关键词：STC89C52；BVAC.N99D；分合闸；时间测量；连锁状态

Abstract: BVAC.N99D main circuit breaker has been used for a long time in China with large range and it’s action frequency very high. Therefore, regular inspection and maintenance are needed. Closing performance, interlocking switch state and opening closing time are very important when checking the breaker . It is necessary to design a portable device which can control opening closing and measure opening closing time. The device is powered by battery, and the MOS transistor is controlled by SoC. The logic chip and SoC are used to judge and calculate the opening and closing state and time, the digital tube is used to display the results, and the LED is used to display the interlocking switch state. The test shows that it can safely open and close, accurately measure the opening and closing time, and accurately display the interlocking switches state.

Key words: STC89C52 BVAC.N99D; Opening and closing; Time measurement interlocking switch state

1  前言

BVAC.N99D型断路器是单极交流真空断路器，主要运用于我国HXD1和HXD1C电力机车上，其功能是电力机车主电路的接通与开断，提供短路和过载保护。断路器分合闸性能、连锁开关状态和分合闸时间的检测是十分必要的，为了因对更多的情况，便携式简单性能检测仪时必要的。国内虽然有类似产品，但是连线多，笨重，操作复杂。本文使用STC89C52与相关电路来实现控制其开通与关断，测量分合闸时间。

2  功能实现设计

BVAC.N99D主断路器控制电压范围DC 77V-138V，功率50-200W。航空插头有24根针其中两根为电源供电，其余为连锁开关，5对常开6对常闭。主断得电就能合闸，失电就分闸，因此我们可以使用一个开关来实现分合闸。要测量分合闸时间，继电器开闭时间较长且不稳定，因此选择时间较短的MOS管，测量分合闸时间使用单片机的中断功能，当设置GATE=1时，需要INT1=1与TR1=1同时满足时才能计数，这就能测量一个正脉冲的宽度，要测量分合闸就要采用辅助电路^[1]。显示分合闸时间使用数码管来实现，数码管驱动使用最常用的74HC573。连锁开关状态使用LED灯来显示。

3  电路设计

    图1为控制测量框图，框图表现了电路的设计思路，提现了整个电路所需要的主要部分，从图1中可以看出，整个系统包括电源系统、控制测量系统、连锁灯显、MOS管IRF730及其保护电路、BVAC.N99D。整个系统共用一套电源系统，测量控制系统控制IRF730开闭，从而控制主断分合闸，控制测量系统需要测量主断分合闸时间，主断的连锁引出到LED灯显。

图1  控制测量电路框图

3.1  电源电路设计

蓄电池采用12V，一是方便降压为5V，二是电压安全。主断分合闸需要的110V电源来自12V逆变后经过变压器升压整流产生的直流电压。蓄电池的12V可以直接用来驱动MOS管开闭，同时经过三端稳压管后输出5V为连锁灯组和控制测量系统供电。该电源系统保护电路有保险丝、TVS时瞬态抑制二极管、防反二极管。

图2  电源电路图

3.2  连锁开关显示设计

BVAC.N99D主断路器有12组连锁，6组常开，6组常闭，但是输出到航空插头的只有5组常开，6组常闭，有1组供内部控制电路使用。为了显示简单实用，使用发光二极管表现连锁开关的状态，具体电路如图3所示，5V电源输入经过一个500Ω的可调电阻，500Ω的可调电阻和每个发光二极管串接的200Ω电阻有助于控制发光强度与保护发光二极管。

图3  连锁状态显示电路

3.3  控制电路设计

如图4所示，单片机最小系统包括电源，晶振电路和复位电路，图4左下角按钮为复位按钮，图4左上角为晶振电路，选择12MHz。单片机P0口专门用来将测量时间输送到数码管，数码管的驱动使用74HC573。SS为单次开关按钮，按下SS能单次合闸，再按下一次就可以单次分闸，每次分合闸后都会测量时间。MS为多次分合闸按钮，按下后会自动分合闸多次，周期为10s。MC为主断路器主触头，INT1用来触发计时，触发信号来源于P23和来自主触头的信号进行逻辑异或后得到的电平。具体逻辑如表1所示，设置单片机初始状态TR1=0,异或门输入1由单片机控制，异或门输入2连接在断路器主触头上，经电阻上拉DC5V电源，主触头另一端接地。异或门输出连接单片机INT1口。通过控制TR1,异或门输入1电平变换就可以判断分合闸状态，也就可以测量分合闸时间。P22为分合闸信号输出，经过高速光耦隔离驱动MOS管，MOS管比较脆弱，外围电路为保护电路，除了保护还能降低MOS管导通与关断时间。应注意的是MOS管在负载低端。

图4 控制电路

4  程序设计

主程序采用顺序结构，先初始化系统，然后循环进行采集按键信号、计算分合闸时间、点亮数码管。使用了两个中断函数来进行测量分合闸时间，外部中断1、计数/定时中断1，当设定GATE=1时，需要满足TR1=1和INT1=1才能进行计时，正是这个原因使得可以使用中断功能测量正脉冲宽度。计数模式选用模式2，具有自动装填能力，计数范围0-255。计算分合闸时间函数需要判定分合闸时间是否超限，根据该型号主断检修工艺要求，分合闸时间介于20ms-60ms之间。要减去软件与硬件带来的延时影响，经过测试可以得到一个变化范围很小的延时时间。具体测量延时方法是使用单片机的一个管脚输出一个固定时长的脉冲，测量该脉冲时长。

5  电路实现

图5是功能测试电路。该电路包括一个电池、逆变模块、变压器、整流模块、稳压电容、电路板，电路板功能是控制分合闸、测量分合闸时间、显示测量结果、显示连锁状态。经过试验，可以正常工作，表2为一台合格断路器使用本仪器测量分合闸时间与车间试验台分合闸时间测量对比，可以看出，该仪器的测量分辨率更高，误差更小。原因在于本设备程序、电路相对简单，总延时可测，可在程序里减去延时。

图5  系统整体图

6  总结

本设备简单、安全、实用，价格低廉。后期可以将整个电路集成在一起，实用高频逆变和高频变压器能进一步缩小体积与重量。单片机留有空脚，方便后期增加功能。

参考文献：

[1]张毅刚,彭喜元, 彭宇. 单片机原理及应用[M]. 高等教育出版社:北京,2010:16-117

作者简介：

邬陆琨（1992.8），男，硕士，2016年-2019年就读于大连交通大学电力电子与电力传动专业，2019年至今工作于中国铁路成都局集团有限公司成都机务段，助理工程师，机车电工（高级）。