专利名称：断路器触头电寿命监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种断路器触头电寿命监测装置，属于对断路器电寿命的在线监测，即为断路器状态检修服务的监测装置。
实施断路器电寿命在线监测对断路器状态检修有重大意义和很大的经济效益，但是断路器的电寿命是一个很复杂的问题。现代化的发展对供电可靠性和供电质量的要求越来越高，现代大型电网是由数目庞大的发、送、输、配电设备连接而成的大系统，这些电力设备的可靠性及性能直接决定供电的可靠性及供电质量。我们知道在这些设备中断路器不但数量多而且非常重要，它们承担着故障电流和负荷电流的开断任务，而断路器的每一次开断都相应地减少了断路器的使用寿命，降低了断路器的开断性能，在使用一定时间后，若不能及时发现和排除断路器的隐伏故障，就有可能不能正常开断而给电力系统和用户造成灾难性的后果。针对这种情况，国内外已有很多关于断路器电寿命的文章发表，提出了很多有关断路器电寿命的看法和一些解决办法。近十年来国内许多科研单位及生产厂家对开制出一种能记录累计开断电流及累计开断次数的装置以科学地确定断路器的检修周期付出了很大努力，已研制出多种仪器，如一九八二年初，苏州开关厂和水电部电力科学研究院共同研制出了DJY-1型短路电流记录仪，它将电流按大小分为九等，按电流等级记录累计开断次数；一九九三年，中国科学院空间中心与全国侨联北京华友实业公司共同研制的KG型断路器开断电流记录仪，可随时读出断路器已开断的各相总电流以及每次开断时间和最近100次的电流值；目前，根据国内、外的研究及试验，我们认为从累计电磨损的角度讲，在其它条件一定时，断路器的电磨损主要决定于电弧能量，用记录断路器的累计开断电流或电弧能量(I2t)反映断路器的电寿命有一定道理，但是，断路器的电磨损并不与电弧能量或开断电流成比例关系，因此用累计开断电流、累计开断次数等来反映断路器的电寿命并不科学，也不直观；另外，不同断路器的电磨损与电弧能量和累计开断电流的关系显然各不相同，因此，上面的记录方法也显得过于简单。
本实用新型的目的是在不影响电力系统继电保护设备的前提下，从电流信号本身想办法，即不停地采集每相电流信号，对每个半波进行监测，找到平均开断电流，根据断路器开断电流与电磨损关系曲线参数进行计算，实现科学监测的目的。
本实用新型的技术方案是这种断路器触头电寿命监测装置包括上位机和下位机，上位机为工控机，下位机由多块采样板组成，其上位机和下位机之间通过双口RAM连接，即上位机的地址和数据总线接到双口RAM上，下位机的地址和数据总线也接到双口RAM上，每块信号采样板1包括信号采集电路1-1、保护电路1-2、多路开关、射级跟随器、精密整流电路、A/D转换器和CPU，信号采集电路的取样电阻R2的取样信号通过由C1、D1-D4组成的保护电路接多路开关，多路开关后面接射级跟随器，射级跟随器的输出接精密整流电路，精密整流电路的输出端接A/D转换器，A/D转换器的输出接CPU，CPU的地址和数据总线接到双口RAM上。
所述的断路器触头电寿命监测装置，其信号采集电路采用穿心式二次电流互感器，该互感器套于断路器一次CT的接保护继电器的二次线上，取样电阻R2通过屏蔽电缆与互感器二次线圈相联。
所述的断路器触头电寿命监测装置，其信号采样电路采用的穿心式二次互感器电路中有电阻R1并联在二次CT的次级，取样电阻R2取40Ω时，互感器的变比取1000/1，使铁芯不易饱和。
所述的断路器触头电寿命监测装置，其多路开关采用数字芯片4067，有16个信号通道，采样板的个数由工控机的扩展槽的个数。
本实用新型的优点是；1、我们选择了不需要通信时间的双口RAM实现工控机(上位机)与采样板(下位机)共享存储区的方式，双口RAM对上位机作为扩展存储器(内存直接映象)，而对下位机(MCS96单片机系统)则作为数据存储器。我们将需要共享的数据或通信代码放在双口RAM中，则PC机和单片机即可进行共享数据和相互通信，双口RAM对PC机和单片机系统均看作独立的RAM区，而且有两套各自不同的地址和总线，当两边访问同一单元时，IDT7132内部仲裁器可自动仲裁。保证了监测系统的可靠性与准确性。
2、我们选用了变比为1000/1的铁芯不易饱和的微型穿心式电流互感器，则二次互感器的次级电流范围是0～0.12A，在二次CT的次级接有两个电阻R1和R2，R1并接在二次CT的次级，而R2是在采样板上，R1起保护互感器和分流作用，R2为取样电阻，由于从二次互感器到微机的距离较长，我们选用同样型号和长度相差不大的屏蔽电缆，选取合适的R1、R2，就能保证进入采样板的电压信号在允许范围之内，不仅保证一定的精度，而且不影响电力系统的保护装置。
3、由于我们的采样频率很快，每个点的采样及数据处理时间约60us左右，因此大约每60us左右需要更换一次采样通道，而每路信号又各不相同，因此对信号通道中的电路来说就存在频率相应和电压的跟随速率问题，我们的采样板电路数据处理的可靠性。它与A/D转换器的结合，使采样通道结构简单、成本低廉。
4、下位机(采样板)的主要作用就是记录每一路的开断电流，每块采样板同时监测16路信号，每个正弦半波采集10个点，即每1ms完成对16路的一次巡回采样，一台工控机一般可接10个采样板，监测容量大，可满足一般变电站的需要。
下面对附图进行说明
图1是本实用新型总体电路框图，图2是采样电路原理图，图3是采样板中射级跟随器、精密整流电路的电路原理图，图4是双口RAM与CPU总线和PC总线连接图，图5是下位机主程序流程图，图6是中断服务程序流程图，图7是上位机软件功能结构图。图中L是互感器线圈、T是铁芯、R1是互感器回路电阻，R2是取样电阻，R3是限流电阻，C1是滤波电容，D1-D4是稳压管和二级管组成的保护电路，M是电缆，TL084是采样电路集成块，R4-R13是采样电路电阻，D4-D5是采样电路二级管。
以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例一、信号采集我们这里的信号取自特制的微型穿心式二次互感器，该互感器套装于断路器一次CT的接保护继电器的二次线上(见图1和图2)，这样就将大电流变为小电流，再接上取样电阻，即可将电流信号转化为-5V～+5V的电压信号供采样用。由于断路器的分断电流的范围很大，有很小的负荷电流，也有很大的短路电流，这就是说我们需要采样的电流范围很宽，如我们设定一次CT的二次侧的电流为5A时，断路器的工作电流为满负荷电流，而一般大的短路电流可达满负荷电流的20倍左右，因此，一次CT的二次侧电流范围可达0～120A，我们选用了变比为1000/1的铁芯不易饱和的微型穿心式电流互感器，则二次互感器的次级电流范围是0～0.12A，在二次CT的次级接有两个电阻R1和R2，R1并接在二次CT的次级，R1起保护互感器和分流作用，R2为取样电阻，由于从二次互感器到微机的距离较长，我们选用同样型号和长度相差不大的屏蔽电缆，选取合适的R1、R2，就能保证进入采样板的电压信号在允许范围之内且保证一定的精度。
二、信号处理对于我们监测断路器的电寿命来说，我们只关心断路器的开断电流的有效值，而对各个通道之间的同时性并无要求，另外由前面我们知道，我们的采样算法很简单，每次采样的完成时间很短，大约每完成一点的采样时间为60us左右，对每路的电流信号每半个波采样10个点，一块采样板可以采样16路信号，这里需要说明的是多路开关后面要接一级射极跟随器，这是因为多路开关的导通电阻一般为300Ω～1kΩ，后面直接接负载时会存在分压效应和多路开关带负载的能力不够的情况，所以要接一级射级跟随器抵消多路开关的内阻和提高其带负载的能。
由于我们是半波采样，A/D转换芯片使用的是AD574A，选用其单极采样方式(采样电压范围是0～10v)，因此中间有精密整流电路。
由于我们的采样频率很快，每个点的采样及数据处理时间约60us左右，因此大约每60us左右需要更换一次采样通道，而每路信号又各不相同，因此对信号通道中的电路采说就存在频率相应和电压的跟随速率问题，而一般的运放的频带约150k，电压跟随速率约0.7v/us，通过分析，显然可以满足需要。采样保持电路我们采用集成采样保持器LF398，保持电容取1200pf。A/D转换器我们采用AD574A，电路如图4所示，AD574A具有内部基准源，外部电源接在AD574A上并不直接作为基准电源，这样A/D转换受外部电源和其它电路的影响很小；对于我们的电寿命监测装置，下位机(采样板)的主要作用就是记录每一路的开断电流，每块采样板同时监测16路信号，每个正弦半波采集10个点，即每1ms完成对16路的一次巡回采样，在监测过程中随时保存最近5个半波的最大差值和峰值，当发现有一路的电流为零时，即取出电流为零前的5个半波的最大差值和峰值，来求开断电流值。
为了提高记录开断电流值的真实性和可靠性，我们采用了下面几种办法1由于在小电流开断时，用最大差值法记录开断电流的分辨率很低，为此，对小的负荷开断电流，我们采用峰值与开断电流对应关系来记录开断电流，而对大的开断电流我们采用差值法来记录。
2在记录开断电流值时，先对各个半波的记录值进行合理性检查，剔除坏值以后，最后求开断电流值时采用求平均值的滤波算法来求得。三、接口与通信我们的数据采集与数据初步处理是由多台下位机(MCS96单片机系统)完成，当任一台下位机检测到有断路器开断时就需要将开断电流和断路器的运行编号和相别等信息传送给上位机(IPC486工控机)，由上位机来负责整个系统的管理，包括界面、人机接口及数据的分析与处理等等。如何将下位机的数据传送到上位机呢？考虑到每一台下位机都要不停地对16路信号的每个正弦半波进行监测，而采用串行通信或并行通信的方式传送数据时必然会耽搁时间，这就势必会影响监测系统的可靠性与准确性，另外，电力系统经常会出现断路器二次重合闸不成功的情形，一般从第一次分闸到第二次分闸之间的时间极短(一般为0.3秒)，如果一次送数据的通信时间过长会严重影响对第二次的开断记录，因此从这个角度考虑，我们选择了不需要通信时间的通过双口RAM数据共享的方式。
我们采用通过双口RAM(IDT7132)实现工控机486与MCS96单片机共享存储区的方式，双口RAM对上位机(PC机研华486)作为扩展存储器(内存直接映象)，而对下位机(MCS96单片机系统)则作为数据存储器。我们将需要共享的数据或通信代码放在双口RAM中，则PC机和MCS96单片机即可进行共享数据和相互通信，双口RAM对PC机和MCS96单片机系统均看作独立的RAM区，而且有两套各自不同的地址和总线，当两边访问同一单元时，IDT7132内部仲裁器可自动仲裁。
IDT7132是容量为2K字节的双口RAM，IDT7132有两套总线分别供PC机和MCS96系统使用，图5是IDT7132的接线示意图。
下表是拨动开关位与译码地址的对照表
由表可知只要拨动拨动开关的位置，即可改变扩展存储器的段地址或偏移地址，当我们将段地址拨为D000H时，则共可扩展八块由双口RAM共享数据的MCS96单片机系统(负责数据采集与处理的下位机)。四、上位机软件设计作为一个对断路器电寿命进行在线监测的系统，必需首先建立一个对象，对断路器与电寿命有关的参数作一个系统的描述。这样我们整个系统才能建立各种对这个对象进行操作和服务的各种功能模块。由前面所述，我们知道，要求出断路器每次开断时的相对电磨损和断路器当前的相对电寿命，必须知道该断路器是少油、SF6还是真空的，因为对应每种断路器其电磨损的模型不一样，还要知道该断路器的额定短路开断电流、允许开断满容次数和电寿命初始值；断路器电寿命的初始值在这里我们略作分析，由于这套系统投入变电站运行时，变电站的其它设备并不是刚投入运行的，所以断路器的相对电寿命初值并不为100％，根据分析，这个初值与断路器的开断历史有关，具体计算也可根据相对电寿命公式来计算；由于我们的下位机采样记录的是断路器互感器二次侧的开断电流值，为了得到断路器的实际开断电流值，必需根据互感器的变比值将电流翻算回去，因此还需要知道断路器互感器的变比值；因为我们是对每台断路器的每一相的电寿命进行监测，故要知道断路器的运行编号和相别以及在我们这套装置上的对应序号；在变电站中，由于系统的接线方式的原因，另外又因为我们并不能从系统中引入继电保护信号，而是根据通过断路器的电流是否为零来判断断路器是否开断，这就存在一个从属关系的问题，故要引入一个从属代码；另外，为了分析问题的方便，我们同时也将断路器的累计开断电流值和累计开断次数也定义为断路器的一个参数，上位机是高压断路器电寿命监测系统的主机，主要完成开断电流的记录，电磨损与电寿命的计算，断路器参数的置入与修改，开断记录的查询，报警，断路器开断参数、台帐表的打印等功能，为了方便使用，本软件采用图形方式下的汉化下拉菜单设计而成。图5给出了下位机主程序流程图，图6给出了中断服务程序流程图，图7给出了上位机软件功能结构图。
权利要求1.一种断路器触头电寿命监测装置，包括上位机和下位机，上位机为工控机，下位机由多块采样板组成，其特征是上位机和下位机之间通过双口RAM连接，即上位机的地址和数据总线接到双口RAM上，下位机的地址和数据总线也接到双口RAM上，每块信号采样板包括信号采集电路(1)、保护电路(2)、多路开关、射级跟随器、精密整流电路、A/D转换器和CPU，信号采集电路的取样电阻R2通过由C1、D1—D4组成的保护电路接多路开关，多路开关后面接射级跟随器，射级跟随器的输出接精密整流电路，精密整流电路的输出端接AD转换器，AD转换器的输出接CPU，CPU的地址和数据总线接到双口RAM上。
2.根据权利要求1所述的断路器触头电寿命监测装置，其特征是信号采样电路采用穿心式二次电流互感器，该互感器套于断路器一次CT的接保护继电器的二次线上，取样电阻R2通过屏蔽电缆与互感器二次线圈相联。
3.根据权利要求2所述的断路器触头电寿命监测装置，其特征是信号采样电路采用的穿心式二次互感器电路中有电阻R1并联在二次CT的次级取样电阻，R2取40Ω时，互感器的变比取1000/1。
4.根据权利要求1或2所述的断路器触头电寿命监测装置，其特征是多路开关采用数字芯片CD4067。
专利摘要本实用新型提供一种断路器触头电寿命监测装置，包括上位机和下位机，上位机为工控机，下位机由多块采样板组成，其上位机和下位机之间通过双口RAM连接，即上、下位机的地址和数据总线都接到双口RAM上，每块信号采样板包括信号采集电路的取样电阻R2通过由C1、D1一D4组成的保护电路接多路开关，多路开关后面接射级跟随器，射级跟随器的输出接精密整流电路，精密整流电路的输出端接A/D转换器，A/D转换器的输出接CPU，CPU的地址和数据总线接到双口RAM上。
文档编号G01R31/327GK2476033SQ0123979
公开日2002年2月6日 申请日期2001年4月13日 优先权日2001年4月13日
发明者郭贤珊 申请人:国家电力公司华中公司