基于ARM的真空斷路器觸頭磨損檢測系統

王 禹 ，楊 帆 ，李 巖 ，唐紅梅

（1.河北工業大學 信息工程學院，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開關器件，它具有體積小、質量輕，適合反復操作、滅弧效果好等優點，在幾乎所有高壓電網節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開關動時的高溫電弧燒灼和劇烈碰撞產生磨損，當磨損超過斷路器規定的限度（一般小于3 mm）時，會出現合閘不靈，引發電網事故[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，觸頭材質研發，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]。經觀察發現，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，本文正是根據這個原理，針對斷路器磨損檢測問題，設計出了一種真空斷路器觸頭磨損在線檢測系統[5-7]。

1 從機的設計

本檢測系統由一臺主機適配器與數臺安裝在斷路器端的從機組成，如圖1所示。

1.1 從機的設計概述

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（模數轉換器）、時鐘以及各種GPIO接口等資源。光電計數器負責監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送磨損數據，以對抗斷路器的惡略工作環境。觸摸屏和LCD與核心板相連作為顯示和輸入設備。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送報警短信。

圖1 系統組成框圖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，進程1（檢測進程）：如圖3所示，在設置好從機的所檢測的各路斷路器最大磨損量與開關次數后，當檢測到某路合閘信號時，從機自動檢測出對應路最新觸頭磨損數據與開關次數并保存至工作日志，對比當前各路觸頭磨損值是否達到初始化時設定的預設壽命，若此下位機檢測的某一觸頭出現磨損達到預設值，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短信向特定號碼發送報警短信，并使蜂鳴器發出警報音。

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，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數據上傳給主機，而后恢復低功率等待狀態。若不一致則直接恢復低功率等待狀態。

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送報警信息以及接收并回復來自短信的控制信息。管理員可以通過短信控制從機，若發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，系統進行PDU或7bit格式解碼，提取短信密碼、短信中心號碼、發送方號碼與控制信息。若密碼和控制信息與預設規則相符，按要求提取工作日志中數據，將短信中心號碼、發送方號碼、日志數據進行PDU格式編碼并通過短信模塊發送回復。

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 從機的系統設計

1.2.1 LINUX移植與文件系統

從機搭載LINUX3.0.1操作系統，使用Uboot作為Bootloader，采用包含Qt2運行庫的yaffs2文件系統。其中此版本的Uboot與LINUX內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，編譯好的內核映像包含觸摸屏、ADC、NANDFlash等多數從機硬件的驅動程序。

1.2.2 光電計數器、位移傳感器驅動程序概述

光電計數器使用輸出一路TTL電平的紅外對射式光電計數器，輸出為低電平有效，三路計數器的數據引腳分別連接 到 S3C6410 的 KEYINT1，KEYINT2，KEYINT3 引 腳 。KEYINT均為處理器的中斷引腳，計數器的設備文件為/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轉換的輸入信號[8]。設備文件分別是/dev/adc0，adc1，adc2。

2 主機工作流程與設計

2.1 主機工作流程

本系統的主機僅由一個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，適配器經過USB接口與PC連接。它能與檢測網絡內的數臺下位機進行輪詢方式通信，監視各下位機工作狀態，接收各下位機發送的數據并顯示在計算機軟件界面上，向指定下位機發送命令。連接好主機與主機適配器后，主機自動加載無線模塊驅動（windows XP或 windows 7系統），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 主機的軟件設計

主機部分軟件使用QT5開發平臺編寫。程序界面顯示各個從機所監測的三路觸頭的磨損狀態與開關次數。程序流程如圖6所示，當程序開始運行后，程序按順序循環發送包含不同地址碼的廣播信息，每次發送間隔為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據的回復信息，若收到回復信息，檢測軟件會將收到的檢測數據顯示在相應的下位機狀態欄處。在每次發送后到下次發送前的間隔中接收來自目標從機的數據信息，并將目標下位機上傳的檢測信息提取出來，顯示在界面上相應窗口中。若0.8 s內未收到下位機回復，則對應圖標顯示此下位機已失去聯系。

3 檢測系統的測試

3.1 系統安裝

系統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，完成這一步后調整每個傳感器下的可調旋鈕，使傳感器探頭有一定的預壓縮。將3個光電計數器安裝在每個動觸頭連桿兩側。實驗中使用兩臺從機，從機上電后，設置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壓縮后的傳感器的位移變為零磨損點，之后檢測到的磨損位移將以此位置作為起點。對斷路器進行開關測試，以判斷光電計數器是否正確安裝，從機是否可以檢測到斷路器的開光動作。設置斷路器的最大磨損值以及最大開關次數，并將已有的數據清零。此時檢測系統下位機已經處于工作狀態[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 組網測試

本次測試中使用兩臺從機與一臺主機進行組網測試，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臺斷路器分別出現先達到預設磨損量和先達到最大使用次數，筆者將1號從機的三路觸頭最大磨損值設置為3 mm，最大使用次數設置為20 000次，2號機的三路觸頭最大磨損值設置為5 mm，最大使用次數8 000次。打開測試PC機中的檢測軟件，顯示網內有2臺地址碼分別為1與2的從機，每臺從機上的3個斷路器對應的開關次數與磨損度均為0。

將開高壓開關測試儀設置為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狀態值開始變化，開關次數開始增加，磨損值變化較為緩慢。此時發送AB兩條控制短信至測試從機，控制信息要求從機發送當前日志數據，A短信使用錯誤密碼，B使用正確密碼，發送B號短信后，手機收到與當前從機屏幕上的磨損數據一致的信息，而發送短信A后從機并未回復。

3.3 實驗結果與試驗數據對比

表1截取的是1號機三路斷路器開關次數達到3 000次、6 000次和9 733次時從機得到的檢測數據。而表2是2號從機檢測到的三路斷路器開關次數為3 000次、6 000次和8 000次時的檢測數據。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）磨損值便達到預先設定的最大磨損值（3 mm），預設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號從機在達到預設最大斷路器開關次數（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設值，進行停機檢測后，我們發現最大磨損值誤差出現在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從機脫機情況，滿足對檢測系統對可靠性的要求。

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 結束語

通過上述對檢測系統的測試表明，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、組網靈活性強、安裝使用方便等特點。可以大大減輕了斷路器真空管檢修的工作量。此系統每臺從機造價約為600元，主機適配器約為70元。應用在中型斷路器上時成本約占總成本的3%～5%。

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