面向高壓斷路器故障診斷的多源信號采集系統

李江婷，陽 清，沈佳華，李 徽

（1.湖南理工學院 機械工程學院，岳陽 414006；2.杭州國洲電力科技有限公司，杭州 310000）

高壓斷路器是配電系統處理與防控的重要元件，廣泛應用于變電站中。其在實際應用中常發生故障，一旦出現故障，極易導致電網故障等事故[1-3]。目前多采用定期檢修法維護設備，即根據設備使用周期制定維護方案，一旦到規定周期，無論是否發生故障都停電檢修。其維護周期長、成本高、檢修效率低，且人為檢修存在一定的漏洞，若未及時發現故障，將影響設備正常運轉。

在此基礎上，相關研究者提出了斷路器運行狀態在線監測技術[4]，有紅外溫度測量[5]、振動檢測[6]、電流信號檢測[7-10]等，但這些狀態監測的采集信號種類單一，只能診斷出單類信號相關的故障。而真實運行場景可能出現的故障較多，如彈簧力不足、齒輪缺陷、電氣老化、操動機構卡澀等[11]，根據單一信號源診斷斷路器故障將無法滿足實際需求，不符合智能電網的發展規劃。因此設計一種面向高壓斷路器的多源信號采集系統，可以穩定地采集斷路器振動、聲音、電流信號以供上位機對之進行狀態監測和多維度故障分析。

1 多源信號采集系統硬件設計

1.1 系統整體架構設計

多源信號采集系統主要由供電、信號采集調理、緩存、信號處理、以太網傳輸模塊以及上位機組成，整體架構如圖1 所示。電源模塊供電，傳感器將各自接收到的振動、聲音、電流信號流經信號調理電路，對初始信號進行模擬信號濾波、電壓放大以及去耦合等操作后，利用AD 采樣芯片將模擬信號轉換為數字信號，并將轉換結果存入數據緩沖器；MCU（微控制單元）處理器讀取并處理好數據后，存入主存儲器；最后利用以太網傳輸模塊將數據傳至上位機，由上位機進行信號波形顯示、特征參量提取、頻譜分析、數據存儲等操作。

圖1 系統整體架構Fig.1 Overall architecture of the system

1.2 信號采集調理模塊

信號采集調理模塊用于采集斷路器振動、聲音、電流信號并減少干擾。選用靈敏度高、頻率測量范圍廣、便于安裝的壓電式加速度傳感器ULT2001采集振動信號，解決斷路器工作期間振動強度傳導后的衰減問題；選用頻率響應范圍大、靈敏度高的TYPE 2612 自由場傳聲器檢測消除傳感器對聲場干擾后的聲壓；選用最大測量電流達100 A、支持電池或外部電源供電的CPL8100A 低頻電流探頭采集線圈電流信號。為確保系統采樣率不低于100 KSPS，選用有16 位分辨率、可8 通道同步采樣、最大采樣率200 KSPS 的ADS8588S 進行數模轉換。

實際測試時輸入電壓24 V、恒定電流4 mA，ULT2001 磁吸在設備觸頭組處，TYPE 2612 非接觸安裝在設備1～2 m 處，電流傳感器穿心安裝在斷路器電機電源線處。各傳感器輸出對應信號后，利用信號調理電路降低噪聲干擾，連接AD 芯片對應引腳，輸入信號。圖2 為信號調理電路。

圖2 信號調理電路Fig.2 Signal conditioning circuit

1.3 緩存模塊

AD 采樣芯片對CPU 而言是低速率系統，為提高CPU 工作效率，在兩者間增加一個數據緩沖器。當緩存數據達一定量時，通知CPU 按先后順序取走緩存器中預先保存的AD 采樣數據，以匹配高、低速率系統的速率。數據緩沖器采用FPGA+雙RAM（隨即存取存儲器）結構，CPU 取走其中一片RAM 的數據時，另一片RAM 可供AD 緩存新數據，確保系統不丟幀，完整采樣到任意時刻數據。FPGA 芯片選用EPM579T144，RAM 選用IS61LV5128。

1.4 信號處理模塊

ARM 微控制器是信號處理模塊的核心，本系統選用AT32F437ZMT7 芯片，一款國產高性價比的32位MCU，擁有256 KB 閃存、工作頻率達288 MHz、內部自帶DSP（數字信號處理）處理，滿足高速及控制等要求。MCU 需接收上位機軟件控制系統發出的指令，讀取、分析并處理AD 采樣數據，隨后通過以太網數據接口將數據傳給上位機。

1.5 以太網傳輸模塊

根據采樣率和通道數需求，系統每秒需傳輸約1 M 字節的數據。為提高系統傳輸速率，選用100 Mbps 帶寬的以太網傳輸，采用支持100 Mbps 速率的LAN8720A 芯片進行數據收發，使用RMII 接口和MAC層通信。選用RJ45 為以太網絡接口，LAN8720A 途經變壓器與RJ45 連接，LAN8720A 與RJ45 外圍電路分別如圖3 所示。其中LAN8720A 外部與25 MHz晶振連接，借助PLL 倍頻至50 MHz 作時鐘源，使PHY芯片與集成了MAC（媒體訪問控制）的MCU 順利通訊。

圖3 以太網傳輸模塊外圍電路Fig.3 Circuit surrounding Ethernet transmission module

2 多源信號采集系統軟件設計

2.1 AD 采集邏輯設計

為使系統控制簡單、便于編寫代碼，采用ADS8588S的并行讀取模式對各傳感器進行同步采集。ADS8588S每一路模擬輸入均有1 MΩ 固定阻抗，使得模擬量的輸入無需低阻抗輸出驅動來驅動，直接將振動、聲音以及電流傳感器的輸出端分別接至AD 芯片的輸入端。系統使用50 MHz 的外部時鐘頻率，圖4 為具體控制時序圖，CONVSTAB 受下降沿觸發，表示開始啟動AD 芯片；開始轉換前需先復位，RESET引腳高電平持續時間tPH_RST需大于50 ns 才可被識別為有效復位，故設置tPH_RST≥50 ns；CONVSTAB 等待2 個時鐘后拉高，數據開始轉換；拉高BUSY 位，進行數模轉換；BUSY 位拉低，轉換完成，此時轉換數據已準備好，可開始回讀。CS 拉低時，RD 的每個上升沿處讀取1 個bit，采用移位寄存器的方式進行存儲，多通道同時進行。

圖4 采集邏輯時序圖Fig.4 Collection logic sequence diagram

2.2 以太網模塊邏輯設計

PHY（物理層）芯片相當于MAC 層和上位機間通訊的媒介。LAN8720A 通過RMII 接口與MAC通信，利用REFCLKO 引腳提供50 MHz 時鐘，通過REF_CLK 引腳輸出至MCU。

發送數據時以太網數據幀格式：前同步碼+SFD+以太網幀頭+IP 頭部+UDP 頭部+數據+CRC。以太網數據幀提前保存在DMA FIFO 中，檢測到SOF 事件后，提取數據至MAC 內核，隨后利用RMII 接口把數據傳送給PHY 芯片，傳輸完成后產生EOF 事件，MAC 內核通知DMA（直接存儲器訪問）。期間需進行最終傳輸數據的CRC 校驗，結果附在發送以太網幀格式的末尾[12]。若檢測到有以太網數據包需接收，LAN8720 控制接收信息。檢測到SFD 后，MAC 朝接收緩沖區發送以太網幀數據，從緊跟SFD 的目標地址開始發送，去除接收幀的報頭和SFD，解包MAC數據包，解包后的數據借助DMA 傳輸至系統寄存器。

2.3 上位機軟件設計

軟件控制流程如圖5 所示，軟件具備設備管理、測試內容配置、時域波形顯示、綜合頻譜分析、歷史數據比對等功能。設備管理可設置隔離開關信息、測試信息、采樣信息及測試通道；測試內容配置包括確定采樣信息、配置檔位、連續或單次測試以及基準電流；波形顯示指顯示各信號原始波形、包絡分析結果及頻譜分析結果；歷史數據比對將樣本數據與數據庫的對比數據進行比對，以發現設備故障，確保設備使用安全。

圖5 軟件控制流程Fig.5 Software control flow chart

3 系統測試及驗證

3.1 試驗方案

利用ZN63（VS1）-12 系列的戶內高壓真空斷路器[13]搭建試驗平臺以測試該系統性能，模擬彈簧力不足和齒輪缺齒2 種故障[14]。該斷路器采用雙彈簧結構進行儲能[15]，其穩定運行狀態如圖6（a）所示；通過拆除1 只彈簧，采用單彈簧儲能模擬彈簧力不足故障如圖6（b）所示；將缺齒齒輪替換斷路器原有良好齒輪，模擬齒輪缺齒故障如圖6（c）所示。設置斷路器正常動作時產生的各信號波形圖為對照組，彈簧力不足和齒輪缺齒時產生的信號波形圖為實驗組。將各波形進行比對分析，以確定斷路器在出現缺陷時各類信號會出現何種異常。

圖6 斷路器多種狀態模擬Fig.6 Simulation of multiple states of circuit breakers

3.2 功能測試和結果分析

上位機通過以太網模塊將采集到的信號數據轉換為波形圖并顯示出來。圖7 為斷路器在正常工作狀態下分閘時的分閘電流、振動及聲音信號的局部放大波形圖。t0時刻，線圈開始通電，線圈電流呈指數形式增長，t1時達到峰值，鐵芯開始運動；因鐵芯運動速度較慢，反電動勢作用偏小，電流減小，鐵芯于t2時刻停止運動；隨后，反電動勢為0，電流持續以指數形式上升，t3時達到峰值；保持電流基本不變到t4時刻；因輔助觸頭間產生電弧，線圈電流隨電弧電壓持續升高而飛快下降，在t5時刻降至0；t5時刻彈簧鎖扣，此過程極短，鎖止加速度絕對值極大，產生的振動及聲音信號較大。

圖7 斷路器正常工作狀態下分閘時分閘電流、振動及聲音信號局部放大波形圖Fig.7 Locally amplified waveforms of the opening current，vibration，and sound signals of the circuit breaker when opening under normal operating conditions

鐵芯運動是一個摩擦事件，產生微弱振動及聲音信號，觀察t1～t2段曲線是否產生微弱信號可判斷鐵芯運動時是否有脫扣、卡滯等現象。t2～t4段電流波形反映開關本體傳動機構的工作情況，觀察電流波形是否偏離正常波形，以確定設備傳動機構中與鐵芯頂桿連接的閥門或鎖扣是否存在缺陷。t4～t5段電流波形反映輔助觸頭工作情況，若滅弧存在困難則波形發生偏離，若無法正常轉換則電流一直存在，最終燒壞線路。

圖8 分別為斷路器在正常動作時、彈簧力不足時、齒輪缺齒時的各信號波形圖。將圖8（b）與圖8（a）的各類信號波形圖進行對比分析，發現其主要差異表現在儲能電機電流：正常動作時，儲能電機電流隨時間的推移存在著一定的規律；而彈簧力不足時，儲能電機電流不再存在任何規律，出現較多異常躍起，且分合閘電流的異常躍起也有所增加。將斷路器在齒輪缺齒時產生的各信號波形圖8（c）與圖8（a）中對應信號波形進行比對，發現儲能電機電流、分合閘線圈電流無明顯變化，但相較于正常工作時儲能過程中產生的振動及聲音信號，齒輪缺齒時增加了許多較為明顯的毛刺。

圖8 斷路器不同工作狀態下整體儲能電機電流、分閘電流、合閘電流、振動、聲音信號波形圖Fig.8 Waveform diagram of the overall energy storage motor current signal，opening current signal，closing current signal，vibration signal and sound signal of the circuit breaker under different working conditions

4 結語

本多源信號采集系統以ZN63 系列高壓斷路器為平臺，AT32F437 為核心處理器，利用壓電式加速度傳感器、自由場傳聲器、霍爾電流傳感器分別檢測振動波形、聲音波形、電機電流與分合閘線圈電流波形，通過處理傳輸等模塊，在電腦端顯示采集結果。通過模擬試驗驗證，該系統可以較好地檢測高壓斷路器的振動、聲音、電機以及分合閘線圈電流信號，誤差小，穩定性高；電腦端將接收到的數據轉換為波形顯示出來，通過比對樣本，確定異常主要出現在何種信號中。通過以上研究可以驗證本系統能高效、可靠地采集到斷路器的振動、聲音、電機電流與分合閘線圈電流波形，以支持數據波形比對，為后續從多維度對斷路器進行潛在風險規避和故障診斷提供了重要依據，實現豐富診斷類型的同時，節省成本、提高診斷可靠性。