（电力系统及其自动化专业论文）断路器触头温度、行程在线监测系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：c i r c u i tb r e a k e rt a k e so nv e r yi m p o r t a n tr o l ew h i c hc o n t r o l sa n d p r o t e c t sp o w e rs y s t e m i t sr u n n i n ga f f e c t st h ew h o l ep o w e rs y s t e m ss t a b i l i z a t i o na n d r e l i a b i l i t y o n 1 i n em o n i t o r i n go f c i r c u i tb r e a k e ri st h ep r e c o n d i t i o na n dk e yo fc o n d i t i o n m a i n t e n a n c e a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g ya n ds i g n a ld i s p o s i n g t e c h n o l o g y , t h em o n i t o r i n go fs o m eu n e a s y o n l i n em o n i t o r i n gc o n d i t i o nv a l u eo fc i r c u i t b r e a k e rc o u l db ec o m et r u e t h i sp a p e re x p a t i a t e so nt h ei m p r o v e m e n to fe x i t i n go n l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y o fc i r c u i tb r e a k e r , p r e s e n t st h et y p e so fc i r c u i tb r e a k e rc o n d i t i o nv a l u ea n dd e s i g n s c o n t a c tt e m p e r a t u r ea n dt r a v do n 1 i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fc i r c u i tb r e a k e rb a s e do n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o no nt h eb a s i so fa d o p t i n gt h ep r i o ri n v e s t i g a t i o n t h es y s t e m c o m p o s e sb yt e m p e r a t u r ea n dt r a v e lm e a s u r i n gm o d u l ea n du p 。c o m p u t e rm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gm o d u l e t h et e m p e r a t u r ea n dt r a v e lm e a s u r i n gm o d u l eu s e si n f r a r e d t e m p e r a t u r es e n s o ra n di n c r e m e n t a lo p t i c a l e l e c t r i c a le n c o d e r , a c t u a l i z e su n - t o u c h e d m e a s u r i n gc o n t a c tt e m p e r a t u r ea n dt r a v e lo fc i r c u i tb r e a k e r u p c o m p u t e rm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gm o d u l ec o m p o s e sb ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o c e d u r e a n d c o m m u n i c a t i o nc e l l t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o c e d u r es e t sc i r c u i tb r e a k e r t e m p e r a t u r em e a s u r i n gc y c l e ，c o l l e c t st h ec o n t a c tt e m p e r a t u r ed a t ao fc i r c u i tb r e a k e r , a n dr e s p o n d st h es i g n a lo fc i r c u i tb r e a k e rc u t - o f fo rc u ti n ，a n dc o l l e c t s t h e m o v i n g - c o n t a c tt r a v e ld a t ao fc i r c u i tb r e a k e r i na d d i t i o n ，c o m m u n i c a t e b e t w e e n u p - c o m p u t e ra n dm e a s u r i n gm o d u l eu s i n gw i r e l e s sr a d i od a t a ，a v o i dt h ec o n n e c t i o no f c o n t r 0 1 c a b l eb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dt r a v e lm e a s u r i n gm o d u l ea n du p c o m p u t e r t h ec o n t a c tt e m p e r a t u r ea n dt r a v e lo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e r t a k e se x p e r i m e n t ，i sa b l et oa c t u a l i z et h em e a s u r eo fc o n t a c tt e m p e r a t u r ea n dt r a v e lo f c i r c u i tb r e a k e r , a n dt h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p - c o m p u t e ra n d t e m p e r a t u r ea n dt r a v e lm e a s u r i n gm o d u l e k e y w o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；c o n t a c t ；t e m p e r a t u r e ；t r a v e l ； w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c l a s s n o ：t m 5 6 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 e t签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年 月 日 5 8 致谢 本论文的工作是在我的导师王毅教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在完 成课题期间，王老师从论文选题、课题研究到论文撰写的每个方面都给与了热忱 的关心。王老师渊博的学识、严谨的治学态度永远是我学习的楷模。在我攻读硕 士学位的二年来，正是王老师的严格要求、精心指导和亲切关怀才使我能够不断 前进。值此论文完成之际，谨向王老师致以亲切的谢意。 在论文撰写过程中还得到了常广师兄的精心指导，耐心的解答课题期间所出 现的问题，使我受益匪浅。同时，本文的完成还得到了实验室其他同学的大力支 持和帮助，在此表示感谢。同时还要感谢这两年多来给与我关心、帮助的老师、 同学和朋友们。 另外也感谢我的家人，有了他们的理解和支持才使我能够在学校专心完成我 的学、i k 。 最后，衷心感谢所有给予我关心、支持与帮助的人们。 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 断路器在线监测的发展 我国从5 0 年代开始，几十年来一直根据电力设备预防性实验规程的规定对电 力设备进行定期的停电实验、检修和维护。定期实验存在一定的不足，不能及时 发现设备内部的故障隐患，而且停电试验施加于运行电压的试验电压，对某些反 映也不够灵敏。随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，停电事故给生产 和生活带来的影响及损失越来越大，因此保证电力设备的安全运行越来越重要， 而定期的停电实验、检修和维护已经不能满足电力系统发展的需要，迫切需要对 电力设备运行状态进行实时的在线监测，根据其状态量的长期监测数据，及时反 映断路器各功能部件的可靠程度，以便采取预防措施，避免停电事故发生。 进入8 0 年代以来，电力设备在线监测技术发展很快，绝大多数变电站设备及 发电机、电缆、线路绝缘子等都有在线监测项目。随着电子技术的进步和传感器 技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术等的发展和向各领域的渗透，系统 监控技术中广泛应用了这些先进的科研成果，使在线监测技术逐步走向实用化阶 段【i 】。与预防性实验相比，在线检测系统采用更高灵敏度的传感器以采集运行中设 备绝缘劣化的信息，信息量的处理和识别也依赖于有丰富软件支持的计算机网络， 不仅可以把某些预试项目在线化，而且还可以引进一些新的更真实反映设备运行 状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电力设备由定期实验 向状态检修过度的进程。 在线监测技术的开发，推动了电力设备运行维护水平的提高，减少了维护人 员的劳动强度，对部分设备采用根据监测结果确定停电检修周期的方法，为从预 防性实验向状态检修方向过度积累了经验。另一方面，由于引进了先进的电子技 术、信息处理技术，使得在线检测技术更具有先进性、实用性，推进了电力设备 绝缘监督方法的革新。在线监测技术的开发和应用，提高了运行管理的智能化程 度，加快了设备运行状态的信息反馈，缩短了故障判断和处理时间，提高了工作 效率，减少了因停电造成的经济损失，并为实现无人值班变电站创造了条件。 断路器是电力系统中最重要的设备之一，肩负着控制和保护的双重任务，即 能根据电网的需要进行电力设备及线路的投切，以及当电力设备或线路发生故障 时，能将故障部分迅速从电网中切除，以保证电网无故障部分的可靠运行【2 j 。目前 对断路器性能的检查，主要是在交接和停电结合大小检修进行预防性试验，检查 其机械和电气性能，但这种方法并不能及时发现事故异常征兆，且过度拆卸检修 反而会影响断路器的正常运行。断路器状态监测的目的在于及时发现早期故障的 征兆，以便运行维护人员在事故处于萌芽状态时，就能够通过检测手段及早消灭 隐患，从而避免恶性事故的发生。对断路器进行在线监测，是实现断路器预知性 维修的前提，是保证断路器安全可靠运行的关键，也是对传统离线预防性试验的 重大补充和新的发展。因此，及时了解断路器的工作状态对提高供电可靠性有重 要的现实意义，并可以大大减少盲目定期检修所带来的资金浪费。 1 1 2 国内外发展趋势 目前，国内外都在致力于断路器检测手段的研究和开发。断路器在线监测技 术已经进入新的发展阶段，一些新的理论、技术、检测手段j 下在被开发、运用。 显然，检测手段一直是在线监测技术的核心工作，研制新的高压断路器在线监测 智能装置的目的在于对断路器运行中的状态量进行记录，提供更高的精度、更高 的时间分辨率数据，以改善装置的性能价格比，为进一步的故障诊断和预测工作 做准备，提供一种积累数据的有效手段。 断路器的在线监测工作，无论是国内还是国外，都还没有通用的在线监测装 置标准产品，各研究机构或制造厂家根据不同的断路器装置和用户要求而生产不 同的产品【3 】。国外由于起步早，产品相对比较成熟；国内尚在不断的探索之中。如 今，一些发达国家对高压开关设备的机械特性诊断技术已日趋成熟，并且已有了 功能较齐全、抗干扰性能较高的产品。在我国，断路器机械特性在线监测技术发 展起步较晚，近年来，国内一些单位和厂家也在开展断路器在线监测和故障诊断 方面的工作。 但是断路器在线监测系统的功能仍需进一步完善和提高。经过几年的运行， 已经暴露出一些监测系统的设计问题，需要结合在线监测的特点从技术角度综合 考虑，进一步提高产品的稳定性和准确性，保证传感器自身质量及现场测量中的 可靠性，才能得到更好的效果。 总的来说，断路器的在线监测装置可以分为两种类型，一种是具有综合功能 的在线检测装置，它监测断路器的状态参数相对多一些，如断路器的分、合闸速 度和时间、断路器的开端电流和燃弧时间、气体压力等；另一种则是专门的参数 状态监测装置，如断路器的机械状态监测、绝缘的在线监测、温度监测等。从发 展的趋势看，无论是具有综合功能的在线检测装置还是专门的参数状态监测装置， 2 在其不断改进发展的进程中，都在向技术更先进、可靠性更高的智能化方向发展， 都将成为智能化断路器的一部分而融合到其整体中去。 1 2 本文主要工作 断路器需要监测的状态量的类型很多，本文通过分析断路器的结构，针对断 路器触头温度、行程这两个不容易实现在线监测的状态量，比较其各种监测方式 的优缺点，采用非接触式测量方式实现触头温度、行程的在线测量；将无线通信 技术应用到断路器在线监测中来，以实现测量模块与上位机之间的无线数据传输； 最后详细介绍了断路器触头温度、行程测量的原理以及断路器触头温度、行程在 线监测系统的硬件、软件实现。 3 第二章断路器触头温度、行程测量原理 2 1 断路器在线监测概述 2 1 1 断路器的基本介绍 断路器根据其灭弧原理可以分为油断路器( 多油、少油) 、压缩空气断路器、 s f 6 断路器、真空断路器等，其中油断路器和压缩空气断路器已经逐渐被淘汰。我 国目前应用最多的是真空断路器和s f 6 断路器。在中低压等级电网中多采用真空断 路器，1 2 5 k v 及以上断路器多为s f 6 断路器。断路器的典型机构如图2 1 所示： 开断元件 l 一绝缘拉杆、2 一传动杆 图2 1 断路器典型结构简图 开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常工作电流和故障工作电流 的执行元件，包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的分合动作靠操动机构来带 动，操动机构和断路器动触头之间连接的部分称为传动机构和提升机构。断路器 的工作可靠性很大程度上依赖于操动机构动作的可靠性。操动机构根据其能量形 式可分为手动操动机构( c s ) 、电磁操动机构( c d ) 、弹簧操动机构( c t ) 、电动 操动机构( c j ) 、气动操动机构( c q ) 和液压操动机构( c y ) 等。一种型号的操 动机构可以配用不同型号的断路器，而不同型号的断路器也可装配不同型号的操 动机构。 4 2 1 2 断路器状态量的监测 断路器依靠其机械部件的正确动作来完成其职能的，同时断路器开断元件的 损耗程度对断路器动作的可靠性具有重要的影响。通过对断路器的机械特性和开 断元件损耗程度状态量的在线监测来判断断路器的运行工况，来实现断路器的状 态检修。目前断路器在线监测的状态量主要有以下各项f 删： 1 ) 断路器机械振动信号监测机械部分的卡滞，机构运动零件脱落，缓冲性能， 运动过程中有无非正常碰撞等。 2 ) 合( 分) 闸线圈电流监测电磁铁及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头等在 操作过程中的工作情况。 3 ) 合( 分) 闸线圈电压监测控制回路和电压是否正常工作。 4 ) 分、合闸时间包括分、合闸时间，分、合闸三相间断口不同期性，分、合 闸通向内各断口不同期性，分、合闸断口主副触头配合时间，重合闸无电流时 间，重合闸金属短接时间。 5 ) 断路器操作次数监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行 维修( 润滑及紧固螺钉) 的次数。 6 ) 合闸弹簧状态监测弹簧机构的弹簧压缩工作情况。 7 ) 断路器动触头行程监测断路器行程，行程过冲，可以包括：分、合闸动触 头行程曲线、总行程、超行程、弹跳等。 8 ) 断路器动触头速度监测断路器运动速度，可以包括：分、合闸动触头速度 曲线、刚分、合速度、平均速度、最大速度等。 9 ) 触头温度监测触头的发热情况、磨损情况。 1 0 ) 开断电流加权值q = 圪。( n 为开端顺序次数；i b n 为第n 次开断时断路器开 l 断电流值；a 为开断电流指数，通常在1 5 2 0 之间。q 可问接监测断路器灭弧 室及弧触头烧损状况是否达到制造厂规定之。 1 1 ) 静态回路电阻通过静态回路电阻值估计触头的磨损程度和回路的接触情 况。 1 2 ) 动态回路电阻测量动态电阻，能得到动触头与弧触头的有效接触时间、行 程，从而可以检测弧触头磨损，预测触头寿命。 断路器状态量的类型很多，有些状态量对断路器的状态监测很重要，可是实 现对其的在线监测却比较困难，如触头的温度、断路器的行程等。因为断路器在 运行过程中触头带电，要对断路器触头温度进行测量需要解决在线监测中高电压 绝缘的问题【1 0 12 1 。对于断路器的行程监测，因为断路器开断的时间很短，触头开 5 距不同的类型断路器各不相同( 1 2 k v 真空断路器为1 0 m m 左右，4 0 5 k v 真空断路 器为2 0 m m 左右) ，但总的来说，触头开距比较小，实现起来有难度【1 弘1 5 1 。随着传 感器技术、信号处理技术的发展，更多的新型传感器应用到断路器状态量的在线 监测中来，使得一些原来不容易在线测量的状态量也能够实现在线监测。 2 2 断路器触头温度测量原理 目前用于断路器触头温度在线测量的方法主要分为两种： 1 ) 接触式测量：采用热敏电阻或半导体温度传感器等提取发热点的温度。 2 ) 非接触式测量：采用光纤温度传感器、红外温度传感器等提取发热点的温 剧1 6 l 刀。 接触式测量所用到的传感器价格低廉、结构简单，但是需要与断路器触头附 近的带电部分接触，会给测量装置引入高电压绝缘问题。而非接触式测量可以实 现远距离测量，不需要与测量点接触。为了避免断路器在线监测装置的高电压绝 缘问题，本文中采用非接触式测量的方式实现断路器触头的温度测量。 目前，非接触式温度测量的传感器主要有两种：光纤温度传感器和红外温度 传感器。光纤温度传感器由光纤和感温原件构成，它的原理是利用感温元件对光 的吸收性随温度变化而变化的特性，将待测物体温度变化转化为光信号的变化， 再通过光监测电路及滤波电路输出模拟电压量。温度测量通过光信号转化为电信 号，但是采用光纤温度传感器需要在测温点引出光纤电缆，而且光纤温度传感器 的价格目前还是比较高，相对而言性价比较低。红外温度传感器原理是通过接收 测量物体的电磁辐射，将辐射波长的变化转化成模拟电信号输出，其体积小，结 构简单。综合比较，采用红外温度传感器能够实现远距离测量，对断路器本体结 构不产生影响，在断路器触头温度测量中可行性高。 由于断路器触头位于灭弧室中，外界不能直接观察到，所以不能够直接测量 到断路器触头的温度。但是根据热传导原理，导电体通过电流温度升高，和它接 触的其它零部件的温度也会升高。断路器触头与灭弧室端盖或母线连接处之间的 接触可近似的看作平面接触，利用平板的热传导公式【1 8 】： f = 妲，隧】 r t = 万驰【k 】 t 一温升；由一热功率；糊质的热导率；r 广热阻； 舛板面积；6 平板厚度； 当平板面积及厚度，以及传导物质确定后，热阻r 。是一个定值。可得到温升i 与热功率成j 下比。即当热功率增大时，温度线性增大；当热功率减小时，温度线 6 性减小。由此可知当断路器触头的温度升高，由触头向灭弧室端盖或母线传导的 热功率变大，灭弧室端盖或母线的温度线形升高，反之亦然。根据上述原理可知 通过测量与断路器触头相接触的可见零部件的温度，间接获得断路器触头的温度 是可行的。本文设计的断路器触头温度测量模块就是通过测量灭弧室端盖或触头 与母线连接处的温度间接反映触头的实际温度。 2 3 断路器触头行程测量原理 断路器触头行程测量要求在很短的分、合闸时间内进行对触头行程数据测量 采集，对传感器以及信号处理电路的要求较高。 断路器动触头行程测量用的传感器种类很多，笼统的可分为两大类：一类是 采用直线位移传感器，一般安装在断路器直线运动的部件上，可以直接测量动触 头运动信号波形；一类是采用旋转位移传感器，由于断路器操动机构主轴与断路 器动触头通过机构相连，所以通过测量操动机构主轴的旋转角度间接得出断路器 动触头的行程。由于直线位移传感器安装所需要的空间比旋转位移传感器要大， 对于体积较小真空断路器而言，选用旋转位移传感器更方便。为了增强测量模块 的通用性，故本文所设计的测量模块选用增量式旋转光电编码传感器实现断路器 动触头的行程测量。 以真空断路器为例，真空断路器触头与操动机构之间的连接如图2 2 所示。 6 1 一动触头；2 一静触头；3 一连杆( 长度为l 1 ) ；4 _ 连杆( 长度为l 2 ) ； 5 一连杆( 长度为l 3 ) ；卜绝缘支柱；7 一操动机构主轴 图2 2 真空断路器触头与操动机构连接图 由上述连接关系图可推得，断路器合( 分) 闸时，操动机构主轴旋转的角度 与断路器动触头行程之间的关系如下： 7 设断路器操动机构主轴转过a 角，绝缘支柱直线位移为x ，连杆3 、4 转过p 角，动触头直线位移为y ，则有如下关系式： l 3 2 一x 2 = 2 c o s 晓l 3 2 2 2 一x 2 = 2 0 0 s 肚2 2 1 2 一y 2 = 2 c o s 肚1 2 消去x 、c o s b ，得到动触头直线位移y 的关系式： 】，= ( 三l l 3 三2 ) r 二互忑 ( a 角由光电编码器精度和计数电路结果得到) 旋转光电编码器是输入轴角位移传感器，利用光栅和光电断续器的相对运动， 当输入轴转动时，编码器输出a 相、b 相两路相位差9 0 。的正交光信号，经过光 电转换后，得到a 、b 两路方波信号1 9 捌。 将a 、b 信号通过相应的信号处理电路转换成与行程特性有关数字信号，传送 给微处理器处理即完成了断路器触头的行程测量。传统的行程测量需要一块信号 处理电路板来实现，电路板上包括触发电路、计数电路来完成行程信号的计数输 出，现在可以选用一片复杂可编程逻辑器件c p l d 完成信号处理、计数输出，大 大节省了行程测量模块的体积【2 1 1 。c p l d 是可以由用户在现场进行编程实现所需逻 辑功能的数字集成电路，利用其内部的逻辑结构可以实现任何布尔表达式或寄存 器函数，它可以由用户根据具体设计需要进行配置和修改。采用一片c p l d 可以 在测量模块上实现断路器动触头的行程测量，同时还可以作为地址锁存器，为测 量模块的外部存储器提供地址信号。 由上述公式计算出动触头直线位移后，可计算动触头的运动速度。通常情况 下，动触头速度用某一行程区间内动触头的平均速度来表征。在每两个采样点之 间求取平均速度，作为采样两点中间时刻的速度值。 8 第三章断路器触头温度、行程在线监测系统硬件设计 断路器触头温度及行程监测系统共由两个部分组成：安装在断路器附近的温 度、行程测量模块和监控中心的上位机监测模块组成。温度、行程测量模块与上 位机监控模块之间采用点对多点的无线传输方式通信，省去了采用有线传输的电 缆敷设，安装和维护比较方便，节省了大量的控制电缆。监测系统结构框图见图 3 1 。 ooo 图3 1 断路器触头温度及行程监测系统结构框图 温度、行程测量模块由温度测量单元、行程测量单元以及无线通信单元3 个 部分组成，负责将传感器输出的温度信号、行程信号，通过模数转换、c p l d 计数 后，传送给微处理器进行处理；当微处理器通过无线通信单元接收到上位机发送 的温度测量指令或行程数据传输指令后，转入相应执行程序，最后将对应的数据 发送给上位机。( 该模块实物见附录a 一图a 3 ) 上位机监测模块由安装在上位机内的监控程序和通信单元2 个部分组成，监 控程序中可以设定温度测量周期、测量实时温度、显示历史数据、响应断路器开 断、闭合信号收集测量模块中的行程数据、绘制行程一时间、速度一时间曲线； 通信单元主要实现与测量模块之间的无线数据通信以及与上位机通过r s 2 3 2 串口 通信。( 通信单元实物见附录a 一图a - 4 ) 3 1 温度、行程测量模块硬件设计 该模块由传感器、单片机、模数转换芯片、复杂可编程逻辑器件和无线射频 芯片等组成，完成对断路器触头温度、行程的实时测量，并采用无线通信方式将 9 测量数据传输给监控中心上位机。根据模块功能，该模块分为三个部分：温度测 量单元；行程测量单元；无线通信单元。这三个单元由单片机作微处理器完成相 对应的功能。温度及行程测量模块框图如图3 2 所示： 图3 2 温度及行程测量模块框图 温度测量单元由红外温度传感器和模数转换芯片构成。温度传感器测量监测 点的温度，由于红外温度传感器测量到的温度为模拟电压信号，需要通过模数转 换，变为单片机能够处理的数字信号。 行程测量单元由光电编码器、信号处理电路、数据存储器组成。采用c p l d 对光电编码器输入信号经过处理，得到与断路器动触头行程相关的数字信号，传 送给微处理器处理，再由微处理器存入数据存储器。 无线通信单元主要实现数据的无线传输。一般情况下，断路器测量模块安装 位置与监控室上位机的距离不远，选用无线射频芯片即可满足要求【2 2 1 。无线通信 单元由微处理器控制其数据发送、接收状态。每个测量模块对应唯一的地址，当 测量模块接收到上位机发送的数据包后，与自己的地址代码比较，如果相同，则 向上位机回复应答信号；如果不同，则测量模块不做回复响应。 根据断路器触头温度、行程测量模块的功能及组成，开始测量模块的硬件电 路设计。微处理器选用a t 8 9 c 5 1 系列单片机，带4 k 字节可编程只读存储器，1 2 8 字节内部读写存储器，3 2 个i o 口，2 个1 6 位定时器计数器，5 个中断源，工作 电压为5 v ，双列直插封装，共4 0 个引脚。由于各种芯片的工作电压不同，所以 选用电源稳压芯片m i c 5 2 0 7 ，它能够输入5 v 电源输出3 3 v ，供给工作电压为3 3 v 器件。 3 1 1 温度测量单元硬件设计 该测量单元由红外温度传感器和模数转换芯片组成。红外温度传感器选用 i r b d 3 0 0 红外温度探头，其工作电压为5 v ，工作电源线、地线由模块引出。模数 l o 转换器选用具有串行控制、连续逐次逼近型t l c l 5 4 9 ，它采用两个差分基准电压 高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选( c s 低电平有 效) 、输入输出时钟( i oc l o c k ) 、数据输出( d a t a o u t ) 。t l c l 5 4 9 能以串 行方式把转换完的数字信号传送给单片机。由于t l c l 5 4 9 采用c m o s 工艺。内部 具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电 容设计使在满刻度时总误差最大仅为ll s b ( 4 8m y ) 。t l c l5 4 9 为1o 位单通道输 入，能够使温度转换精度达到0 3 。 i r b d 3 0 0 是一种集成红外光学系统，专用信号处理电路与环境温度补偿电路的 一体化红外测温探头，由工厂进行标定校准。测温范围为一2 0 - - 3 0 0o c ，环境温度为 2 5 1 0 0 0 c ，响应时间为1 5 0 m s ，距离系数为8 ：1 ，工作电源为d c 5 v ，输出信号 o 5 v ，共有6 个引脚，分别是：v t 0 b 厂目标温度输出电压信号；v t 锄b _ - 环境温度 输出电压信号；v d d 广_ 电源输入；g n d 一接地输入；s c l k 和s d a t 为厂家标定； 其引脚排列如图3 3 所示： s c l k 图3 3i r b d 3 0 0 引脚排列图 i r b d 3 0 0 测量温度的计算公式为： t o b j 。c = 2 8 1 5 5 6 x 6 + 5 1 7 1 9 6 7 x s - 3 8 6 8 2 4 1 x 4 + 1 5 1 0 2 4 1 x 3 3 2 6 7 0 7 6 x 2 + 3 8 2 0 2 5 x 17 9 2 6 式中：t o b i 为测量点的温度值【】；x 为红外温度传感器的输出电压信号。 对于断路器温度测量模块，采用上述公式计算量大，不便于使用，故在测量 模块中仅将红外温度传感器的输出电压进行模数转化为数字量，测量点温度值的 计算由监控室上位机根据转化得到的数字量查表找到模拟量，再进行计算。 t l c l 9 4 9 是一种单通道输入、串行输出的1 0 位模数转化芯片，其引脚排列及 功能结构图如图3 4 所示。 温度测量单元传感器输出温度电压信号接t l c l 5 4 9 模拟信号输入管脚， t l c l 5 4 9 的片选信号、数据输出、输入输出时钟分别与单片机p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 管脚相连。r e f + 、r e f 一管脚为参考电压管脚，分别接电源、地。温度测量单元电 路图如图3 5 所示： 7 5 r e f + a n a l o gl n r e f g n d v c c l ，oc l o c k d 声汀ao u t c s 图3 4t l c l 5 4 9 引脚排列及功能结构图 6 鼍t l c l 5 4 9 图3 5 温度测量单元电路图 1 2 3 1 2 行程测量单元硬件设计 该测量单元由旋转光电编码器、复杂可编程逻辑器件c p l d 和外部存储器 r a m 组成。旋转光电编码器输出电缆为7 芯，包括电源线、地线、屏蔽铜网以及 3 根信号线。编码器电源、地线由模块引出。信号线输出为2 路计数方波脉冲和l 路基准方波脉冲提供给信号处理电路，进行行程测量。c p l d 选用m a x 3 0 0 0 a 的 e p m 3 0 6 4 ，c m o s 工艺，可用门数6 0 0 个，6 4 个宏单元，最大用户i o 管脚3 4 个，工作电压为3 3 v ，t q f p 封装，共4 4 个引脚。外部存储器选用h m 6 1 1 6 ，2 k 字节8 位r a m ，1 1 位地址，8 位数据，3 位读写及片选信号，共2 4 个引脚。行程 测量单元系统框图如图3 6 所示。 3 1 2 1 c p l d 内部电路设计 图3 6 行程测量单元系统框图 采用一片c p l d 可以在测量模块上实现行程监测计数并输出最后结果。它除 实现行程测量功能外，同时还可作为地址锁存电路。c p l d 内部电路完成的工作： 一是处理光电编码器输入的a 、b 信号，得到计数结果；二是在对计数结果进行采 样时，将采样数据锁存，保证采样时间内，输出的采样结果保持不变；三是实现 地址锁存，给外部r a m 提供地址信号。c p l d 采用内部总线机构，8 位数据线和 1 3 地址线复用。 c p l d 芯片选用的是a l t e r a 公司的m a x 3 0 0 0 a ，所以采用产品配套的开发工 具q u a r t u si i ，用硬件描述语言v h d l 编程实现【2 3 2 5 1 。 3 1 2 1 1 信号处理原理及电路设计 光电编码器输出为2 路方波信号，对这两路信号进行计数，计数结果与断路 器操动机构主轴转过角度成线性关系。将计数结果传送给微处理器处理、存储。 当测量模块接收到上位机收集行程数据指令，传输给上位机处理，从而得到断路 器动触头的行程一时间特性。由于断路器的触头开距有限，由断路器操动机构主 轴旋转得到的方波脉冲信号可供计数的脉冲个数也是有限的，提高计数脉冲个数 可以通过选择测量精度高的光电编码器，但精度越高编码器的工艺越精细，价格 也越高，所以无限制的提高光电编码器的测量精度并不可取。本文中通过对2 路 办波脉冲整形处理，提高计数脉冲个数，光电编码器的测量精度不变，可以将计 数脉冲个数提高2 倍。信号处理的原理如下： 由光电编码器输出的a 、b 信号，经过取反得到a 、b 信号，通过c p l d 内 部逻辑处理整形后得到4 路窄脉冲信号，使得计数脉冲频率变为处理前的2 倍， 得到的窄脉冲信号通过与原有4 路宽脉冲信号逻辑运算后，得到2 路加减计数脉 冲p + 、p ： p + = a b + a b + b a + b p 一= a b + a 曰+ b a + b a 由于a 、b 信号相位相差9 0 0 ，假设断路器操动机构合闸操作时，输出a 信号 超前b 信号9 0 。，则断路器分闸操作时，光电编码器反方向转动，输出a 信号滞 后b 信号9 0 0 。所以通过上述公式得到两个断路器操动机构不同方向转动的两个计 数脉冲p + 、p 。对两个脉冲分别计数，输出8 位计数结果，分别计为r e s u c + 、 r e s uc 。c p l d 内部信号处理流程图如图3 7 所示： 1 4 信号a 、b 上 a 、b 求反，得到信号a 、b i l 运算得到窄脉冲信号a - 、b 、雷、意 1 计算得到两个计数脉冲p + 、p 1 分别对两个计数脉冲计数， 得到不同方向的两个计数结果 图3 7c p l d 内部信号处理流程图 根据信号处理的原理，设计相应的数字电路。4 路窄脉冲信号的获得，这是信 号处理的核心，其设计分析的逻辑原理图如图3 8 所示。 v c c d c x , g 图3 8 信号处理逻辑图原理图 对方波信号a 、a 、b 、b ( 下文及程序中表示为a 、c 、b 、d ) ，都用图3 8 所示逻辑单元对其进行处理。图3 8 中，c o u n t 为输出2 位的计数器，d r e g 为d 触 发器。计数器的端口有异步清零c l rc ( 高电平有效) 、计数时钟c l kc 、计数使 能c 和计数输出端口q 1 、q 0 。d 触发器的端口有异步清零端c l rd ( 高电平有效) 、 时钟c l kd 、输入端d 和输入端q 。计数器c 端口接输入信号a 、a 、b 、b ， c l rc 端接d 触发器输出q 的反，c l k 端接计数时钟信号。d 触发器d 端始终接 高电平，c l kd 端接输入信号a 、a 、b 、b ，c l rd 端接计数器q 1 输出信号， 1 5 q 输出端即为处理的到的窄脉冲信号a 、b 、a 、b t 。以信号a 为例的信号处 理仿真波形如图3 9 所示： c t l 矗 戳 ! ：二艺。3 0 0 0 娶：x t 孓娶j 0 i ：专己p 二娶蝥 娶娶蕊0e 娶0 蚤3 二：ll ：迂吣 广1 i 广广_ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 图3 9 信号a 处理仿真波形 对应图3 9 分析信号处理逻辑图的工作原理：当计数器c 端口出现j 下脉冲时， 计数器丌始对时钟信号c l kc 的上升沿计数；由于d 触发器的时钟端c l k 接输入 信号，所以当其出现正脉冲的上升沿时，d 触发器的输出端q 为高电平；当计数 器计数到1 0 时( 图3 9 中标注的1 0 过渡过程) ，计数器q l 为1 ，使得d 触发器c l rd 有效，d 触发器清零，输出q 为o ，q 经非门取反后，又将计数 器c l rc 置1 ，计数器被清零( 即q l q o = 0 0 ) ；d 触发器再下一个时钟正脉 冲到来之前，输出q 仍为o ，所以计数器清零端一直保持高电平，计数器输出 保持为0 0 ；直到输入信号的下一个正脉冲到来，d 触发器的输出由0 跳转 为1 ，解除了计数器的异步清零信号，计数器才重新开始计数，逻辑电路如上 述再次工作。这样就在d 触发器的输出端q 得到所需要的窄脉冲信号，窄脉冲的 宽度取决于d 触发器的c l rd 端有效的时刻，即计数器输出端q l 、q o 哪位接c l rd 端，这可以根据窄脉冲所需要的宽度在程序中设定。 根据上述原理，采用v h d l 语言编写窄脉冲信号处理的程序如下： l i b r a r yi e e e ； u s e i e e e s t d _ l o g i c _ l16 4 a l l ； u s ei e e e s t dl o 西ca r i t h a l l ； e n t i t yc o n i s一窄脉冲信号电路结构描述 p o r t ( e l k ，e n a * ：i ns t d _ l o g i c ； 端口声明：c l k 一输入时钟、e n a * 一输入信号 s 木：b u f f e r s t d _ l o g i c ) ； 一s 木- 输出信号 e n dc o n ； a r c h i t e c t u r ec o no fc o ni s c o m p o n e n tc o n 2 p o r t ( c l r , c l k ，e n a ：i ns t d _ l o g i c ； 1 6 q ：b u f f e ri n t e g e rr a n g e0t o3 ) ； e n dc o m p o n e n t ； c o m p o n e n td c f p o r t ( c l k ，c l r , d ：i ns t d _ l o g i c ；时钟，清零d q ：o u ts t d j o g i c ) ； e n d c o m p o n e n t ； s i g n a lq l ：s t d 1 0 9 i c v e c t o r ( 1d o w n t oo ) ； b e g i n el ：c o n 2p o r tm a p ( n o t ( s ) ，c l k ，e n a ，q ) ； q l 2 c o n v _ s t dl o g i c _ v e c t o r ( q ，2 ) ； d 1 ：d c f p o r tm a p ( e n a , q l ( 1 ) ，1 ，s ) ； e n dc o n ； 一艺位计数器 l i b r a r yi e e e ； u s e i e e e s t d _ l o g i c _ l16 4 a l l ； e n t i t yc o r n 2i s p o r t ( c l r ，c l k ，e n a ：i ns t d _ _ l o g i c ； q ：b u f f e ri n t e g e rr a n g e0t o3 ) ； e n dc o r n 2 ； a r c h i t e c t u r ec o r t 2o fc o n 2i s b e g i n p r o c e s s ( c l r , c l k ) b e g i n i f e f t = 1 t h e n q = o ； e l s e i f e n a = l t h e n i f c l k = 1 a n dc l k e v e n tt h e n i f q = 3t h e n q = o ； 1 7 计数器行为描述 端口声明：c l r 异步清零、 一c l k - 时钟、e l l a - 计数脉冲 一q 一计数输出 e l s e q _ q + 1 ； e n d i f ； e n di f ； e n di e n di f ； e n dp r o c e s s ； e n dc o n 2 ； d 触发器 l i b r a r yi e e e ； u s e i e e e s t d _ l o g i c _ l 16 4 a l l ； e n t i t yd c f i s p o r t ( c l k ，c l r , d ：i ns t d _ l o g i c ； q ：o u ts t d _ l o g i c ) ； e n dd e f ； a r c h i t e c t u r ed e fo fd e fi s b e g i n p r o c e s s ( c l k ，c l r ) b e g i n i f c l r = l m e n q _ 0 ； e l s e i f