計(jì)及隨機(jī)誤差的高壓斷路器機(jī)械參數(shù)測試儀的研究

劉 暢，田國健，黨 克，劉曉峰

（1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)遼源供電公司，吉林 遼源 136200）

高壓斷路器機(jī)械參數(shù)是判斷斷路器性能的重要參數(shù)之一，在安裝投入運(yùn)行前或檢修后，按GB 1984—2003《高壓交流斷路器通用技術(shù)條件》和DL／T 846—2004《高電壓測試設(shè)備通用技術(shù)條件》要求必須進(jìn)行機(jī)械參數(shù)測試，其中包括：動觸頭行程、速度，固有合／分閘時間、合／分閘不同期等參數(shù)。目前，在我國電力行業(yè)中雖然斷路器機(jī)械參數(shù)測試儀的種類很多，但都是以單片機(jī)為核心器件［1－4］，受單片機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，這類測試儀存在以下3個問題：單片機(jī)不能在同一時刻對高壓斷路器A、B、C 三相的3或6個斷口進(jìn)行固有合／分閘時間的測量，不能滿足GB 1984—2003和DL／T 846—2004的要求；單片機(jī)的定時器與斷路器不能在同一時刻啟動，造成測試結(jié)果存在系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差；為了獲得斷路器斷口合／分閘狀態(tài)信息，現(xiàn)有的高壓斷路器機(jī)械參數(shù)測試儀對斷路器進(jìn)行測試時，用導(dǎo)線將斷路器的斷口與測試儀器連接在一起，電磁干擾信號就通過導(dǎo)線傳導(dǎo)到測試儀器上，雖然測試儀器內(nèi)部采用光耦器件進(jìn)行隔離，但是在110kV 以上電壓等級場地進(jìn)行測試時，因電磁干擾測試結(jié)果有較大的隨機(jī)誤差，可能導(dǎo)致測試儀器不能正常工作。

［5－6］提出的設(shè)計(jì)方案以單片機(jī)作為系統(tǒng)核心器件，現(xiàn)場可編程門陣列（PFGA）作為數(shù)據(jù)處理單元，解決了第一個問題，但抗干擾問題未能解決；另外，此類設(shè)計(jì)軟、硬件都很復(fù)雜，屬于高壓斷路器在線運(yùn)行監(jiān)測設(shè)備，在安裝或檢修現(xiàn)場不能使用。參考文獻(xiàn)［7］提到的無線通訊方式，在強(qiáng)電磁場干擾下，無線通訊也存在較大的現(xiàn)隨機(jī)誤差。

本文提出以FPGA為核心器件、光纖通訊為輔助手段的便攜式高壓斷路器機(jī)械參數(shù)測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)及其框圖

主要技術(shù)指標(biāo)：測量高壓斷路器1～6個斷口的合／分閘時間，同相不同期時間以及相間不同期時間。時間分辨率1μs；測量高壓斷路器的全行程、空行程和接觸行程。行程分辨率0.2mm；測量高壓斷路器的最大合／分閘速度、剛分／合閘速度；測量真空斷路器的反彈及全行程。行程分辨率0.2mm；測量真空斷路器的彈跳時間、速度，時間分辨率1μs。

本測試系統(tǒng)由FPGA 器件（EP1C12Q）、光纖通訊模塊、斷路器啟動模塊、位移傳感器、LCD 觸摸屏、微型打印機(jī)6部分構(gòu)成。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 EP1C12Q 的開發(fā)

根據(jù)FPGA 的硬件并行特點(diǎn)，利用VHDL 語言開發(fā)各功能模塊，實(shí)現(xiàn)控制信息的同步傳遞、多個斷路器斷口時間量的同時測量等功能。FPGA 內(nèi)部VHDL語言“硬核”為：斷口時間采集與處理模塊，動觸頭位移采集與處理模塊，異步串口通訊（UART）模塊，LCD 觸摸屏驅(qū)動模塊，微型打印機(jī)驅(qū)動模塊等。這些模塊集成在EP1C12Q 內(nèi)部，使測試系統(tǒng)集成度高，電路簡單，提高了測試系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力。

1.2 光纖通訊模塊

對斷路器進(jìn)行斷口時間測試時，光纖發(fā)送器安裝在斷路器斷口上，光纖接收器安裝在測試儀面板上，斷路器與測試儀通過光纖進(jìn)行信息傳遞。當(dāng)斷路器斷口閉合時，光纖發(fā)送器HFBT－1521發(fā)光，光纖接收器HFBR－2521輸出高電平；當(dāng)斷路器斷口斷開時，光纖接收器HFBR－2521 輸出低電平?？梢姡霉饩€通訊技術(shù)既可以準(zhǔn)確、同步采集斷路器運(yùn)行狀態(tài)信息，又能阻斷斷路器上的電磁干擾信號到達(dá)測試儀的有效通道，提高了測試儀在強(qiáng)電磁場環(huán)境下的抗干擾能力。

1.3 斷路器啟動電路

斷路器啟動電路由FPGA 器件、交流控制模塊、直流控制模塊、整流蓄能模塊構(gòu)成。斷路器啟動電路以EP1C12Q為核心，在EP1C12Q 控制下將交流有序的轉(zhuǎn)變成直流，為斷路器合／分閘動作提供操作直流電源。

2 系統(tǒng)原理

EP1C12Q為本測試儀核心器件，當(dāng)用戶在LCD觸摸屏菜單上選擇：“同期測試”、“SF6斷路器測試”或“真空斷路器測試”功能時，EP1C12Q 開啟斷路器啟動電路的交流控制模塊，整流蓄能模塊儲能。當(dāng)用戶在第二層菜單上進(jìn)行合閘或分閘操作時，EP1C12Q同時啟動其內(nèi)部的時間測量模塊、位移測量功能模塊、斷路器啟動電路的直流控制模塊，實(shí)現(xiàn)被測斷路器與測試儀同步啟動，消除由于斷路器與測試儀不同步產(chǎn)生的隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差。當(dāng)用戶在觸摸屏的第三層菜單選擇顯示測試結(jié)果或打印測試結(jié)時，EP1C12Q關(guān)斷啟動電路的交直流模塊，輸出測試結(jié)果。每層菜單上都有復(fù)位操作控件，選擇復(fù)位時EP1C12Q取消一切操作，測試儀返回主界面。

2.1 時間測試原理

當(dāng)測試系統(tǒng)發(fā)出合閘命令時，EP1C12Q 啟動各個斷口的“VHDL時間測試模塊”，記錄各個斷口的固有合閘時間。當(dāng)該相斷口閉合時，光纖接收器HFBR－2521立即收到光纖發(fā)送器HFBT－1521發(fā)出的斷口閉合信息，EP1C12Q 結(jié)束對該斷口的時間測量。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊，可以得到斷路器的合閘彈跳次數(shù)、彈跳時間、相間不同期時間、同相不同期時間等參數(shù)。

2.2 行程、速度測試原理

位移測量采用旋轉(zhuǎn)編碼器。編碼器安裝在斷路器的傳動機(jī)構(gòu)上，當(dāng)進(jìn)行合／分閘操作時，斷路器傳動機(jī)構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器將位移量轉(zhuǎn)換成0、1數(shù)字信號，每個0、1脈沖周期為0.2mm。斷路器進(jìn)行合分閘操作時，“VHDL 位移測試模塊”記錄旋轉(zhuǎn)編碼器正反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)量，經(jīng)換算可得到動觸頭的全行程，再與該斷口合／分閘時間配合，可以計(jì)算出動觸頭的空行程、接觸行程、最大速度、剛分＼剛合速度等參數(shù)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的測試儀人機(jī)交互是通過LCD 觸摸屏完成的。用戶通過LCD 觸摸屏向FPGA 發(fā)出控制命令，F(xiàn)PGA 將測試結(jié)果顯示在LCD 觸摸屏上，打印機(jī)輸出測試結(jié)果用于技術(shù)資料存檔。主程序框圖如圖2所示。

圖2 測試儀主程序框圖

4 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決

4.1 多個斷口同時測量問題

FPGA 是硬件并行器件，其每個I／O 都可以獨(dú)立運(yùn)行。利用FPGA 不同的I／O 記錄高壓斷路器不同斷口的合分閘時間，這樣，可以真實(shí)反應(yīng)斷路器合分閘動作的全過程；另外，F(xiàn)PGA 的I／O 資源豐富，不需要I／O 口擴(kuò)展，可以直接驅(qū)動外圍電路，使系統(tǒng)電路簡單，集成度高，F(xiàn)PGA 器件代替單片機(jī)是解決此類問題的理想方案。

4.2 接觸式測量帶來的干擾問題

使用現(xiàn)有的便攜式高壓斷路器測試儀時，為了獲得斷路器斷口信息必須用導(dǎo)線將斷路器斷口與測試儀器連接在一起，這種測量方法會將斷路器上較強(qiáng)的感應(yīng)靜電引導(dǎo)到測試儀器上。為了解決電磁干擾問題，本系統(tǒng)采用光纖通訊技術(shù)傳遞斷路器斷口的狀態(tài)信息，使斷路器與測試儀隔離，這樣，斷路器斷口上的感應(yīng)靜電就不會通過光纖傳導(dǎo)到測試儀器上，可以有效解決接觸式測量帶來的干擾問題。

4.3 動觸頭正反轉(zhuǎn)問題

斷路器在動作過程中，由于慣性的原因，存在過沖現(xiàn)象。斷路器的行程是以位移來計(jì)算的，如果不能區(qū)分正反轉(zhuǎn)用路程代替位移，就會造成測試結(jié)果錯誤。本測試系統(tǒng)采用高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器作為行程測試的傳感器，該編碼器有兩路輸出信號，互差90°。根據(jù)編碼器輸出信號的特點(diǎn)，利用VHDL 語言設(shè)計(jì)一個單進(jìn)程狀態(tài)機(jī)，即可以記錄斷路器動觸頭位移，又能記錄其正反方向。

4.4 觸頭彈跳的問題

觸頭彈跳是指動、靜觸頭多次從分開到接觸，最后接觸并相對靜止的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在斷路器合閘操作時普遍存在。在VHDL 程序中，記錄動、靜觸頭第一次與最后一次接觸的時間，其差值即為彈跳時間。若差值為零，表示無彈跳。

4.5 測試儀的誤操作問題

為了解決現(xiàn)場測試時由于選擇不當(dāng)或不認(rèn)真操作使斷路器誤動，本測試系統(tǒng)采用觸摸屏漢字提示的引導(dǎo)操作方式。每次觸摸操作都會彈出相應(yīng)操作的提示信息和注意事項(xiàng)，不相關(guān)選項(xiàng)將會隱藏，避免誤操作。

5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方案，完成了本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與軟件調(diào)試，并在220kV 變電所使用樣機(jī)對SF6斷路器進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。測試結(jié)果與廠家提供的斷路器技術(shù)資料比對，本測試系統(tǒng)完全滿足電力行業(yè)的要求。另外，只有在新建變電所設(shè)備安裝時才具備對FS6 斷路器的行程與速度進(jìn)行測試條件，因此，本次測試結(jié)果不包括行程與速度參數(shù)。

6 結(jié)束語

本文論述了計(jì)及隨機(jī)誤差的高壓斷路器機(jī)械參數(shù)測試儀的設(shè)計(jì)方案，此方案可以消除由于斷路器與測試儀不能同步啟動所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，符合DL／T 846—2004、GB 1984—2003 對高壓斷路器的測試要求。該方案硬件電路簡單、可靠，操作方便，便于攜帶，適合檢修現(xiàn)場使用。實(shí)際應(yīng)用表明，該測試儀工作穩(wěn)定，技術(shù)先進(jìn)，具有推廣價(jià)值，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 西安LW25－363／Y型斷路器試驗(yàn)數(shù)據(jù) ms

參考文獻(xiàn)：

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