基于红外传感器的高压断路器状态在线监测系统设计参赛作品Word文档下载推荐.docx

基于红外传感器的高压断路器状态在线监测系统设计参赛作品Word文档下载推荐.docx

《基于红外传感器的高压断路器状态在线监测系统设计参赛作品Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于红外传感器的高压断路器状态在线监测系统设计参赛作品Word文档下载推荐.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CircuitBreaker,on-lineminitoriContactg,Tempurature,Travel,WirelessCommnunication

引言

我国从50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，以便预防措施，避免停电事故发生。

进入80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。

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。

高压断路器

2.1高压断路器简介

高压断路器（或称高压开关）它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，可分为：

油断路器（多油断路器、少油断路器）、六氟化硫断路器（SF6断路器）、真空断路器、压缩空气断路器等。

附图断路器典型结构简图

2.2高压断路器用途

高压断路器在高压电路中起控制作用，是高压电路中的重要电器元件之一。

断路器用于在正常运行时接通或断开电路，故障情况在继电保护装置的作用下迅速断开电路，特殊情况（如自动重合到故障线路上时）下可靠地接通短路电流。

高压断路器是在正常或故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。

测量原理

3.1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：

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。

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：

τ——温升；

Ф——热功率；

λ——物质的导热率；

R——热阻；

A——平板面积；

δ——平板厚度。

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。

3.2红外传感器

3.2.1红外传感器简介

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类,按探测机理可分成为光子探测器和热探测器.红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。

3.2.2红外传感器工作原理

待测目标:

根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

大气衰减:

待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

光学接收器:

它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。

相当于雷达天线，常用是物镜。

辐射调制器:

对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。

又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

红外探测器:

这是红外系统的核心。

它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。

此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

探测器制冷器:

由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。

经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

信号处理系统:

将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。

然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

显示设备:

这是红外设备的终端设备。

常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。

红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。

3.3断路器触头行程测量原理

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：

附图真空断路器触头与操动机构连接图

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９０。

的正交光信号，经过光电转换后，得到Ａ、Ｂ两路方波信号。

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ＣＰＬＤ完成信号处理、计数输出，大大节省了行程测量模块的体积。

ＣＰＬＤ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。

硬件设计

4.1主控部分设计

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器.AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图所示：

图4.1AT89C51管脚图

4.2温度测量部分设计

该测量单元由温度传感器和数模转换芯片组成。

红外温度传感器选用IRBD300红外温度探头，其工作电压为5V，工作电源线、地线由模块引出。

模数转换器选用具有串行控制、连续逐次逼近型TLC1549，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（CS低电平有效）、输入／输出时钟（I/OCLOCK）、数据输出（DATAOUT）。

TLC1549能以串行方式把转换完的数字信号传送给单片机。

由于TLC1549采用CMOS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1LSB（4.8MV）。

TLC1549为10位单通道输入，能够使温度转换精度达到0.3度。

IRBD300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-20~300度，环境温度为-25~100度，响应时间为150ms，距离系数为8:

1，工作电源为DC5V，输出信号0.5V，共有6个引脚，分别是：

目标温度输出电压信号；

环境温度输出电压信号；

源输入；

接地输入；

SCLK和SDAT为厂家标定；

其引脚排列如图所示：

图4.2IRBD300引脚排列

TLC1494是一种单通道输入、串行输出的10位模数转化芯片，其引脚排列及功能结构图如图所示：

图4.3TLC1549引脚排列及功能结构图

温度测量单元传感器输出温度电压信号接TLC1494模拟信号输入管脚，TLC1494的片选信号、数据输出、输入/输出时钟分别与单片机P2.5,P2.6，P2.7管脚相连。

REF+、REF-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所示：

图4.4温度测量单元电路

4.3行程监控部分设计

图4.5测量单元系统图

该测量单元由旋转光电编码器、复杂可编程逻辑器件CPLD和外部存储器RAM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1路基准方波脉冲提供给信号处理电路，进行行程测量。

CPLD选用MAX3000A的EP3064，CMOS工艺，，可用门数600个，64个宏单元，最大用户I/O管脚34个，工作电压为3.3V，TQFP封装，共44个引脚。

外部存储器选用HM6116，2K字节8位RAM，11位地址，8位数据，3位读写及片选信号，共24个引脚。

行程测量单元系统框图如图所示。

4.3.1CPLD内部电路设计

采用一片CPLD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。

CPLD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RAM提供地址信号。

CPLD采用内部总线机构，8位数据线和地址线复用。

4.3.1.1信号处理原理及电路设计

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。

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CPLD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-。

由于A、B信号相位相差90度，假设断路器操动机构合闸操作时，输出A信号超前B信号90度。

，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90度。

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RESU_C+、RESU_C．。

CPLD内部信号处理流程图如图所示：

图4.6CPLD内部信号处理流程

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，这是信号处理核心，其设计分析的逻辑原理图如图所示：

图4.7信号处理逻辑原理图

4.3.1.2CPLD数据、地址锁存及内部总线电路设计

CPLD采用8位内部总线方式，数据地址信号共用内部总线。

控制信号共4个，分别为读信号面、写信号而、采样时钟、读时钟。

当读信号有效时，总线上传输的为数据信号；

当写信号时，总线上传输的为地址信号。

由CPLD内部计数电路对光电编码器信号A、B实时计数，按照采样时钟频率对结果采样，在采样时钟频率的下降沿将采样数RESU_C+、RESU_C-锁存，以保证向内部总线上传输的数据在读取周期内保持不变。

设置读取时钟为周期与采样时钟周期相同的矩形波，读信号有效时，在一个采样周期内依次将采样数据RESU_C+、RESU_C-。

通过内部总线送上与CPLD数据IO口。

CPLD另外一个功能是给外部RAM提供地址信号，写信号历有效时，将与微处理器连接的IO口上的地址信号送上内部总线，在地址锁存信号ＡＬＥ下降沿，将内部总线上的地址信号通过地址锁存电路锁存，锁存电路输出（AD0-AD7）接外部RAM地址信号。

CPLD数据、地址锁存及内部总线逻辑原理图如图所示：

图4.8CPLD数据、地址锁存及内部总线逻辑原理图

4.3.1.3无线通信单元硬件设计

数据存储器选用HM6116，容量为2K字节的SRAM，11条地址线，8位数据线，3条控制线，双列直插封装，共24个引脚，其引脚排列图如图所示：

图4.9HM6116引脚图

根据CPLD内部电路及其输入输出引脚，微处理器AT89C51单片机的P0端口（P0．0-P0.7）与CPLD定义的数据／地址引脚相连，由微处理器进行数据读取和地址写入；

单片机P3.2引脚与CPLD定义的中断信号引脚相连，当断路器动作，光电编码器有输入时，微处理器响应中断，进行行程计数；

单片机的P.24、P3.0、P3.1、P3.3引脚与CPLD定义的控制逻辑引脚相连，由微处理器提供读写、采样始终、数据读取信号；

单片机的ALE引脚与CPLD定义的地址锁存引脚相连，由单片机提供地址锁存信号，将HM6116的低8位地址信号锁存输出。

HM6116的片选引脚（西）与单片机P2.3引脚相连，由单片机提供片选信号；

低8位地址引脚（A0．A7）与ＣCPLD定义的地址输出引脚相连，由CPLD提供低8位地址信号；

高3位地址引脚（A8-A10）与单片机P2.0．P2.2引脚相连，由单片机提供高3位地址信号：

数据引脚（D0．D8）与单片机P0端口连接，当片选信号有效时实现与单片机的数据传输；

读写引脚与单片机的读写引脚相连。

当单片机读信号有效时，由RAM单片机输出数据，当单片机写信号有效时，由单片机中存入数据。

行程测量单元各元件接线电路图如图所示：

图4.10形成单元接线电路图

4.4无线通信单元硬件设计

无线通信单元由无线射频芯片NRF905组成，其工作频段为433/868/15MHZ，CMSK调制，自动产生CRC和前导码，抗干扰能力强；

采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；

灵敏度高，达到-100DB；

最大发射功率达+10DB；

开阔地的使用距离最远可达1000米；

低功耗工作模式，并且内建空闲模式和关机模式，易于实现节能；

工作电压范围为1.9-3.6V，外围元件少，调试简单，QFN封装，共32个引脚。

NRF905使用SP1接口与微处理器通信，配置非常方便，其电路设计如图所示：

图4.11无线通讯单元电路图

4.5上位机通讯单元硬件设计

监控室上位机与温度、行程测量模块之间采用无线通信的方式，上位机本身不带无线收发功能，故需要设计通信单元。

该单元由微处理器、RS232串行接口、无线射频芯片组成，实现与断路器触头温度、行程测量模块之间无线数据通信以及与上位机监控程序之间的RS232串口通信。

该通信单元选用ATC89C4051做微处理器，自带4K字节程序存储器，工作电压3.3V，16个IO口，共20个引脚，作为无线通信单元的微处理器实现对NRF905的配置及控制其收发状态，以及通过串行接口与上位机的RS232串行口连接，实现与上位机的数据传输。

无线射频芯片与测量模块无线通信单元一样采用NRF905，除了与微处理器接口驱动电路不同外，其它外部接线均相同。

ATC89C4051与RS232之间串口通信信号的电平转换选用MAX3232完成，MAX3232是一种RS232接口芯片，能够完成TTL与RS232两种电平之间的转换，工作电压为3~3.5V，可完成两路串行口的电平转换，共16个引脚。

无线通讯单元电路设计如图所示：

图4.12无线通讯电路设计

软件设计

5.1温度、形成测量软件设计

5.1.1主程序设计

测量模块主程序接收到上位机温度测量指令、行程