管和光电耦合器等组成,主要完成保护、整流滤波以及隔离等功能,最终信号输出至DSP的I/O模块。

同时,为有效地防止其他各种干扰,系统可采用软件滤波及其他硬件抗干扰措施。具体措施有: ①用钢或高导磁体制成的双层封闭箱体作为外屏蔽层,有效抑制空间电磁波对电路板的干扰;②信号传输线采用同轴屏蔽线,防止长线传输中耦合的空间干扰影响DSP系统的正常工作; ③对印制电路板的关键部分进行接地,保证电路板内各路信号不会相互干扰; ④对于电源的直流输出端使用大容量的电容进行低频滤波,并在每个芯片的电源引脚附近增加旁路电容,去除电源上的高频干扰。

1. 1.  AD采样模块（要想字数就在这里做文章）

A/D 采样是真空断路器机械特性在线监测系统中最为关键的一部分，A/D采

样的精度直接关系到监测系统整体的精度。本设计采用TMS320F2407自带的16通道10位逐次逼近型高速A/D模块，转换速率达1 MsPs。它把多路开关、采样保持器和A/D转换器这三大环节集成在一个芯片中，可以减少分离元件的数目，缩小电路板的面积和提高系统的可靠性。

由于本设计需要采集的模拟信号量比较多，包括2路分、合闸线圈电流(ANS、ANg) ，三路主回路电流(AN10，ANll，AN12) ，三路主回路电压(AN13，AN14，AN15)共8路模拟信号，因此采用该模块特有的模拟输入扫描模式，按顺序扫描指定的模拟通道。为了尽可能提高系统的精度，本文设计的转换速率为1 M卿，dsp时钟频率Fosc为30MHZ，A/D时钟周期配置为83.33ns，采样时间配置为2 TAD，5V正参考电压由精密基准源LM36完成(如图3.10所示)，负参考电压接地，采用顺序自动采样和自动转换，每完成8路通道的扫描就自动转换，将转换结果按顺序存入ADCBUFO-ADCBUF7缓冲器里，并产生中断.

1. 1.  CAN通信模块（要想字数就在这里做文章）

采用CAN现场总线技术进行数据通信,确保了实时性和可靠性。TMS320LF2407 本身内嵌CAN通信模块,使得构建CAN 节点网络的电路简单、容易。图3为CAN总线与DSP接口电路。为提高测试系统可靠性, 在TMS320LF2407 和PCA82C50间加入了光电耦合器6N135进行电气隔离。

（可改好看点）

1. 1. 电源模块

由于监测装置下位机单片机工作频率比较快，达30MHz，而且电路部分既有模拟的又有数字的，所以为了提高装置工作的稳定性和可靠性，分别为数字电路和模拟电路设计线性电源。

如图3.13 所示，供数字电路用的线性直流电源采用三端集成稳压器LMll7T.5.0实现，LMll7T.5.0是一款高精度，输出可调节的三端稳压器，负载电流可达800mA.线性电源工作过程如下:220V交流市电经220V/gV的小变压器降为gv 交流电压，经过整流桥整流，变为一个直流脉动信号，采用大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波.但由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制，因此在整流电路后加入频率特性好的陶瓷高频电容，进一步改善纹波。另外为了改善负载端的瞬态响应，抑制瞬态噪声千扰，在电源输出端加了担电容。在稳压块上增加了散热器，以防止烧坏稳压块，加二极管起保护作用。这样就可以得到稳定的+5V输出电压，供数字电路使用。

（图13，14可用protel画）

如图 3.14所示，供模拟电路用的线性电源设计与供数字电路用的线性电源类似，输出直流电由三端集成稳压器7809和LMlll7T一5.0组成的串联型直流稳压电源提供，使用220V/5V的小变压器降压。