【正文】 引言近年來，一種用于中壓真空斷路器的永磁保持、電子控制的新型操動機構(gòu)(永磁機構(gòu))引起了開關(guān)行業(yè)的關(guān)灃并成為電器制造企業(yè)和運行部門研究的熱點。真空斷路器配用永磁機構(gòu)后，不僅可以進一步提高可靠性，滿足免維護的要求，而且通過采用電子或微機系統(tǒng)來對分合閘線圈進行控制，可以實現(xiàn)開關(guān)的智能操作、同步開斷、同步關(guān)合。永磁機構(gòu)真空斷路器由于具有諸多優(yōu)點，能夠滿足供電部門的運行要求，因此受到國內(nèi)外許多斷路器生產(chǎn)廠家的青睞。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中具有控制和保護雙重功能，是電力系統(tǒng)一次設(shè)備中檢修、維護工作量最大的設(shè)備之一。有關(guān)資料表明，開關(guān)的維修費用占變電站總維修費用的一半以上，而且大部分用于斷路器到的小修和定期檢查上；由于檢修不當(dāng)引起的事故時有報道，據(jù)統(tǒng)計有10%的斷路器故障是由檢修不當(dāng)所致。以在線監(jiān)測為前提的狀態(tài)檢修體制，克服了“到期必修，修必修好”的盲目性和強制性。美國、日本及前蘇聯(lián)等國早在20世紀五六十年代就開展了電力開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測的研究工作，開始由定期檢修狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變。我國自80年代以來，在變電站高壓設(shè)備在線監(jiān)測、故障智能診斷方面也進行了大量的研究工作，取得了 成果，逐步積累了一些經(jīng)驗，為開展?fàn)顟B(tài)檢修打下了良好的基礎(chǔ)。作為電力系統(tǒng)控制和保護設(shè)備，高壓斷路器動作的可靠性對供電可靠性有著極大的影響。影響高壓斷路器可靠件的一個主要因素就是其操動機構(gòu)的可靠性。據(jù)國際大電網(wǎng)CIGRE對斷路器故障凋查的統(tǒng)計結(jié)果可知，％的故障是由于操動機構(gòu)的機械故障引起的。開發(fā)針對永磁機構(gòu)斷路器的機械特性在線測試裝置對于判斷永磁操動機構(gòu)機械特性、提高其可靠性具有重要的意義。斷路器在分合閘操作中所產(chǎn)生的振動信號是一系列無規(guī)則的信號量，這些振動信號中還會夾雜著各種各樣的噪聲干擾和隨機振動。斷路器的機械振動信號是典型的帶有噪聲的非平穩(wěn)信號，分析比較困難。傳統(tǒng)的機械振動信號處理方法采用傅立葉變換進行分析，基于傅立葉變換的FFT頻譜分析在全頻域范圍內(nèi)分辨率理論上可達無窮大，但時域分辨率為零，因此不適合對非平穩(wěn)信號進行分析。小波變換具有“變焦”的特點和良好的時頻局部化特性，可以把信號在空間和頻域上局部化。近年來，小波分析在電力系統(tǒng)故障診斷、信號消噪等方面得到廣泛的應(yīng)用。實踐證明，利用小波變換分析振動信號能取得更好的效果。在線監(jiān)測的關(guān)鍵是綜合考慮各種監(jiān)測方法現(xiàn)場實施的難易程度和成本，既要保證監(jiān)測系統(tǒng)本身不過與復(fù)雜。針對以上狀況，結(jié)合電氣設(shè)備的現(xiàn)代檢修體制由“計劃性檢修”向“狀態(tài)檢修”轉(zhuǎn)變的實際情況，設(shè)計出一種性能可靠、實用價廉的在線檢測裝置是實現(xiàn)真空開關(guān)狀態(tài)檢修的必須解決的前提條件。本文以快速信號處理（DSP）芯片為核心，利用加速度傳感器測量振動信號，研制了一套用于永磁機構(gòu)真空斷路器的機械特性在線監(jiān)測裝置。1 緒論 課題背景及研究意義現(xiàn)代社會對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，電力系統(tǒng)中各種器件和裝置的工作性能是保證質(zhì)昔和可靠性的關(guān)鍵。斷路器是電力系統(tǒng)中關(guān)鍵器件之一，起著承載、關(guān)合、分斷正常電路以及切除故障電路的重要作用，其可靠性和智能化水平對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和自動化程度將產(chǎn)生深遠的影響。目前，真空斷路器在12～40．5kV的中壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域占有優(yōu)勢地位；—1lOOkV的電力開關(guān)設(shè)備中，由于SF6氣體是一種強溫室效應(yīng)氣體，而SF6斷路器被限制使用，所以真空斷路器的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從中壓等級發(fā)展到更高的電壓等級。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，肩負著控制和保護的雙重任務(wù)，其性能的可靠性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行。國際大電網(wǎng)會議及我國電力研究院關(guān)于高壓斷路器故障的統(tǒng)計調(diào)查顯示，斷路器的大多數(shù)故障(主要故障的70 %和次要故障的86%)發(fā)生在機械機構(gòu)，主要涉及操動機構(gòu)、監(jiān)視裝置和輔助裝置等。目前對高壓斷路器性能的檢查， 主要是在交接和停電，結(jié)合大、小修進行預(yù)防性試驗，檢查其絕緣狀況和操動機構(gòu)的機械特性，對斷路器的維修則基本上采用預(yù)防性維修即定期更換零部件進行大修的方法。這樣不能及時發(fā)現(xiàn)事故異常征兆，而且過度的拆卸檢修反而會影響斷路器的正常運行，增加事故率。所以對高壓斷路器的運行狀態(tài)實施在線監(jiān)測，及時了解其運行工況，實現(xiàn)從“預(yù)防維修”到“狀態(tài)檢修”的轉(zhuǎn)變，對斷路器進行在線監(jiān)測可對其運行中的各種重要參數(shù)能進行長期連續(xù)的在線監(jiān)測，不僅可以提供設(shè)備現(xiàn)有的運行狀態(tài)。而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢，判斷有無存在故障的先兆，提高運行可靠性，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)。 論文研究的內(nèi)容設(shè)計真空短路器永磁機構(gòu)在線監(jiān)測樣機，以達到對真空斷路器永磁機構(gòu)實時監(jiān)測，分析各種重要參數(shù)的變化趨勢，判斷有無存在故障的先兆，提高運行可靠性，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)。采用加速度傳感器提取真空斷路器永磁機構(gòu)機械振動信號，運用美國TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320LF2407A控制信號的采集、存儲并實時分析處理，通過RS—232串行通信接口上傳至PC機，利用MATLAB軟件對信號進行小波分析，分解和重構(gòu)振動信號，從而判斷有無存在故障的先兆，提高運行可靠性，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)。本文一共分為五章。第1章為緒論，主要介紹本課題研究的背景和意義以及要研究的主要內(nèi)容，指出了高壓斷路器在線監(jiān)測發(fā)展，闡明課題研究的必要性。第2章介紹系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，即傳感器的選擇、控制芯片選擇、小波分析從理論上簡述基本的設(shè)計。第3章主要闡述各個部分硬件電路的設(shè)計，分析各個部分所用元器件的性能參數(shù)，在本次電路設(shè)計中的作用。第4章主要介紹系統(tǒng)程序的設(shè)計，主要是以DSP為核心的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、存儲及串行通信程序。第5章主要介紹信號處理方法及相關(guān)程序編寫，完成對振動信號故障特征值提取。2 系統(tǒng)設(shè)計的總方案 永磁機構(gòu)的工作原理永磁機構(gòu)就是用永磁體實現(xiàn)合閘保持和分閘保持(有時只作合閘保持而不作分閘保持)的一種新型的電磁操動機構(gòu)。永磁機構(gòu)根據(jù)永久磁能所處于的保持位置可分為雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)機構(gòu)。雙穩(wěn)態(tài)是指動鐵芯在開斷與關(guān)合行程的2個位置，不需要任何能量或鎖扣即可保持。單穩(wěn)態(tài)是指永久磁能只處于1個位置的保持。雙穩(wěn)態(tài)可以采用單線圈，雙穩(wěn)態(tài)雙線圈永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖21所示。永磁機構(gòu)有個主要部件，其中靜鐵芯為機構(gòu)提供磁路通道，動鐵芯是整個機構(gòu)中唯一可移動部件，永久磁鐵為機構(gòu)提供保持時所需的動力。當(dāng)斷路器處于合閘或分閘位置時，動鐵芯在最上端或最下端，線圈中無電流通過，永久磁鐵利用動、靜鐵芯提供的低磁阻抗通道將動鐵芯保持在上、下極限位置，不需要任何機械聯(lián)鎖。當(dāng)有動作信號時，合閘或分閘線圈中的電流產(chǎn)生磁勢，動、靜鐵圖21 永磁操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖芯中的磁場由線圈產(chǎn)生的磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場疊加合成，使動鐵芯完成開關(guān)的分合任務(wù)。單線圈永磁機構(gòu)與雙線圈永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和動作很相似，但是在分閘操作時需要儲能彈簧。雙線圈雙穩(wěn)態(tài)和單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的共同之處，即合閘操作和保持是相同的，而分閘時是不同的。雙穩(wěn)態(tài)單線圈機構(gòu)的合閘過程與線圈機構(gòu)相同，但同時要給分閘彈簧儲能，故此合閘時需要的能量較大，分閘時給線圈通以反向電流，使合成磁場為零，靠觸頭彈簧和分閘彈簧所儲存的能量進行分閘。 永磁機構(gòu)與真空斷路器的配合每一種真空斷路器都有其固有的分合閘負載特性，永磁真空斷路器是一種動作時間分散性小和精確動作的斷路器，所配的永磁機構(gòu)應(yīng)該有相應(yīng)的出力特性。真空斷路器的反力特性與油斷路器、SF6斷路器不同。真空斷路器的觸頭行程很小，觸頭接觸只需要很小的驅(qū)動力；觸頭開合時，就需要很大的驅(qū)動力來壓縮觸頭彈簧。因此真空斷路器的反力特性在觸頭接觸瞬間有大幅度的正向突變。12kV真空斷路器合閘后的觸頭反力常常超過10 kN?！?。真空斷路器配用永磁機構(gòu)后，不僅可以進一步提高可靠性，滿足免維護的要求，而且永磁機構(gòu)動作時間分散性小，分合閘時間的精確度能滿足同步開關(guān)的要求。同步開關(guān)是主觸頭在電壓過零時閉合，在電流過零時斷開的斷路器。斷路器的同步關(guān)合可以減小甚至消除電容器組和變壓器的合閘電流和過電壓，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 斷路器合閘振動信號的特點高壓斷路器是一種瞬時動作電器，平常處于靜止?fàn)顟B(tài)，只是在執(zhí)行分合閘命令時才快速動作，從而產(chǎn)生強烈的振動，其振動信號有以下特點：（1）振動信號是瞬時非平穩(wěn)信號，不具有周期性。有效信號出現(xiàn)的時間非常短，通常在數(shù)十到數(shù)百毫秒之間。（2）振動是由于操動機構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件的受力沖擊和運動形態(tài)的改變引起的，在斷路器的一次操作中，有一系列的構(gòu)件按照一定的邏輯順序啟動、運動、制動，形成一個個振動波，沿著一定的路徑傳播，最終到達傳感器的是一系列衰減振動波的疊加，不同的結(jié)構(gòu)和不同的運動特性將產(chǎn)生不同的疊加波形。（3）斷路器的機構(gòu)對振動信號的傳遞過程是復(fù)雜的，沖擊(振源)位置與測量位置的變更都會顯著地改變實測振動信號的特性。 傳感器的選擇工程振動量值的物理參數(shù)常用位移、速度和加速度來表示。由于在通常的頻率范圍內(nèi)振動位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之間都可互相轉(zhuǎn)換，所以在實際使用中振動量的大小一般用加速度的值來度量。常用單位為：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。描述振動信號的另一重要參數(shù)是信號的頻率。絕大多數(shù)的工程振動信號均可分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信號，因此，對某一振動信號的測量，實際上是對組成該振動信號的正弦頻率分量的測量。對傳感器主要性能指標(biāo)的考核也是根據(jù)傳感器在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)測量幅值精度的高低來評定。最常用的振動測量傳感器按各自的工作原理可分為壓電式、壓阻式、電容式、電感式以及光電式。壓電式加速度傳感器因為具有測量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對被測件的影響小以及安裝使用方便，所以成為最常用的振動測量傳感器。壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 壓電加速度傳感器的工作原理圖32為壓電加速度傳感器的原理圖。圖22 壓電加速度傳感器它由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成。支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的，慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小，從而得出物體的加速度。 控制芯片DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點：（1） 在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；（2） 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；（3） 片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；（4） 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；（5） 快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6） 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；（7） 可以并行執(zhí)行多個操作；（8） 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對較弱些。DSP優(yōu)點：（1）對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響??；（2）容易實現(xiàn)集成；（3）可以時分復(fù)用，共享處理器；（4）方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波；（5）可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等；（6）可用于頻率非常低的信號。在眾多款型DSP中，TI把市場銷量好和前景看好的DSP歸為三大系列而大力推廣，TI也稱之為三個平臺（Platform）。 TMS320C6000平臺，包含定點C62x和C64x以及浮點C67x。其追求的是至高性能，最近新推出的芯片速度高達1GHZ，適合寬帶網(wǎng)絡(luò)、圖像、影像、雷達等處理應(yīng)用。 TMS320C5000平臺，包含代碼兼容的定點C54x和C55x。其提供性能、外圍設(shè)備、小型封裝和電源效率的優(yōu)化組合，適合便攜式上網(wǎng)、語音處理及對功耗有嚴格要求的地方。 DSP的傳統(tǒng)設(shè)計往往是采取主從式結(jié)構(gòu)：在一塊電路板上，DSP做從機，負責(zé)數(shù)字信號處理運算；外加一塊嵌入式微處理器做主機，來完成輸入、控制、顯示等其他功能。為此，TI專門推出了一款雙核處理器OMAP，包含有一個ARM和一個C5000系列DSP，OMAP處理器把主從式設(shè)計在芯片級上合二為一，一個典型的應(yīng)用實例為諾基亞手機。 TMS320C2000平臺，包含16位C24xx和32位C28xx的定點DSP。C24xx系列市場銷量很好，而對C28xx系列，TI認為很有市場潛力而大力推廣。C2000針對控制領(lǐng)域做了優(yōu)化配置，集成了了眾多的外設(shè)，適合逆變器、馬達、機器人、數(shù)控機床、電力等應(yīng)用領(lǐng)域。由于C2000定位在控制領(lǐng)域，其包含了大量片內(nèi)外設(shè)，如IO、SCI、SPI、CAN、A/D等等。這樣C2000既能作為快速微控制器（單片機）來控制對象，也能作為DSP來完成高速數(shù)字信號處理，DSP的高性能與通用微控制器的方便性緊密結(jié)合在一起，所以C2000也常被稱為DSP控制器。這里 C2000采用的是與OMAP不同的途徑簡化了主從式設(shè)計。在工業(yè)控制和家電領(lǐng)域中，一個比較大的市場是變頻器（一種電動機控制器）和不間斷電源UPS。二者在電路結(jié)構(gòu)上基本一致，都是整流+濾波+橋式逆變結(jié)構(gòu)，控制上都是采用脈沖寬度調(diào)制（P