一种断路器检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种断路器检测系统，包括DSP芯片、第一匹配电阻、第二匹配电阻、第一调理电路、第二调理电路、上位机、用于检测断路器分闸线圈上的电流信号的第一霍尔电流传感器、以及用于检测断路器合闸线圈上的电流信号的第二霍尔电流传感器；第一霍尔电流传感器的输出端与第一匹配电阻的一端及第一调理电路的输入端相连接，第二霍尔电流传感器的输出端与第二匹配电阻的一端及第二调理电路的输入端相连接，第一匹配电阻的另一端及第二匹配电阻的另一端均接地，第一调理电路的输出端及第二调理电路的输出端均与DSP芯片的输入端相连接，DSP芯片与上位机相连接。本发明能够有效对断路器故障及缺陷进行检测。
【专利说明】
一种断路器检测系统
技术领域
[0001] 本发明属于电子器件故障检测领域，涉及一种断路器检测系统。
【背景技术】
[0002] 高压断路器是电力系统中一种重要的电气设备，其作为开断和灭弧的装置，它在 电力系统中肩负着控制和保护双重任务，是发电厂和变电站配电装置中必不可少的设备。 随着电网运行自动化程度和可靠性要求的提高，对其故障诊断技术的研究具有重要的意 义。断路器性能的可靠性直接关系到电力系统的可靠运行，而断路器的可靠性在很大程度 上取决于其机械操动系统的可靠性。因此对断路器的机械故障进行诊断是非常重要的，也 是保证电力系统安全运行的重要措施。断路器的机械故障诊断可以通过监测断路器的多种 机械参数来完成。
[0003] 现阶段，60%-70%的断路器缺陷或故障是由断路器机构缺陷造成的，包括:机构 卡涩、油脂凝固、弹簧老化、慢分慢合、连杆传动轴断裂、机构拒动等等。但传统断路器的状 态检测技术，如红外和局放(含超高频、超声波、暂态地电波)仅针对电接触缺陷和绝缘部件 (介质)缺陷诊断，对断路器机构尚无有效的状态检测手段。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种断路器检测系统，该系 统能够有效对断路器故障及缺陷进行检测。
[0005] 为达到上述目的，本发明所述的断路器检测系统包括DSP芯片、第一匹配电阻、第 二匹配电阻、第一调理电路、第二调理电路、上位机、用于检测断路器分闸线圈上的电流信 号的第一霍尔电流传感器、以及用于检测断路器合闸线圈上的电流信号的第二霍尔电流传 感器；
[0006] 第一霍尔电流传感器的输出端与第一匹配电阻的一端及第一调理电路的输入端 相连接，第二霍尔电流传感器的输出端与第二匹配电阻的一端及第二调理电路的输入端相 连接，第一匹配电阻的另一端及第二匹配电阻的另一端均接地，第一调理电路的输出端及 第二调理电路的输出端均与DSP芯片的输入端相连接，DSP芯片与上位机相连接。
[0007] 所述第一调理电路及第二调理电路均包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极 管、第一电容、第二电容及运算放大器；
[0008] 第一电阻的一端与二极管的正极及第二电阻的一端相连接，第二电阻的另一端与 第三电阻的一端及第一电容的一端相连接，第三电阻的另一端与第二电容的一端及运算放 大器的反相输入端相连接，第二电容的另一端接地，运算放大器的输出端与运算放大器的 同相输入端及第一电容的另一端相连接；
[0009] 第一调理电路中第一电阻的另一端与第一霍尔电流传感器的输出端相连接，第一 调理电路中运算放大器的输出端与DSP芯片的输入端相连接，第二调理电路中第一电阻的 另一端与第二霍尔传感器的输出端相连接，第二调理电路中运算放大器的输出端与DSPS 片的输入端相连接。
[0010] 第一霍尔电流传感器及第二霍尔传感器均为补偿式霍尔传感器。
[0011] 还包括报警模块，报警模块与DSP芯片的输出端相连接。
[0012] 所述运算放大器的型号为LM324N。
[0013]本发明具有以下有益效果：
[0014] 本发明所述的断路器检测系统在使用时，通过第一霍尔电流传感器及第二霍尔电 流传感器获取断路器中合闸线圈上的电流信号及分闸线圈上的电流信号，再将所述分闸线 圈的电流信号及合闸线圈的电流信号转换为电压信号，所述电压信号经调理后进入到DSP 芯片中，并在DSP芯片中进行模数转换，并将模数转换后的电压信号显示到上位机中，用户 即可通过模数转换后的电压信号与正常工作时采集到的电压信号进行对比判断出断路器 是否正常工作，结构简单，操作方便。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明中分闸线圈的测试原理图；
[0016] 图2为本发明中第一调理电路3及第二调理电路的电路原理图；
[0017] 图3为分闸线圈回路及合闸线圈回路的等效电路图；
[0018] 图4为分闸线圈及合闸线圈的电流特性波形图。
[0019] 其中、1为第一霍尔电流传感器、2为第一匹配电阻、3为第一调理电路、4为DSPS 片、5为上位机。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0021] 参考图1及图2,本发明所述的断路器检测系统包括DSP芯片4、第一匹配电阻2、第 二匹配电阻、第一调理电路3、第二调理电路、上位机5、用于检测断路器分闸线圈上的电流 信号的第一霍尔电流传感器1、以及用于检测断路器合闸线圈上的电流信号的第二霍尔电 流传感器;第一霍尔电流传感器1的输出端与第一匹配电阻2的一端及第一调理电路3的输 入端相连接，第二霍尔电流传感器的输出端与第二匹配电阻的一端及第二调理电路的输入 端相连接，第一匹配电阻2的另一端及第二匹配电阻的另一端均接地，第一调理电路3的输 出端及第二调理电路的输出端均与DSP芯片4的输入端相连接，DSP芯片4与上位机5相连接。 [0022] 所述第一调理电路3及第二调理电路均包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻 R3、二极管D、第一电容C1、第二电容C2及运算放大器W;第一电阻R1的一端与二极管D的正极 及第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的一端及第一电容C1的一 端相连接，第三电阻R3的另一端与第二电容C2的一端及运算放大器W的反相输入端相连接， 第二电容C2的另一端接地，运算放大器W的输出端与运算放大器W的同相输入端及第一电容 C1的另一端相连接;第一调理电路3中第一电阻R1的另一端与第一霍尔电流传感器1的输出 端相连接，第一调理电路3中运算放大器W的输出端与DSP芯片4的输入端相连接，第二调理 电路中第一电阻R1的另一端与第二霍尔传感器的输出端相连接，第二调理电路中运算放大 器W的输出端与DSP芯片4的输入端相连接。
[0023]需要说明的是，第一霍尔电流传感器1及第二霍尔传感器均为补偿式霍尔传感器。 本发明还包括报警模块，报警模块与DSP芯片4的输出端相连接；运算放大器W的型号为 LM324N。
[0024]本发明的工作原理为：
[0025]电磁铁是断路器操动机构的重要原件之一，当线圈中通过电流时，在电磁铁内产 生磁通，铁心受到电磁力作用吸合，使断路器分闸或合闸，因此断路器都产生对应的分闸线 圈电流波形和合闸线圈电流波形，分闸线圈电流波形和合闸线圈电流波形反映了电磁铁本 身以及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头在操作过程中的工作情况，其中分闸回路及合闸 回路的电磁铁电路等值电路图如图3所示。
[0026]其微分方程可表示为
(1)
[0028]其中，也为磁链，假设电磁铁不饱和，则磁链$ = Li，电感L不随i变化，但电感L随电 磁铁的气隙S变化而变化，即
[0030]当电磁线圈刚接通电源时，由于线圈有一定电感，电流不能马上达到稳定电流，而 是逐步由0逐渐增大，与此同时，铁心的吸引力也逐渐增大，在电磁铁的吸引力不足以使铁 心动作时，S = Smax为常数，即铁心的运动速度为v = 〇，则式(2)变为：
[0032]其中，Li为5 = 5rnax时，电磁铁线圈的电感，微分方程的通解为：
[0034]其中，C为通解常数，由t = 0及i = 0的初始条件得微分方程的一个特解为
[0036]因此在铁心运动之前，线圈电流i呈指数上升，在时间。电流增大到动作电流Id，电 磁铁的吸力超过反作用力，铁心开始运动，v>〇;等值回路中增加一随时间增大的反电动势
一般情况下，线圈电流i比铁心刚开始运动时的电流Id的数值要小，因此，电流i偏 离指数上升曲线，不断下降，这一过程直到铁心吸合，铁心停止运动，v = 〇,由式(2)得，电流 的微分方程变为：
[0038] 其中L2为5 = 5min时，电磁铁线圈的电感，因此电流以铁心停止t = t2时的电流12为 初值，按指数规律上升，最后达到稳定值
上述变化过程可用图4中的典型分合闸线圈 电流特性波形说明，这一波形根据铁心的运动可以分为5个阶段：
[0039] 1)阶段t = t〇-ti，线圈在to时刻通电到ti时刻铁心开始运动；
[0040] 2)阶段titi-ts，铁心运动，电流下降，t2为控制电流的谷点，代表铁心已经触动操 作机械的负载因而显著减速或停止运动；
[0041 ] 3)阶段t = t2_t3，铁心停止运动，电流又呈指数上升；
[0042] 4)阶段t = t3_t4,这一阶段是阶段3的延续，电流达到近似的稳态；
[0043] 5)阶段t = t4_t5,电流开断阶段，辅助开关K分断在辅助开关触头间产生电弧并被 拉长，电弧电压快速升高迫使电流迅速减小直到熄灭。
[0044] 其中，to-ti与控制电源及线圈电阻有关;ti_t2的变化表征电磁铁铁心运行机构有 无卡涩、脱扣及机械负载变动情况;t 2_t3可以反映操作传动系统运动的情况;通过以上几个 不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械故障趋势，包括拒分、拒合等故障。
[0045] 断路器分闸线圈及合闸线圈的直流模拟信号为II经霍尔传感器变换变成0~6mA 的电流信号I2，I2经过匹配电阻转换成DSP芯片4能够接受的电压信号经过调理电路后 传给DSP芯片4模拟输入通道，由DSP芯片4内部的A/D转换器进行模数转换，然后在上位机5 上显示出来。
[0046] 参考图2，R1为限流电阻，防止传感器输出端的电流过大而毁坏电源单元。第一电 容C1、第二电容C2、第二电阻R2、第三电阻R3和运算放大器W-起构成二阶有源低通滤波电 路，当第二电阻R2 = 4.7kQ，第三电阻R3 = 5.1kQ，第一电容Cl = 22nF，第二电容C2 = 47nF， 滤波电路的截止频率
^^。本发明对分闸线圈及合闸线圈带电瞬 间时的线圈电流进行高速数据采集，经过DSP芯片4与上位机5之间的串行数据通讯，由上位 机5描绘出分闸线圈电流曲线和合闸线圈电流曲线D
【主权项】
1. 一种断路器检测系统，其特征在于，包括DSP芯片(4)、第一匹配电阻（2)、第二匹配电 阻、第一调理电路(3)、第二调理电路、上位机(5)、用于检测断路器分闸线圈上的电流信号 的第一霍尔电流传感器（1)、以及用于检测断路器合闸线圈上的电流信号的第二霍尔电流 传感器； 第一霍尔电流传感器（D的输出端与第一匹配电阻(2)的一端及第一调理电路(3)的输 入端相连接，第二霍尔电流传感器的输出端与第二匹配电阻的一端及第二调理电路的输入 端相连接，第一匹配电阻（2)的另一端及第二匹配电阻的另一端均接地，第一调理电路(3) 的输出端及第二调理电路的输出端均与DSP芯片(4)的输入端相连接，DSP芯片(4)与上位机 (5)相连接。2. 根据权利要求1所述的断路器检测系统，其特征在于，所述第一调理电路(3)及第二 调理电路均包括第一电阻(Rl)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、二极管(D)、第一电容(Cl)、 第二电容(C2)及运算放大器(W); 第一电阻（Rl)的一端与二极管（D)的正极及第二电阻（R2)的一端相连接，第二电阻 (R2)的另一端与第三电阻(R3)的一端及第一电容(Cl)的一端相连接，第三电阻(R3)的另一 端与第二电容(C2)的一端及运算放大器(W)的反相输入端相连接，第二电容(C2)的另一端 接地，运算放大器(W)的输出端与运算放大器(W)的同相输入端及第一电容(Cl)的另一端相 连接； 第一调理电路(3)中第一电阻(Rl)的另一端与第一霍尔电流传感器（1)的输出端相连 接，第一调理电路(3)中运算放大器(W)的输出端与DSP芯片（4)的输入端相连接，第二调理 电路中第一电阻(Rl)的另一端与第二霍尔传感器的输出端相连接，第二调理电路中运算放 大器(W)的输出端与DSP芯片(4)的输入端相连接。3. 根据权利要求1所述的断路器检测系统，其特征在于，第一霍尔电流传感器（1)及第 二霍尔传感器均为补偿式霍尔传感器。4. 根据权利要求1所述的断路器检测系统，其特征在于，还包括报警模块，报警模块与 DSP芯片(4)的输出端相连接。5. 根据权利要求1所述的断路器检测系统，其特征在于，所述运算放大器(W)的型号为 LM3MN。
【文档编号】G01R31/327GK105891705SQ201610146630
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】柳菲, 贺伟锋, 刘葱柏, 王鹏飞
【申请人】国家电网公司, 国网陕西省电力公司西安供电公司