基于三軸加速度計的跌落式熔斷器監測系統的開發與應用

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電器，可裝在桿上變壓器高壓側、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載和短路的保護，也可裝在長線路末端或分支線路上，對繼電保護保護不到的范圍提供保護。跌落式熔斷器結構簡單、維護方便、體積小巧，在配電網中應用廣泛[1]。將其安裝在配電線路分支線上，可縮小停電范圍，因其有一個明顯的斷開點，具備了隔離開關的功能，故給檢修段線路和設備創造了一個安全作業環境，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。目前國內主要采取對三相跌落式熔斷器配套微動開關的方案，通過熔絲熔斷后的機械聯動實現跌落告警，該種方案工程實現需要變更現有熔斷器結構，且與微動開關的機械聯動實現工藝較為復雜，不利于跌落監測在國內配網迅速普及[2]。故跌落熔斷器缺乏簡便有效地實時監控手段，一旦發生跌落熔斷器跌落事故，電力搶修工作人員無法及時知道跌落熔斷器已出現事故，并且由于無法進行快速準確定位，不能及時趕到現場處理事故，從而導致大面積和長時間停電。跌落式熔斷器的智能化研究，將極大地縮短故障時間，提升供電服務質量[3]。

針對跌落熔斷器實時監測工程應用，本文研究了基于三軸加速度計的熔斷器跌落狀態監測系統[4-5]。三軸加速度計具有測量范圍寬、穩定性高、無漂移、抗干擾能力強、體積小、成本低等許多優點，被廣泛應用于慣性定位單元。同時系統采用簡易安裝的結構設計，便于現有熔斷器監測工程改造。

1 熔斷器實時監測裝置的安裝

熔斷器實時監測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，運行維護人員在安裝跌落式熔斷器時，將熔斷器內部的熔管傾斜角度θ 控制在20°～30°之間，故監測裝置內部加速度計的三軸方向也就相對固定。智能配變終端安裝在桿塔上，用于在線監測熔斷器運行及跌落情況。

圖1 熔斷器實時監測裝置安裝示意圖

2 熔斷器實時監測裝置的工作原理

跌落式熔斷器熔絲管兩端的動觸頭依靠熔絲（熔體）系緊，當短路電流通過熔絲熔斷時產生電弧，熔絲管內襯的鋼紙管在電弧作用下產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，切除故障段線路或者故障設備。跌落實時監測裝置通過與熔管的固定安裝，通過三軸加速度傳感器中X軸讀數Cx，可精確測量熔管傾斜的角度進而敏感熔管是否跌落；同時通過Y軸和Z軸的讀數，判斷監測裝置是否在運維人員更換熔絲后松動，若松動將通過配套的智能配變終端進行告警提醒運維人員[8]。熔管跌落以及監測裝置松動典型過程分別如圖2至圖4所示。

圖2 熔管跌落過程

圖3 熔管復位過程

圖4 熔管發生松動

由圖可知，狀態點Ⅰ—Ⅳ依次為正常運行、跌落判定、檢修復位以及典型松動狀態點，正常運行狀態時Cx讀數一般為9.3～8.4。

當Cx讀數在8.3～6.7之間，監測裝置進行告警預置，若在固定采樣周期內復歸正常狀態讀數，則裝置可通過終端上報“監測異?！蓖ㄖ\檢人員。

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

在熔管復位后，比較之前正常運行時的Cy、Cz讀數，若滿足：

則判斷裝置安裝出現松動，上報“安裝異?！?。

3 熔斷器實時監測裝置的系統構成

熔斷器實時監測裝置主要分為監測主模塊和監測子模塊兩大部分，其中監測主模塊嵌入在智能配變終端的IO模塊內，主模塊一直處于監聽狀態，當子模塊檢測到跌落信號時，會主動發送信號給主模塊，其他時候子模塊處于休眠狀態，以節約電池用量。此外子模塊每過一段時間也會主動發送狀態信息給主模塊，主模塊以此作為心跳檢測，判斷子模塊是否存在[9-10]。

圖5 熔斷器實時監測裝置系統構成示意圖

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

圖6 熔斷器實時監測裝置子模塊示意圖

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，無需外圍設備，節省空間[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[13]。

CPU處理完運動狀態后通過小無線方式上傳，小無線選用 nRF24L01無線收發器，是一個帶有NRF24L01的2.4GHz射頻收發器模塊。寬范圍供電1.8～3.6V，發送時電流 10.5mA，睡眠模式功耗只有900nA。在戶外NRF24LR的通信距離可達62m。在建筑物內 2.4GHz信號會很快消失，通常在通過1～2堵墻之后信號便會丟失，但它在一個 20m×20m的房間內可以毫無問題的接收信號。該模塊具有125個通信頻道，其中一些是用于藍牙、ZigBee和WiFi的頻道。因此，用戶必須安裝沖突檢測，并在頻道之間進行切換，以找到空置的頻道。

電池選用 FANSO公司的 ER14505M，標稱3.6V，電量達1450mAh，理論工作時間10年以上，保守預計使用3年。

通常子模塊的單片機和射頻芯片均處于休眠狀態，單片機內部有一個低功耗的定時器，會在設定的某一個固定時間周期性的喚醒單片機，單片機每次喚醒之后會查詢下加速度傳感器的狀態，并判斷當前是是否發生了跌落事件，如果發送了跌落事件，就激活射頻芯片主動發送跌落狀態信息給主模塊；如果沒有，就判斷是否達到了發送心跳包的周期，如果到了，就激活射頻芯片并發送心跳信息。發送完成之后單片機和射頻芯片會再次進入休眠狀態。其工作流程如圖7所示。

圖7 熔斷器實時監測裝置工作流程

4 熔斷器實時監測系統測試

根據熔斷器實時監測裝置的方案設計，構建系統測試環境，通過模擬不同熔管跌落角度，測試裝置跌落檢測可靠性，如圖8所示。

圖8 熔斷器跌落模擬測試

通過綁帶的長度變化，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，0代表未跌落，1代表跌落。通過測試，該系統可有效檢測熔管跌落狀態，見表1。

表1 跌落信號檢測

5 結論

總之，隨著配電智能化的進程，若要使跌落式熔斷器能夠可靠運行并實時監測其運行狀態，則除了選擇正規廠家生產的高質量熔斷器外，還應將跌落式熔斷器在線監測裝置應用于配電網中，這樣可更好地檢查跌落式熔斷器是否正常工作，對跌落熔斷器的穩定、安全運行意義重大，有利于工作人員盡快找出故障所在，讓所有人用電無憂。此外，工作人員應建立日常檢修制度，保證在更換、安裝熔斷器時規范操作，了解跌落式熔斷器常見故障原因，并便于盡早發現異常原因，這樣可以有效地減少跌落式熔斷器常見故障的發生。

參考文獻

[1] 張玉寶, 胡浩. 10kV跌落式熔斷器性能缺陷分析及其相關問題探析[J]. 黑龍江科技信息, 2010, 15(13):35.

[2] 臧猛, 鮑偉. 10kV柱上變壓器臺高壓側智能化技術研究[J]. 科技與創新, 2017(19): 35-36, 40.

[3] 林德山, 陳樹果, 周保民. 新型跌落式熔斷器遮蔽罩在配網帶電作業中的應用[J]. 煤炭技術, 2014,33(6): 264-265.

[4] 于梅, 何聞, 劉愛東, 等. 超低頻振動國家計量基準裝置的研究與建立[J]. 計量學報, 2011, 32(2):97-100.

[5] 于治會. 加速度計的靜態校準[J]. 宇航計測技術,2000, 20(2): 42-44.

[6] 劉濤. 分析10kV跌落式熔斷器開關在運行中出現故障及處理措施[J]. 中國電子商務, 2014(5): 297.

[7] 周恒逸, 齊飛, 毛柳明, 等. 10kV跌落式熔斷器熔斷件性能試驗研究[J]. 電子技術應用, 2014(S1):156-157.

[8] 吳建峰, 孫德斌. 通過一次事故看10kV電纜設備絕緣配合[J]. 農村電工, 2013(4): 32-33.

[9] 郭建武. 配網跌落式熔斷器常見故障及防范措施[J].湖州師范學院學報, 2010(S1): 151-152.

[10] 姜偉. 狀態檢修在內蒙電力的應用現狀及問題思考[J]. 電氣技術, 2014, 15(4): 83-85, 94.

[11] 曹方劍. 關于10kV跌落式熔斷器與熔絲保護配合的論述[J]. 中國科技博覽, 2013(38): 2-3.

[12] 張達洄. 電能質量在線監測系統在供配電網的應用[J]. 電氣技術, 2014, 15(3): 103-105.

[13] 溫銀萍, 溫廷敦. 介觀壓阻型硅鍺加速度計研究[J].微電子學與計算機, 2009, 26(3): 22-25.