基于模擬滑塊的斷路器機械特性在線檢測*

陳 力，唐向紅，張 順

（貴州大學現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550003）

基于模擬滑塊的斷路器機械特性在線檢測*

陳 力，唐向紅，張 順

（貴州大學現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550003）

針對于傳統(tǒng)的斷路器在線檢測中存在的傳感器安裝不便和采用非線性的檢測方法的惰況，文中提出了一種新型的檢測方法。在斷路器原有的機械結構的惰況下引入模擬滑塊的理念，利用模擬滑塊和斷路器動觸頭之間運動的線性關系，將直線位移傳感器安裝在模擬滑塊上，最終得到斷路器動觸頭的運動行程曲線。實驗數(shù)據(jù)表明，該檢測方法具有較好的應用價值。

斷路器；傳感器；在線檢測；模擬滑塊

0 引言

斷路器在整個電力系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的作用，斷路器工作的可靠性和運行質量會直接影響到整個電力系統(tǒng)的安全性。斷路器工作的故障70%都是由于機械結構的性能不良造成的，因此有效的對斷路器機械機構的在線檢測就顯得尤為重要。斷路器的機械特性主要包括斷路器的時間特性、速度特性和行程特性，這些特性都可以在斷路器動觸頭的行程時間曲線中反映出來。

文獻［1］提到的都是利用角位移傳感器來采集斷路器控制系統(tǒng)的信號，這類檢測方法采集的是斷路器中主軸的旋轉角度信號，利用旋轉主軸與動觸頭運行之間的非線性關系，再結合數(shù)學方法得出斷路器動觸頭的運動情況。文獻［2-4］采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡的方法來對斷路器進行故障檢測，該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡來對輸電電壓進行定位從而來判斷斷路器機械結構的運行情況。文獻［5，6］提出了一種采用壓電式加速到傳感器來檢測斷路器的機械特性，采用的原理是壓電材料在受到外力的作用產(chǎn)生形變的時候，其內部會發(fā)生極電反應，在其表面會產(chǎn)生電荷，從而根據(jù)傳感器采集的電壓信號來判斷斷路器的機械特性。這類檢測方法的優(yōu)點是機構比較簡單，成本較低。但是這類傳感器輸出的電荷量容易受到外界的干擾，導致檢測結果失真。文獻［7，8］采用的是利用溫度環(huán)境來測量斷路器機械結構的運動情況，這類測量方法準確度較高，但是它對于環(huán)境的要求極高，很容易導致測量誤差。

長久以來，由于斷路器機械結構和空間機構［9-11］的限制，給傳感器的有效安裝帶來了不便，上文文獻中提到的在線檢測方法都沒有考慮到這個問題，同時這類檢測都是采用的非線性檢測方法。本文中針對于傳感器不便安裝的問題，提出了一種模擬滑塊的理念，再將直線位移傳感器安裝在模擬滑塊上，利用模擬滑塊的運動與斷路器動觸頭運動之間的線性關系來得到斷路器動觸頭的行程曲線。實驗表明，本文中提出的檢測方法有很好的實用性。

1 斷路器基本機械結構和機械特性檢測的內容

斷路器的機械構件的運動情況比較簡單，主要是斷路器的動觸頭的合/分閘過程，而斷路器的合/分閘過程是由整個操動系統(tǒng)完成的，操動系統(tǒng)是由操動機構、傳動機構、提升變直機構等組成，如圖1所示。

圖1 操動系統(tǒng)框架圖

斷路器要想完成好合/分閘過程，就必須要斷路器的動觸頭運動行程、運動周期和速度等達到要求，因此本文中提出的斷路器機械特性檢測就包含一下幾個檢測項目：

（1）斷路器動觸頭行程—斷路器合/分閘行程大小、過沖行程和超行程；

（2）合/分閘時間—包含合/分閘時間，主、輔觸頭動作時間；

（3）斷路器動觸頭速度—包含動觸頭速度曲線、動觸頭剛合/分時間、合/分平均速度和最大速度等。

2 傳感器的選擇和安裝

為了有效的對斷路器進行機械特性的檢測，就必須要有效的獲取斷路器動觸頭的運動信號。近年來，在斷路器控制系統(tǒng)中為了有效的獲取其動觸頭的運動信號，傳感器的使用越來越廣泛，由于斷路器的工作環(huán)境是機構箱的空間小而且結構比較的緊湊，這就為傳感器的有效安裝帶來了困難，為了解決傳感器的安裝的問題，一些專業(yè)人士探索了一些非接觸式的測試方法，現(xiàn)在最常用的是基于角位移傳感器的檢測方法。使用角位移傳感器是間接測試方法中的一種，其原理是根據(jù)連桿機構之間的角速度和線速度的關系通過換算得出的測量結果，因此其測量結果與斷路器動觸頭的行程軌跡的對應關系是非線性的，這種測量只適合對于測量精度要求不高的場合，當對于測量精度要求很高時，當測量要求很高時，對測試分析的硬件的要求會很高。原有的斷路器操動系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 斷路器運動機構簡圖

圖2為斷路器操動系統(tǒng)的機械機構簡圖，一般在斷路器在線檢測中的角位移傳感器安裝在主軸上，通過主軸的運動行程來計算動觸頭的行程，但是由于中低壓斷路器的工作的環(huán)境的影響，導致角位移傳感器在接受信號的時候收到的干擾很大，這將嚴重的影響信號的準確性，考慮到角位移傳感器間接檢測的一些缺點，在本文中引入一種采用直線傳感器的測量方法。在原有的斷路器的操作機構的基礎上設計一種動觸頭的模擬滑塊，讓其與操動機構的輸入拐臂連接，最后再連接直線傳感器，實現(xiàn)滑塊的運動行程與動觸頭的運動行程呈現(xiàn)線性關系。圖3所示的是動觸頭模擬滑塊結構簡圖。

圖3 模擬滑塊結構簡圖

將圖3所示的滑塊的連桿的一端與滑塊相連，另一端與斷路器主軸相連的拐臂相連，最終形成如圖4所示的機構簡圖。

圖4 使用模擬滑塊后的結構簡圖

從圖4中可以看出當動觸頭做合/分閘運動時，滑塊在水平方向上做直線運動，根據(jù)運動原理而言，動觸頭與滑塊都是做的直線運動且從圖中的機構可知它們的運動行程都為L。

在原有的斷路器的機械結構上做出這樣的改造雖然會耗費更多的空間，但是這樣會為斷路器中的傳感器的安裝造就一種相對舒適的環(huán)境，這樣會大大地降低傳感器采集信息時所受的干擾，更為重要的是，這樣的改裝會將原有的非線性測量線性化，這樣使得測量結果更為準確，為后續(xù)斷路器控制系統(tǒng)中信號的分析處理提供了很大的便利。

3 斷路器在線檢測的流程及信號采集的電路設計

在斷路器控制系統(tǒng)中的機械特性的在線檢測中，運用傳感器采集信息，再將信號通過信號處理電路傳到微處理器上，將微處理器連接顯示器。通過這樣的流程將采集的信息通過圖像顯示出來，通過圖像可以清楚的可知斷路器動觸頭合/分閘的時間，動觸頭的振動情況等，從而達到在線檢測的目的。

對于斷路器的動觸頭的行程和振動情況的檢測采用直線位移傳感器，將直線位移傳感器安裝在模擬滑塊上；其檢測裝置框架圖如圖5所示。

圖5 斷路器機械特性在線檢測框架圖

本裝置通過測量模擬滑塊的行程和振動情況來達到測量斷路器動觸頭的行程和振動情況。由于模擬滑塊和斷路器的動觸頭的運動存在線性關系，因此通過測量模擬滑塊的行程可以較精確的得出斷路器動觸頭的合、分閘情況，本裝置就是根據(jù)這個理論依據(jù)而設計的。直線傳感器將接收到的模擬滑塊的運動信號傳到調理電路，信號經(jīng)過調理電路之后會將信號調理到處理器的A/D模塊的輸入的范圍之內，信號經(jīng)過A/D模塊的轉化，經(jīng)過這樣的一個流程之后處理器就可以得出斷路器動觸頭的行程曲線。

直線位移傳感器信號調理電路：

傳感器在采用+36V供電時，其輸出的直流電壓信號是0～10V。而本文中采用的處理器的A/D模塊只能接受0～5V的直流信號，這就需要使用調理電路將直流信號轉換到0～5V。調理電路如圖6所示。

圖6 直線位移傳感器輸出調理電路

使用調理電路主要是考慮到以下的幾個反面

（1）濾波信號。通過調理電路可以將較高的信號和有毛刺的信號處理掉，這樣就降低了信號的干擾，有效的提高率采樣的精度。

（2）達到同比例的縮放。在該調理電路中使用了運算發(fā)大器，這樣在增大信號的輸入阻抗的同時，也將電壓信號降低到了0～5V。

4 實驗結果及分析

為了有效的說明本文中研究方法的可行性，實驗室在離線的狀態(tài)下利用本文提出的傳感器的選擇和安裝方法，采集斷路器合閘和分閘的行程時間曲線圖，利用行程時間曲線圖計算出斷路器機械特性參數(shù)。實驗結果如下圖7，圖8和表1所示。

圖7 斷路器合閘時行程曲線圖形

表1 合閘時斷路器機械特性參數(shù)

圖8 分閘時動觸頭行程曲線

表2 斷路器機械特性固有參數(shù)

表2顯示的是斷路器說明書上機械特性的固有參數(shù)，通過圖7、圖8和表1可以得出斷路器機械特性參數(shù)，此參數(shù)與說明書上的參數(shù)基本相符。

5 結束語

本文采用模擬滑塊和直線位移傳感器對斷路器進行線性的在線檢測。利用模擬滑塊很好的解決了由于斷路器空間結構導致傳感器不便安裝的問題，同時利用滑塊與斷路器動觸頭運動的線性關系來安裝直線位移傳感器，傳感器采集的數(shù)據(jù)更好的反應斷路器的運動情況。實驗數(shù)據(jù)表明該裝置具有廣泛的應用價值。

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（編輯 李秀敏）

Online Detection of Mechanical Properties in Circuit Breaker Based on Analog Slider

CHEN Li，TANG Xiang-hong，ZHANG Shun
（Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology，Ministry of Education，Guizhou University，Guiyang 550003，China）

Aim at the situation of the sensors install inconveniently and detection of non-linear in the traditional online detection in the circuit breakers.This paper proposes a novel detection method.Introducing the concept of analog slider in the mechanical structure of circuit breakers.Using the linear relationship of simulation among the slider and the movable contact of the circuit breaker，the linear displacement transducer is mounted on the analog slider，At last，getting the trip curves of moving contacts.The experimental data show that the detection method has good application value.

circuit breaker；sensor；online detection；analog slider

TH165；TG659

A

1001-2265（2015）03-0115-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.031

2014-07-10；

2014-08-16

國家科技支撐計劃（2012BAF12B14）；貴州省重大科技專項（黔科合重大專項字（2012）6018）；貴州省科學技術基金項目（黔科合J字［2011］2196號）；貴州省工業(yè)攻關項目（黔科合GY字（2013）3020）；

陳力（1989—），男，湖北監(jiān)利縣人，貴州大學碩士研究生，研究方向為先進制造技術、自動控制，（E-mail）523731045@qq.com。