CN204649928U - 一种断路器故障状态诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种断路器故障状态诊断装置，包括防浪涌电路、电源电路、检测传感器、光电耦合器、AD芯片、CPLD芯片和状态显示器，所述检测传感器设于断路器上，并连接光电耦合器，所述光电耦合器连接AD芯片，所述AD芯片连接CPLD芯片，所述CPLD芯片连接状态显示器，所述防浪涌电路连接电源电路，所述电源电路分别与光电耦合器、AD芯片和CPLD芯片连接提供电源。与现有技术相比，本实用新型具有处理速度快、抗干扰能力强、精准度高等优点。

Description

一种断路器故障状态诊断装置

技术领域

本实用新型涉及断路器监测技术领域，尤其是涉及一种断路器故障状态诊断装置。

背景技术

断路器是电力系统中最重要的控制与保护设备，在电网中的作用至关重要，尤其是高压断路器，其故障带来的后果是十分严重的。断路器能及时和准确地接通或断开电力供应，其可靠性，在很大程度上依赖于其内部机械部件的正确动作，我们通过测量断路器的机械特性参数，就可以及时知道断路器现在的运行状态是否良好，甚至能够预测断路器未来会在那个部位出现故障，以此提前做出准备，减少停电率，降低经济损失。正因如此，能够高效而准确的检测装置就有着不可估量的作用与前景。

国内研发的断路器检测装置普遍存在适用范围小，测试数据不准确，抗干扰能力差等问题。进口检测仪虽然性能较好，但价格比较昂贵，而且该机械特性测试仪的配套软件功能简单，国外断路器型号相对简单，不适合目前我国断路器设备型号复杂和对历史数据进行比较查询的要求。

高压断路器结构复杂，应用环境特殊，安全性要求较高，这就对高压断路器机械特性监测装置提出了较高的要求，要求其在正确实时检测的同时，不能影响断路器的正常工作，同时还要适应其应用环境。目前使用的断路器特性监测仪存在一些缺陷：

1)环境对现场使用的情况影响较大，抗干扰能力差。由于检测现场一般处于高压大电流的复杂电磁环境下，感应电压等原因引起的信号噪声较大，容易出现误差。

2)数据采集及处理系统的分辨率位数较低，处理速度慢，不能适应现在对信号获取的准确性、完整性、效率性上要求。使得数据精准度整体不高。

3)由于技术原因，之前的可编程芯片倾向于使用FPGA，但是FPGA的分段式布线结构决定了它延迟的不可预测性，且断电时编程信息容易丢失。其保密性能也比较差。

4)数据采集芯片和可编程芯片由于工作电压不同，需要设计多级电压转换器，既增大了监测装置的体积，又增加了功耗，过多的电源转换器会产生大量热量，使监测装置内部温度升高，影响其芯片的工作效率和准确度。

5)传统的串行232接口传输速度慢，不适应现有的大量数据快速传输的需要，且一般没有开发数据存储结构，导致监测数据不能大量储存，在无专业处理设备的情况下，无法快速比较和分析数据特性。

本实用新型根据目前断路器状态诊断装置在数据采集的精准度和处理速度方面进行了改进和提升，弥补了许多缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种处理速度快、抗干扰能力强、精准度高的断路器故障状态诊断装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种断路器故障状态诊断装置包括防浪涌电路、电源电路、检测传感器、光电耦合器、AD芯片、CPLD芯片和状态显示器，所述检测传感器设于断路器上，并连接光电耦合器，所述光电耦合器连接AD芯片，所述AD芯片连接CPLD芯片，所述CPLD芯片连接状态显示器，所述防浪涌电路连接电源电路，所述电源电路分别与光电耦合器、AD芯片和CPLD芯片连接提供电源。

所述检测传感器包括设于断路器上、并连接光电耦合器的霍尔传感器、滑线变阻器传感器和光电测速仪。

所述光电耦合器的型号为TLP521-2。

所述AD芯片为ADS1282转换芯片。

所述CPLD芯片的型号为EPM7128。

所述电源电路为5V输出电源电路。

还包括连接CPLD芯片的储存芯片。

所述CPLD芯片通过USB接口连接PC机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)通过检测传感器在断路器运行过程中能实时对动触头的分/合闸时间、速度、行程、弹跳及触头刚分/刚合速度、最大分/合闸速度进行检测，还包括分合闸线圈、储能电机电流信号。并在状态显示器中显示各部分的运行曲线。

2)采用光电耦合和防浪涌设计，提高抗干扰能力以保证产品的测量精度，各测量通道的都互相隔离，使仪器可在高电压等级环境下稳定可靠工作。

3)采用32位高精度A/D转换芯片，其采样精度可以高达微秒级，转换速度快、转换精度高，满足实时监测对数据高效率的要求。

4)采用CPLD可编程芯片有多种好处：之前由于CPLD受到CPLD密度的限制，更倾向于使用FPGA芯片，随着技术发展，CPLD密度高达数十万门，其优势也越来越明显，包括使用便捷、运行速度快、系统断电时编程信息也不丢失、保密性好等。

5)由于各个元器件均采用5V供电系统，所以对电源模块的要求下降，防止了各电源通道之间的影响，提高了数据准确性。

6)采用了型号为EPM7128的CPLD芯片，其单极供电电压为+5V，输出电平可以选择为3.3V，而DSP芯片的逻辑输入电平为3.3V，采用CPLD芯片也为以后的功能扩展，实现与DSP互联做好准备。

7)增加储存芯片和USB接口，储存芯片可以储存大量数据，便于快速比较和分析故障原因，USB高速接口解决了传统的串行232接口传输速度慢、不适应大量数据快速传输的问题。

附图说明

图1为本实用新型断路器故障状态诊断装置的结构示意图；

图2为本实用新型中改进后的工作电源入口防浪涌电路示意图。

图中：1、防浪涌电路，2、电源电路，3、检测传感器，4、光电耦合器，5、AD芯片，6、CPLD芯片，7、状态显示器，8、储存芯片，9、USB接口，10、PC机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种断路器故障状态诊断装置包括防浪涌电路1、电源电路2、检测传感器3、光电耦合器4、AD芯片5、CPLD芯片6、状态显示器7、储存芯片8和USB接口9，检测传感器3设于断路器上，并连接光电耦合器4，光电耦合器4连接AD芯片5，AD芯片5连接CPLD芯片6，CPLD芯片6连接状态显示器7，防浪涌电路1连接电源电路2，电源电路2分别与光电耦合器4、AD芯片5和CPLD芯片6连接提供电源，储存芯片8连接CPLD芯片6，CPLD芯片6通过USB接口9连接PC机10。

需要说明的是，本实用新型是属于对硬件结构上的改进，利用电源电路2、检测传感器3、AD芯片5、可编程硬件平台等已有硬件组合并连接在一起应用，其中涉及到计算机程序及相关算法部分，并不属于本实用新型改进内容，所述断路器故障状态诊断算法是现有技术中任何一种基于电流信号的特征值对比的算法或者改进算法。

其中，检测传感器3包括设于断路器上、并连接光电耦合器4的霍尔传感器、滑线变阻器传感器和光电测速仪。检测传感器3用于测量断路器的动触头的分/合闸时间、速度、行程、弹跳及触头刚分/刚合速度、最大分/合闸速度进行检测，还包括分合闸线圈、储能电机电流信号等，以此从多方面获取断路器的机械特性参数和控制回路参数，增加数据来源的广度，提高数据准确性。

光电耦合器4用于光电隔离，防止外部信号影响内部电路的工作，减少误差，提高数据的准确率。本实用新型采用光电耦合器4的型号为TLP521-2。

AD芯片5将检测传感器3采集的模拟信号快速准确的转换为数字信号，本实用新型采用32位高速率、高精度的ADS1282转换芯片。

可编程硬件芯片CPLD是本设计的核心，CPLD相比FPGA的优点包括：

1)CPLD比FPGA使用起来更方便。

2)CPLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。这一点对于高精度的数据处理十分重要，因为断路器的分合闸时间比较短，一般在1ms以下，程序处理时间可预测之后，时间误差可以大大减少，提高了数据处理的准确度。

3)在编程方式上，CPLD主要是基于EEPROM或FLASH存储器编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。

4)CPLD保密性好，FPGA保密性差，这对于数据的保密性很重要，尤其是我国的特高压断路器，是我国自主研发，技术知识的保密性在现在的社会显得格外重要。

通过CPLD芯片6中的断路器故障状态诊断算法程序对读取数据进行判断，得到诊断结果，包括正常工作、储能电机故障、铁心启动滞后、铁心运动中出现卡滞等。本实用新型采用CPLD芯片6的型号为EPM7128。

状态显示器7显示CPLD芯片6输出的断路器的故障状态信息。

电源电路2采用稳压输出芯片输出5V电源，由于在芯片选择上全部选择为5V电源供电，消除了多级电源模块的复杂度和各电源通道之间的影响，并且节省了装置空间。

储存芯片8用于储存采集的数据，并可长期大量储存数据，便于数据的管理和分析。

USB接口9用于和外部设备连接，例如和PC机10连接可以修改程序、下载数据等，便于数据传输。

防浪涌电路1用于消除外界电源对内部系统的冲击，降低外部电源雷电过电压对内部器件的影响。浪涌保护器最初是应用在输电系统中，用来防止雷电过电压对电路的冲击作用，随着电子器件的越来越精细化发展，电子器件中也需要防浪涌电路1来保护其内部电路不受外界突变电压的影响。

一般的防浪涌电路1会采用压敏电阻VSR或者是瞬态抑制二极管TVS。压敏电阻的工作原理是当其两端的电压超过一定幅度时，电阻的阻值降低，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅值范围；瞬态抑制二极管TVS的工作原理是其两端的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅值范围。

压敏电阻VSR的优点是通流量大，缺点是是响应速度慢，瞬态抑制二极管TVS的优点是响应速度快，缺点是通流量小，在大电流作用下容易烧毁损坏。为了达到响应速度快，通流量大这一优点，便想到结合两者优势。但是统一利用这两种保护器件不能用简单的并联或串联的方式来达到分级保护的目的，因为若将通流量等级相差较大的压敏电阻和TVS并联，即使压敏电阻流通量的选择可以满足设备总浪涌保护的要求，在浪涌电流的作用下，TVS也会发生损坏，无法发挥压敏电阻通流量较大的优势。其原因是TVS的导通过快，而且在TVS导通后，在压敏电阻导通之前，又没有东西来阻挡大电流“侵袭”，导致TVS不能承受过大的电流而损坏。因此在直流电源的浪涌保护电路设计中，在几种保护器件配合使用的场合，经常需要用电感在两种元器件之间进行配合。虽然电感本身不是浪涌保护器件，但是在两个保护器件组合构成的保护电路中可以起配合的作用。

针对以上的叙述，在检测装置防浪涌设计中采用电感L与TVS串联电路，改进后的工作电源入口原理图如图2所示，包括保险丝FUSE、压敏电阻VSR1、压敏电阻VSR2、电感L、瞬态抑制二极管TVS、辅助电路、变压器T、电容C1、电容C2和电容C3。

综上，本实用新型实施方案：检测传感器3把所需要的数据采集出来，经过光电耦合器4隔离之后，把数据传递给AD芯片5，AD芯片5把模拟信号转换为数字信号然后传递给控制平台CPLD芯片6，CPLD芯片6进行数据处理，得出故障类型，并画出相应的信号曲线，传递给状态显示器7，显示出来，并对各种状态发出警报。

具体工作过程包括：

(1)设置初值

设置初始数据，CPLD芯片6运行。

(2)数据采样

由各种类型的传感器对断路器运行过程中动触头的分/合闸时间、速度、行程、弹跳及触头刚分/刚合速度、最大分/合闸速度、分合闸线圈、储能电机电流信号等进行检测，然后将检测信号传递给AD芯片5。

(3)数据读取及转换

由CPLD芯片6中AD控制部分控制AD芯片5读取测量的电流信号数据并进行AD转换。

(4)故障诊断

通过CPLD芯片6中的断路器故障状态诊断算法程序对读取数据进行判断，得到诊断结果，包括正常工作、储能电机故障、铁心启动滞后、铁心运动中出现卡滞等。

(5)输出结果

由CPLD芯片6根据诊断情况，将判断结果输出到状态显示器7，并给出相应的警报。状态显示器7中可显示各部分的运行曲线，并给出给曲线的上升(下降)速率、时间以及幅值等。

Claims (8)

1.一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，包括防浪涌电路、电源电路、检测传感器、光电耦合器、AD芯片、CPLD芯片和状态显示器，所述检测传感器设于断路器上，并连接光电耦合器，所述光电耦合器连接AD芯片，所述AD芯片连接CPLD芯片，所述CPLD芯片连接状态显示器，所述防浪涌电路连接电源电路，所述电源电路分别与光电耦合器、AD芯片和CPLD芯片连接提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述检测传感器包括设于断路器上、并连接光电耦合器的霍尔传感器、滑线变阻器传感器和光电测速仪。

3.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述光电耦合器的型号为TLP521-2。

4.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述AD芯片为ADS1282转换芯片。

5.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述CPLD芯片的型号为EPM7128。

6.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述电源电路为5V输出电源电路。

7.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，还包括连接CPLD芯片的储存芯片。

8.根据权利要求1所述的一种断路器故障状态诊断装置，其特征在于，所述CPLD芯片通过USB接口连接PC机。