基于三轴加速度计的跌落式熔断器监测系统的开发与应用
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上海置信电气股份有限公司、上海天贵电子科技有限公司的研究人员周翔、丁永生、朱峰，在2018年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，跌落式熔断器是一种常见的电路短路保护器。但在实际运用中经常会出现熔丝、系统断流及系统短路等故障，进而导致大面积停电，造成巨大经济损失。
本文基于10kV杆上跌落式熔断器故障后跌落特性，采用无线低功耗设计，开发三轴加速度计监测系统实时监测熔管状态，并通过配套终端将故障分析信息发送至运维人员，有利于尽快处理10kV杆上跌落式熔断器故障，提高供电可靠性。
跌落式熔断器是户外高压保护电器，可装在杆上变压器高压侧、互感器和电容器与线路连接处，为配电线路和电力变压器提供过载和短路的保护，也可装在长线路末端或分支线路上，对继电保护保护不到的范围提供保护。
跌落式熔断器结构简单、维护方便、体积小巧，在配电网中应用广泛[1]。将其安装在配电线路分支线上，可缩小停电范围，因其有一个明显的断开点，具备了隔离开关的功能，故给检修段线路和设备创造了一个安全作业环境，增加了检修人员的安全感。安装在配电变压器上，可以作为配电变压器的主保护。
目前国内主要采取对三相跌落式熔断器配套微动开关的方案，通过熔丝熔断后的机械联动实现跌落告警，该种方案工程实现需要变更现有熔断器结构，且与微动开关的机械联动实现工艺较为复杂，不利于跌落监测在国内配网迅速普及[2]。
故跌落熔断器缺乏简便有效地实时监控手段，一旦发生跌落熔断器跌落事故，电力抢修工作人员无法及时知道跌落熔断器已出现事故，并且由于无法进行快速准确定位，不能及时赶到现场处理事故，从而导致大面积和长时间停电。跌落式熔断器的智能化研究，将极大地缩短故障时间，提升供电服务质量[3]。
针对跌落熔断器实时监测工程应用，本文研究了基于三轴加速度计的熔断器跌落状态监测系 统[4-5]。三轴加速度计具有测量范围宽、稳定性高、无漂移、抗干扰能力强、体积小、成本低等许多优点，被广泛应用于惯性定位单元。同时系统采用简易安装的结构设计，便于现有熔断器监测工程改造。
1 熔断器实时监测装置的安装
熔断器实时监测装置可安装在配电线路上，如图１所示。其中传感器固定在熔断器熔管上，运行维护人员在安装跌落式熔断器时，将熔断器内部的熔管倾斜角度控制在20°～30°之间，故监测装置内部加速度计的三轴方向也就相对固定。智能配变终端安装在杆塔上，用于在线监测熔断器运行及跌落情况。
图1 熔断器实时监测装置安装示意图
2 熔断器实时监测装置的工作原理（略）
跌落式熔断器熔丝管两端的动触头依靠熔丝（熔体）系紧，当短路电流通过熔丝熔断时产生电弧，熔丝管内衬的钢纸管在电弧作用下产生大量的气体因熔丝管上端被封死，气体向下端喷出，吹灭电弧[6-7]。
由于熔丝熔断，熔丝管的上下动触头失去熔丝的系紧力，在熔丝管自身重力和上、下静触头弹簧片的作用下，熔丝管迅速跌落，使电路断开，切除故障段线路或者故障设备。
跌落实时监测装置通过与熔管的固定安装，通过三轴加速度传感器中X轴读数Cx，可精确测量熔管倾斜的角度进而敏感熔管是否跌落；同时通过Y轴和Z轴的读数，判断监测装置是否在运维人员更换熔丝后松动，若松动将通过配套的智能配变终端进行告警提醒运维人员[8]。
3 熔断器实时监测装置的系统构成
熔断器实时监测装置主要分为监测主模块和监测子模块两大部分，其中监测主模块嵌入在智能配变终端的IO模块内，主模块一直处于监听状态，当子模块检测到跌落信号时，会主动发送信号给主模块，其他时候子模块处于休眠状态，以节约电池用量。
此外子模块每过一段时间也会主动发送状态信息给主模块，主模块以此作为心跳检测，判断子模块是否存在[9-10]。
图5 熔断器实时监测装置系统构成示意图
检测子模块主要由以下部分组成：加速度传感器、单片机、射频芯片、电池以及板载天线，其功能框图如图6所示。
图6 熔断器实时监测装置子模块示意图
处理器为NXP公司的32位微处理器LPC824M201JHI33，速度高达30MHz，并且具有低功耗模式电流低至90A，封装小，自带晶振及FLASH，无需外围设备，节省空间[11-12]。
加速度传感器采用ANALOG DEVICES公司的ADXL343，具有封装小，工作温度范围宽（-40℃～85℃），功耗低至23A，适用于自由落体检测[13]。
CPU处理完运动状态后通过小无线方式上传，小无线选用nRF24L01无线收发器，是一个带有NRF24L01的2.4GHz射频收发器模块。宽范围供电1.8～3.6V，发送时电流10.5mA，睡眠模式功耗只有900nA。
在户外NRF24LR的通信距离可达62m。在建筑物内2.4GHz信号会很快消失，通常在通过1～2堵墙之后信号便会丢失，但它在一个20m×20m的房间内可以毫无问题的接收信号。该模块具有125个通信频道，其中一些是用于蓝牙、ZigBee和WiFi的频道。因此，用户必须安装冲突检测，并在频道之间进行切换，以找到空置的频道。
电池选用FANSO公司的ER14505M，标称3.6V，电量达1450mAh，理论工作时间10年以上，保守预计使用3年。
通常子模块的单片机和射频芯片均处于休眠状态，单片机内部有一个低功耗的定时器，会在设定的某一个固定时间周期性的唤醒单片机，单片机每次唤醒之后会查询下加速度传感器的状态，并判断当前是是否发生了跌落事件，如果发送了跌落事件，就激活射频芯片主动发送跌落状态信息给主模块；如果没有，就判断是否达到了发送心跳包的周期，如果到了，就激活射频芯片并发送心跳信息。发送完成之后单片机和射频芯片会再次进入休眠状态。其工作流程如图7所示。
图7 熔断器实时监测装置工作流程
4 熔断器实时监测系统测试
根据熔断器实时监测装置的方案设计，构建系统测试环境，通过模拟不同熔管跌落角度，测试装置跌落检测可靠性，如图8所示。
图8 熔断器跌落模拟测试
通过绑带的长度变化，可将熔管分别跌落到20°至80°，记录配变终端采集到的跌落信号，0代表未跌落，1代表跌落。通过测试，该系统可有效检测熔管跌落状态，见表1。
表1 跌落信号检测
5 结论
总之，随着配电智能化的进程，若要使跌落式熔断器能够可靠运行并实时监测其运行状态，则除了选择正规厂家生产的高质量熔断器外，还应将跌落式熔断器在线监测装置应用于配电网中，这样可更好地检查跌落式熔断器是否正常工作，对跌落熔断器的稳定、安全运行意义重大，有利于工作人员尽快找出故障所在，让所有人用电无忧。
此外，工作人员应建立日常检修制度，保证在更换、安装熔断器时规范操作，了解跌落式熔断器常见故障原因，并便于尽早发现异常原因，这样可以有效地减少跌落式熔断器常见故障的发生。