智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試系統(tǒng)

孫敬華，蔣曉旭

(河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001)

智能高壓開關(guān)設(shè)備是智能變電站的核心設(shè)備之一，它由開關(guān)設(shè)備本體和智能組件組成，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化的特征。相比傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備，智能開關(guān)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的信息接口，融狀態(tài)監(jiān)測、測控保護(hù)、信息通信等技術(shù)于一體，可滿足智能電網(wǎng)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化的需求。

國際大電網(wǎng)會(huì)議以及中國電力研究院關(guān)于某類型斷路器故障的統(tǒng)計(jì)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(jī)械機(jī)構(gòu)，主要涉及操作機(jī)構(gòu)、檢測裝置和輔助裝置等[1]?？梢姡瑢τ诟邏簲嗦菲鲗?shí)施機(jī)械特性的監(jiān)測，及時(shí)了解其運(yùn)行狀況，掌握其運(yùn)行特性變化及變化趨勢，對提高其運(yùn)行可靠性極為重要。因此，本文介紹了一種自主研制開發(fā)的智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試系統(tǒng)及應(yīng)用效果。

1 測試系統(tǒng)需求分析

高壓斷路器由操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過傳動(dòng)部件的傳遞和變換，使動(dòng)觸頭得到運(yùn)動(dòng)速度，并具有一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。高壓開關(guān)機(jī)械特性試驗(yàn)是指對高壓開關(guān)設(shè)備速度、時(shí)間、壓力、應(yīng)力等機(jī)械參數(shù)的測量。當(dāng)前對高壓斷路器機(jī)械特性測試主要有以下兩個(gè)方面:

1)行程信號(hào)，即測量行程—時(shí)間特性曲線;

2)分(合)線圈電流信號(hào)，即測量電流—時(shí)間特性曲線。

通過對這兩個(gè)信號(hào)的測量，再結(jié)合主回路電流信息或輔助節(jié)點(diǎn)信息，可以計(jì)算出分(合)閘時(shí)間、觸頭行程、剛分(合)速度、分(合)閘最大速度、分(合)閘平均速度等反映斷路器機(jī)構(gòu)機(jī)械動(dòng)作特性的參數(shù);將分(合)線圈電流波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比對分析，還可以掌握電磁鐵鐵芯運(yùn)動(dòng)的大致情況[2-3]。

終上所述，該測試系統(tǒng)主要完成開關(guān)設(shè)備動(dòng)觸頭行程信號(hào)，分、合閘線圈及儲(chǔ)能電流信號(hào)的測量及分析，測試系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)基本組成

1.1 動(dòng)觸頭位移行程特性的監(jiān)測

目前，高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試主要對主觸頭行程、超程，及分合閘時(shí)間和速度進(jìn)行測量[4]。

由于斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)形式為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器機(jī)械特性直接、準(zhǔn)確測量的前提是能在動(dòng)觸頭或在與動(dòng)觸頭位移量完全相同的部位安裝線位移傳感器，但是高壓斷路器無法在其滅弧室內(nèi)安裝傳感器，也就無法直接測量斷路器的機(jī)械特性。因此為了測量斷路器的機(jī)械特性，可以采用間接測量方法，就是測量和動(dòng)觸頭位移密切相關(guān)的轉(zhuǎn)軸的角位移，根據(jù)轉(zhuǎn)軸角位移和斷路器動(dòng)觸頭線位移的對應(yīng)關(guān)系折算出動(dòng)觸頭的行程特性曲線。目前多采用光電式位移傳感器和差動(dòng)變壓器式位移傳感器與相應(yīng)的測量電路配合進(jìn)行檢測，其他常用的還有增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器或直線光電編碼器。

光柵式位移傳感器(又稱光柵尺)一般是利用刻在某種載體(如玻璃、晶態(tài)陶瓷或鋼帶等)上的隔扇作為測量的基準(zhǔn)[5-7]，其工作原理是利用感知光度變化的光電池掃描的方法進(jìn)行測量。光纖投射到已調(diào)整好的光柵上時(shí)，變化產(chǎn)生摩爾條紋圖案，當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，圖像的光強(qiáng)度將發(fā)生周期性的變化，這種變化被光電池接收后，經(jīng)電子信號(hào)處理，便可達(dá)到檢測位移量的目的。

設(shè)置了編碼類型以及脈沖計(jì)數(shù)類型，就可以利用式(1)把數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為位置信息:

式中:θ為旋轉(zhuǎn)角度;N為軸每旋轉(zhuǎn)一周過程中，編碼器所生成的脈沖數(shù)目;x為編碼類型;Edge_Count為脈沖點(diǎn)數(shù)。

直線位移和角度一般按照線性關(guān)系處理，從而可以計(jì)算出動(dòng)觸頭位移量。

1.2 分合閘及儲(chǔ)能電機(jī)電流的監(jiān)測

分合閘及儲(chǔ)能電機(jī)電流是通過霍爾電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測的?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)安培定律原理，利用霍爾器件來測量載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生正比于該電流的磁場。由于磁場大小(磁路)與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓信號(hào)U0可以間接反映出被測電流I1的大小。電流傳感器經(jīng)過了電-磁-電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。

操作線圈電流傳感器為閉環(huán)霍爾電流傳感器，采用磁平衡式(或稱磁補(bǔ)償式、零磁通式)原理。原邊電流(Ix)產(chǎn)生的磁場，通過一個(gè)副邊線圈的電流(Im)所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原、副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場達(dá)到平衡時(shí)，有

式中:N1、N2為原、副邊線圈的匝數(shù)。

根據(jù)式(2)，只要知道一二次線圈的匝數(shù)和二次補(bǔ)償電流的大小，就可以計(jì)算得到被測電流的數(shù)值，其補(bǔ)償原理如圖2所示。通過對二次補(bǔ)償電流Im進(jìn)行電流電壓變換、AD采樣就可以得到被測電流的大小。

圖2 霍爾電流傳感器原理圖

圖2所示的霍爾電流傳感器是單電源供電，如果采用正負(fù)雙電源供電，則二次補(bǔ)償線圈中的電流可以為正負(fù)兩個(gè)方向，從而保證能夠測試正負(fù)電流。

1.3 開發(fā)平臺(tái)的選擇

LabVIEW是基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境。由于采用流程圖的圖形化編程方式，也被稱為G語言(graphical language，圖形編程語言)，它是最早出現(xiàn)的編譯型的圖形化編程語言。它對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)設(shè)計(jì)提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需要連接調(diào)用，就可以免去自己編寫程序的麻煩，且提供了豐富完善的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及各種接口總線和常用儀器的驅(qū)動(dòng)程序[8-9]。

利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)可編程儀器的控制，很大程度上提高了編程效率。因此，本系統(tǒng)選擇LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)的語言。

1.4 基于MySQL的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)管理的高級(jí)階段，與手工操作和文件管理相比，數(shù)據(jù)庫具有快速準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、冗余度小、可修改性和可擴(kuò)充性等明顯的優(yōu)點(diǎn)，非常適合大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理[10]。

LabVIEW本身并不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，但是由于LabVIEW提供了豐富的外部程序接口，例如Active和.NET。LabVIEW與數(shù)據(jù)庫連接有很多種方法，其中ADO是使用最為廣泛的技術(shù)，因?yàn)锳DO組件集成于Windows操作系統(tǒng)中。

ODBC是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)重要組成部分，它通過建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，最重要的是一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)API，即應(yīng)用程序編程接口，它通過SQL來實(shí)現(xiàn)其大部分的功能。對于ODBC本身，它也提供了對SQL語言的支持，因此用戶可以直接將SQL語句傳遞給ODBC。ADO和ODBC訪問數(shù)據(jù)庫方式如圖3所示。

圖3 ADO和ODBC訪問數(shù)據(jù)庫方式

圖3中的ODBC驅(qū)動(dòng)程序是針對每一類DBMS的，ODBC函數(shù)調(diào)用與數(shù)據(jù)源交互是通過動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)態(tài)鏈接庫由數(shù)據(jù)庫廠商直接提供給用戶。ODBC到數(shù)據(jù)庫的接口形式就是通常所說的數(shù)據(jù)源，它是用來標(biāo)識(shí)需要訪問的數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的各種參數(shù)。在與數(shù)據(jù)庫連接之前，必須在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中建立數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源名是通過DSN(Data Source Name)來標(biāo)識(shí)的。

LabSQL VIs按照ADO對象分為三類，并分別位于不同的文件夾下:Command、Connection和Recordset。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，例如創(chuàng)建或刪除一個(gè)Command，對數(shù)據(jù)庫中的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙?。Connection VIs用于管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的連接。Recordset VIs用于對數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對記錄中的某一條目進(jìn)行讀寫等。

2 測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡單的信號(hào)處理，將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)經(jīng)軟件進(jìn)行處理后保存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理，其流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程框圖

在LabVIEW環(huán)境中控制各種DAQ板卡完成特定的功能，都離不開DAQ驅(qū)動(dòng)程序的支持。NI公司對其全部的DAQ產(chǎn)品提供了專門的驅(qū)動(dòng)程序庫，因此，在LabVIEW下應(yīng)用NI公司的DAQ產(chǎn)品無須專門考慮驅(qū)動(dòng)程序的問題。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，還要對采集卡進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。首先進(jìn)行通道設(shè)置，當(dāng)有多路信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，必須為數(shù)據(jù)采集卡指定特定通道進(jìn)行操作。在數(shù)據(jù)采集卡上，不同的檢測信號(hào)送入不同的通道，所以要對不同的信號(hào)采集對應(yīng)不同的地址。在數(shù)據(jù)采集中按通道表列出的順序掃描通道，在數(shù)據(jù)輸出過程中按通道表列出的順序刷新，數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為7大模塊和若干個(gè)子模塊，各模塊分別實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能。另外，模塊之間耦合度低，使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)更加清晰，降低了程序開發(fā)過程出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率，提高了程序的可靠性。采集系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

利用機(jī)械特性測試儀(KOCOS)和所研制系統(tǒng)同時(shí)對樣機(jī)特性進(jìn)行測試，并記錄測試結(jié)果。機(jī)械特性測試儀是專業(yè)斷路器自動(dòng)測試分析系統(tǒng)，能夠測試包括斷路器、負(fù)載開關(guān)、隔離開關(guān)和接地開關(guān)等開關(guān)的機(jī)械參數(shù)，滿足從現(xiàn)場試驗(yàn)到全自動(dòng)出廠測試的任何應(yīng)用場合，適用于各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所有的測試可以手動(dòng)或自動(dòng)地完成，所有測量輸入都經(jīng)過特殊的線性光電耦合電路連接到儀器內(nèi)部，保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持極高的精度和線性頻率響應(yīng)，具有極強(qiáng)的抗干擾性和可靠性。在智能GIS機(jī)械特性測試中，常將開關(guān)特性測試儀作為測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，將其與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比，并通過計(jì)算驗(yàn)證測量結(jié)果誤差是否滿足相關(guān)的規(guī)范和要求。機(jī)械特性測試儀與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)共用同一位移編碼器，調(diào)試過程中需通過接線端子將位移傳感器的信號(hào)同時(shí)傳遞給開關(guān)特性測試儀和測試系統(tǒng)，測試方案如圖7所示，小電流信號(hào)采集方案類似于位移傳感器信號(hào)采集。

圖7 位移傳感器信號(hào)測試方案

分閘時(shí)間和合閘時(shí)間的測量要用到分、合閘線圈接到指令的時(shí)刻，所以機(jī)械特性儀要用到電流傳感器。小電流傳感器可對斷路器的分合閘線圈電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流進(jìn)行測量，由接收裝置采集其輸出信號(hào)，繪制出分合閘線圈的電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流曲線，進(jìn)而掌握、分析機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況。每組小電流傳感器包括3個(gè)操作線圈電流傳感器和1個(gè)儲(chǔ)能電機(jī)電流傳感器。

對高壓開關(guān)設(shè)備，大多情況下，小電流傳感器布置在智能組件柜內(nèi)，用于監(jiān)測分合閘線圈電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流等信息。位移傳感器布置在斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)斷路器傳動(dòng)軸上，傳感器信號(hào)信息直接上傳至主IED。

在聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)過程中，都需對斷路器進(jìn)行分合閘操作，以保證開關(guān)設(shè)備處于正常狀態(tài)。同時(shí)，通過KOCOS和測試系統(tǒng)需將所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以實(shí)現(xiàn)對所研制測試系統(tǒng)的誤差分析。

每次特性分別記錄KOCOS和測試系統(tǒng)所測得的行程曲線，合閘時(shí)間、分閘時(shí)間、合閘速度、分閘速度、儲(chǔ)能電機(jī)電流等特征參量，及重合閘過程中的合分時(shí)間、分合時(shí)間、一次電流、二次電流、合閘電流等。KOCOS測量數(shù)據(jù)作為測量標(biāo)準(zhǔn)，以此來判定測試系統(tǒng)的測量誤差。表1為本公司某型號(hào)產(chǎn)品機(jī)械特性試驗(yàn)?zāi)炒蔚挠涗浉袷郊皩?shí)驗(yàn)結(jié)果，是在1 000次開關(guān)設(shè)備壽命實(shí)驗(yàn)室中所選取的任意一組樣本值。

表1 NI平臺(tái)與KOCOS計(jì)算精度比對

從表1可以看出，所有試驗(yàn)特征數(shù)據(jù)誤差均在相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定范圍內(nèi)，能夠較好的滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

1)基于數(shù)據(jù)庫的智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試系統(tǒng)具有較好的數(shù)據(jù)管理能力和較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢，為后期測試系統(tǒng)的開發(fā)及新功能的增加奠定了基礎(chǔ)。

2)基于NI硬件和LabVIEW的測試系統(tǒng)，具有攜帶方便，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理方功能強(qiáng)大，便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

3)智能高壓開關(guān)設(shè)備一次廠家能夠根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)更有針對性的測試系統(tǒng)產(chǎn)品，打破了目前相關(guān)測試系統(tǒng)的壟斷。

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