高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀校驗(yàn)裝置的研制

肖 鵬，王 林，余曉曦

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院電子研究所，四川 成都 610021）

0 引 言

為保證高壓開(kāi)關(guān)安全運(yùn)行，必須用高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行測(cè)試，了解高壓開(kāi)關(guān)的各種參數(shù)是否正常，從而進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)檢修。高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀能夠?qū)Ω邏洪_(kāi)關(guān)的合、分閘時(shí)間、彈跳時(shí)間、速度、行程等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[1]。由于行程便于校驗(yàn)，速度則是根據(jù)行程和時(shí)間參數(shù)來(lái)確定的，所以測(cè)試儀最主要的技術(shù)指標(biāo)就是時(shí)間參數(shù)的準(zhǔn)確度。目前，測(cè)試儀沒(méi)有專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)器，各生產(chǎn)廠(chǎng)家所用的校驗(yàn)方法也不盡相同[2-3]。

針對(duì)這種現(xiàn)狀研制了高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的校驗(yàn)裝置，可對(duì)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的各時(shí)間參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。本裝置應(yīng)用CPLD和MCU聯(lián)合控制機(jī)制，通過(guò)MCU控制高速切換開(kāi)關(guān)來(lái)模擬高壓開(kāi)關(guān)合閘、分閘以及彈跳動(dòng)作，同時(shí)利用CPLD高速計(jì)時(shí)的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)合、分閘及彈跳時(shí)間等進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 原理及功能概述

本裝置由AVR微控制器、CPLD控制電路、人機(jī)接口電路（鍵盤(pán)和液晶）、觸頭動(dòng)作模擬器電路和動(dòng)作觸發(fā)隔離電路等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。AVR微控制器將設(shè)定好的動(dòng)作方式與時(shí)間通過(guò)SPI總線(xiàn)方式傳遞給CPLD，由CPLD內(nèi)部的邏輯來(lái)控制觸頭動(dòng)作模擬器進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀啟動(dòng)測(cè)試信號(hào)后，通過(guò)隔離單元觸發(fā)CPLD依據(jù)設(shè)定時(shí)間控制觸頭動(dòng)作模擬器做預(yù)定動(dòng)作，然后CPLD依據(jù)反饋信號(hào)開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)高壓開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀檢測(cè)觸頭電壓信號(hào)從而進(jìn)行校準(zhǔn)。下面以合、分閘時(shí)間和彈跳時(shí)間分析裝置的工作過(guò)程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 合、分閘時(shí)間校驗(yàn)

當(dāng)校驗(yàn)裝置模擬合閘動(dòng)作時(shí)，具體工作時(shí)序如圖2所示。觸頭初始狀態(tài)處于開(kāi)路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測(cè)試儀發(fā)出合閘信號(hào)時(shí)，測(cè)試儀產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，從脈沖的上升沿T0時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)置的合閘時(shí)間T1時(shí)刻到來(lái)時(shí)，由CPLD發(fā)出控制信號(hào)CPLD_A，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）導(dǎo)通，使得兩觸頭間電平處于邏輯低電平，從而觸發(fā)測(cè)試儀完成合閘時(shí)間測(cè)試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時(shí)，實(shí)際合閘時(shí)間不是T1-T0而是T2-T0，所以必須利用觸頭合閘反饋信號(hào)CPLD_FA對(duì)合閘時(shí)間進(jìn)行回測(cè)，利用CPLD門(mén)電路的特點(diǎn)，依據(jù)時(shí)序在CPLD中設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)邏輯，對(duì)高精度的有源晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到標(biāo)準(zhǔn)合閘時(shí)間。分閘時(shí)間校準(zhǔn)過(guò)程與上述原理一樣。

圖2 合閘時(shí)間的工作時(shí)序

1.2 彈跳時(shí)間校驗(yàn)

校驗(yàn)裝置模擬彈跳動(dòng)作時(shí)，具體工作時(shí)序如圖3所示。觸頭間初始狀態(tài)處于開(kāi)路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測(cè)試儀發(fā)出合閘信號(hào)，從脈沖的上升沿T0時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)置的合閘時(shí)間T1時(shí)刻到來(lái)時(shí)，由CPLD發(fā)出控制信號(hào)CPLD_A產(chǎn)生一個(gè)脈沖抖動(dòng)信號(hào)，控制觸頭模擬器兩觸頭（A+、A-）先導(dǎo)通，再閉合，最后再導(dǎo)通，使得兩觸頭（A+、A-）間電平從T2時(shí)刻的高電平變?yōu)榈碗娖?，T3時(shí)刻又變?yōu)楦唠娖?，T5時(shí)刻又變?yōu)檫壿嫷碗娖?，從而觸發(fā)測(cè)試儀完成合閘時(shí)間測(cè)試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時(shí)，實(shí)際彈跳時(shí)間不是T5-T2而是T4-T1，所以必須利用觸頭合閘反饋信號(hào)CPLD_FA對(duì)合閘時(shí)間進(jìn)行回測(cè)。裝置模擬了從校準(zhǔn)正脈沖上沿出現(xiàn)時(shí)開(kāi)始的開(kāi)關(guān)觸頭閉合的接觸振蕩，至正脈沖下沿出現(xiàn)時(shí)刻的觸頭最后一次分離后的重新接觸，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合閘彈跳時(shí)間的定義。

圖3 彈跳時(shí)間的工作時(shí)序

測(cè)試儀可對(duì)被測(cè)開(kāi)關(guān)的合、分閘時(shí)間、三相不同期時(shí)間、彈跳時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，基本量是合閘分閘時(shí)間和彈跳時(shí)間，其他量可通過(guò)基本量運(yùn)算后得出。因此該校驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了A、B、C三路觸頭模擬電路和相應(yīng)的時(shí)間測(cè)量電路，根據(jù)設(shè)置三路不同的合閘時(shí)間，便可以得到三相不同期的時(shí)間參數(shù)。

2 關(guān)鍵單元電路的設(shè)計(jì)分析

2.1 觸頭動(dòng)作模擬器和隔離單元

合、分閘和彈跳時(shí)間都是根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)觸頭電平變化得到的，觸頭電壓是由測(cè)試儀提供的（一般為12VDC），本裝置的觸頭動(dòng)作模擬器通過(guò)控制光繼電器AQV221的通斷來(lái)模擬高壓開(kāi)關(guān)觸頭電平的變化，從而模擬高壓開(kāi)關(guān)的合、分閘及彈跳的動(dòng)作，具體電路如圖4所示。AQV221具有動(dòng)作迅速（0.1ms）、導(dǎo)通電阻?。?.1Ω）、隔離度高（1000MΩ）而且沒(méi)有機(jī)械振動(dòng)等特點(diǎn)，特別適合模擬高壓開(kāi)關(guān)觸頭電壓的變化。

當(dāng)CPLD_A為低電平時(shí)，AQV221輸出端子（3、4管腳）間開(kāi)路，測(cè)試儀兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)CPLD_A為高電平時(shí)，AQV221輸出端子（3、4管腳）間短路，同時(shí)觸發(fā)高速光耦6N137導(dǎo)通，測(cè)試儀兩觸頭（A+、A-）間為低電平。圖4中的6N137用來(lái)實(shí)測(cè)模擬觸頭電平變化的反饋信號(hào)。

圖4 觸頭動(dòng)作模擬器電路

測(cè)試儀觸發(fā)計(jì)時(shí)信號(hào)采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，由于采用高速光耦6N137，該光耦導(dǎo)通時(shí)間是納秒級(jí)，所以對(duì)于0.01ms的校準(zhǔn)可以忽略不計(jì)。這樣不僅不會(huì)影響測(cè)量的精度，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)裝置與測(cè)試儀的電氣隔離。具體電路如圖5所示。

圖5 觸發(fā)隔離電路

2.2 CPLD邏輯設(shè)計(jì)

CPLD的邏輯設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一是CPLD與MCU控制器的邏輯設(shè)計(jì)，二是CPLD對(duì)觸頭模擬器以及合、分閘時(shí)間與彈跳時(shí)間等的計(jì)時(shí)控制邏輯。

2.2.1 CPLD與MCU的邏輯設(shè)計(jì)

MCU和CPLD采用SPI總線(xiàn)方式進(jìn)行通信，其中AVR單片機(jī)作為主設(shè)備，CPLD作為從設(shè)備，當(dāng)MCU主動(dòng)去向CPLD寫(xiě)命令參數(shù)時(shí)，CPLD采用移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器將MCU的命令傳遞給CPLD；當(dāng)MCU主動(dòng)去讀取CPLD的計(jì)時(shí)參數(shù)時(shí)，在CPLD內(nèi)部的邏輯其實(shí)是先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)然后通過(guò)SPI總線(xiàn)傳遞給MCU[4-5]。

2.2.2 CPLD控制和計(jì)時(shí)邏輯

CPLD控制和計(jì)時(shí)邏輯的邏輯電路框圖如圖6所示。從MCU傳遞來(lái)的命令控制字存入命令寄存器，命令寄存器中的工作方式控制字與時(shí)間設(shè)定控制字一方面通過(guò)譯碼控制觸頭模擬器電路按照設(shè)定時(shí)間動(dòng)作；另一方面對(duì)3種使能邏輯（合閘、分閘及彈跳的計(jì)時(shí)使能邏輯）進(jìn)行譯碼，最終得到計(jì)數(shù)的使能信號(hào)；命令寄存器的復(fù)位控制字在每次計(jì)數(shù)前對(duì)計(jì)數(shù)模塊清零。計(jì)數(shù)模塊時(shí)鐘輸入端采用帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔染д?，?jì)數(shù)使能信號(hào)的上升沿鎖存最終的計(jì)數(shù)值，然后輸出到時(shí)間寄存器中供MCU讀取顯示。

圖6 計(jì)時(shí)邏輯電路框圖

3 測(cè)試結(jié)果及不確定度評(píng)定

3.1 測(cè)試結(jié)果

用一臺(tái)413D型毫秒儀對(duì)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀校驗(yàn)裝置合閘時(shí)間進(jìn)行校驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試絕對(duì)誤差≤±0.02ms。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 不確定度評(píng)定

因篇幅所限，本文僅對(duì)合閘時(shí)間校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度作評(píng)定。開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀合閘時(shí)間校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度來(lái)源主要有：測(cè)量值不重復(fù)引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度；開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀分辨率引入的不確定度[6-9]。合閘時(shí)間的數(shù)學(xué)模型為

式中：EX——校驗(yàn)裝置的示值；

ES——毫秒儀示值；

δ1——測(cè)量重復(fù)性引入的誤差；

δ2——校驗(yàn)裝置分辨率引入的誤差。

重復(fù)性引入的不確定度分析：在相同條件下，對(duì)毫秒儀100 ms進(jìn)行10次穩(wěn)定性合閘時(shí)間測(cè)量，所得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)

毫秒儀引入的不確定度分析：毫秒儀在誤差限在100ms時(shí)為±0.01ms，即a=0.01ms，屬于均勻分布，覆蓋因子k=，其不確定度為

所得標(biāo)準(zhǔn)差為

校驗(yàn)裝置分辨率引入的不確定度：校驗(yàn)裝置分辨率為0.01ms，因?qū)儆诰鶆蚍植?，覆蓋因子k=，按半寬0.005ms計(jì)算，其不確定度為

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算：由于各個(gè)不確定度分量不相關(guān)，各靈敏度系數(shù)為1，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

4 結(jié)束語(yǔ)

本裝置已對(duì)多種型號(hào)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，長(zhǎng)期使用證明，其完全滿(mǎn)足測(cè)試儀合、分閘時(shí)間及彈跳時(shí)間的校準(zhǔn)要求，可以開(kāi)展高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的校準(zhǔn)工作。本裝置采用光繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁繼電器，不僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，而且大大提高了測(cè)試校驗(yàn)精度，具有操作簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)。

[1]郭璐，李中健，雷浩.高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（10）：232-233.

[2]宋慶環(huán)，高志，才衛(wèi)國(guó).高壓開(kāi)關(guān)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真研究[J].煤炭工程，2008，32（5）：101-103.

[3]李建基.高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005：213-221.

[4]黃任.AVR單片機(jī)與CPLDFPGA綜合應(yīng)用入門(mén)[M].北京航天航空大學(xué)出版社，2004：130-138.

[5]肖鵬，肖文，孫茂一.基于FPGA+MCU的數(shù)字電橋的研制[J].電測(cè)與儀表，2009，46（526）：63-66.

[6]賈祺.高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀合、分閘時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度校準(zhǔn)方法探討[J].計(jì)量技術(shù)，2008，29（1）：55-56.

[7]劉智敏.不確定度及其實(shí)踐[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000：186-192.

[8]張志濱.高壓開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀時(shí)間參數(shù)的校準(zhǔn)方法[J].計(jì)量技術(shù)，2007，28（1）：54-56.

[9]鄧倫兵，謝華，付在明.一種矩形脈沖信號(hào)沿控制電路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2010，36（1）：48-51.