高壓斷路器機(jī)械特性的檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘 要：為了測試力傳感器的實際應(yīng)用效果，及驗證通過力信號可以實現(xiàn)斷路器機(jī)械特性的測量，設(shè)計了一種斷路器機(jī)械特性測試系統(tǒng)。將該系統(tǒng)進(jìn)行了軟件開發(fā)，采用C++Builder進(jìn)行匯編，并設(shè)計了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程圖。將斷路器分別進(jìn)行合閘和分閘的動作試驗來測試。利用該系統(tǒng)對斷路器機(jī)械特性進(jìn)行了在線測量和離線測量，結(jié)論表明，在線測量的精確度較高一些。

關(guān)鍵詞：斷路器；機(jī)械特性；在線測量；離線測量；力傳感器；開合閘

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.161

0 引言

斷路器是電力系統(tǒng)中重要電力設(shè)備，對電網(wǎng)有控制和保護(hù)的作用。電力系統(tǒng)供電的可靠性直接影響社會經(jīng)濟(jì)生活，一直是電力公司各部門所關(guān)注的重點(diǎn)。斷路器的檢修工作，則是保證斷路器作業(yè)可靠性的重要途徑[1-3]。經(jīng)過不斷的改進(jìn)和發(fā)展，斷路器的檢修由最初的事故檢修到計劃檢修，而實現(xiàn)狀態(tài)檢修已成為當(dāng)今電力運(yùn)行的潮流，即將檢修工作的進(jìn)行在發(fā)生故障之前。狀態(tài)檢修不僅可以判斷斷路器的實時運(yùn)行狀態(tài)，還可以對工作狀態(tài)起到預(yù)測作用。狀態(tài)檢修運(yùn)用的技術(shù)包括傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)等。當(dāng)斷路器實行在線檢測時，由于斷路器復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致故障發(fā)生概率較高，因此斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測便成為斷路器在線監(jiān)測的重要部分[2]。

1 實驗方案原理

本文設(shè)計了一個可以在線監(jiān)測斷路器機(jī)械性能的系統(tǒng)。在這個測試系統(tǒng)中，要對一些常用的機(jī)械特性進(jìn)行監(jiān)測和測量，包括觸頭行程、分合閘線圈電流等。除此之外，還包括主回路通斷測量及拉桿力測量。為了能在線獲取剛分剛合時刻點(diǎn)，用來進(jìn)行實際驗證，系統(tǒng)設(shè)計選用力傳感器，在研究傳感器性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計的斷路器監(jiān)測系統(tǒng)，可以使基于力傳感器測量時間的監(jiān)測系統(tǒng)有不同的數(shù)據(jù)，在實現(xiàn)基于主回路通斷測量的傳統(tǒng)測試的同時，又可實現(xiàn)基于力信號測量的在線測試，使其監(jiān)測系統(tǒng)的精度有了對比參照。

線圈電流、拉桿位移、主回路通斷開關(guān)量、拉桿力等都是檢測斷路器性能的重要參數(shù)。這些外部信號通過相應(yīng)傳感器進(jìn)行交換，傳送到信號調(diào)理單元調(diào)理成采集卡能采集的信號。這些模擬信號通過采集卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)對傳來的信號進(jìn)行處理、分析和計算，得到分合閘時間、行程、速度等斷路器機(jī)械特性參數(shù)。

實現(xiàn)主回路通斷測量的原理[5]如圖1所示。觸頭的注入電流由外部電流源提供，注入電流后，主回路開關(guān)閉合，采樣點(diǎn)Tout電壓呈現(xiàn)為高電平，電流經(jīng)過R2到達(dá)光耦開關(guān)，光耦開關(guān)TLP521.4為通路，Vout輸出端呈現(xiàn)高電平。當(dāng)主回路開關(guān)斷開時，采樣點(diǎn)Tout沒有電流流過，呈現(xiàn)低電平，光耦開關(guān)TLP521.4沒有流通電流，輸出端為低電平。而采集卡通過采集輸出端的高低電平，便可得到主回路的通斷，而主回路的通斷便是觸頭的合、分閘時刻。

對控制回路線圈電流的測量，對精度的要求較高?；魻栯娏鱾鞲衅?，是基于霍爾磁補(bǔ)償原理，具有較快的響應(yīng)時間和測量精度高等特點(diǎn)。本文所選用的霍爾電流傳感器，具有對直流采樣和跟蹤交流動態(tài)精確度高之優(yōu)點(diǎn)。

因霍爾電流傳感器是電流、電壓變換單元，為滿足監(jiān)測線圈電流的需要，將電流傳感器額定輸入在-10A到10A之間。設(shè)計外圍電路時，使其輸入輸出特性曲線呈現(xiàn)圖2的特點(diǎn)。

電流傳感器將對電流和電壓進(jìn)行線性變換，輸入電流，經(jīng)過線性變換成電壓，額定輸入電壓為-10A到10A之間，其相應(yīng)的輸出為1.031V-2.269V，零輸入為1.59V。t

AD變換器的作用為采樣，所以要求輸出電壓在AD的量程范圍之內(nèi)。而AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)的轉(zhuǎn)換芯片阻抗很小，采樣電阻的精度和穩(wěn)定性會很大的影響系統(tǒng)測量的精度。為了提高系統(tǒng)的測量精度，增加抗干擾能力，需加入射極跟隨器，既增加了輸入阻抗，又減小了輸出阻抗。去耦電容由電解電容和陶瓷電容組成，選在霍爾電流傳感器和射極跟隨電路的電源輸入點(diǎn)上，電容頻率特性、漏電流、容值和體積等各種因素的影響也不可忽視。同時，采集信號的過程中常常受到噪聲和環(huán)境的影響，所以真實信號的還原要用到濾波器。將RC低通濾波器安置在硬件電路中的輸入級別中，便可濾除采集信號中的干擾信號。截止頻率算法如下：

由奈奎斯特采樣定律可得，在對模擬信號進(jìn)行離散化時，采樣頻率和被分析的信號的最高頻率有關(guān)系，前者至少應(yīng)為后者的2倍，如果采樣頻率太低，高頻信號就會出現(xiàn)在低頻段，高頻信號和低頻信號都出現(xiàn)在低頻段，信號混疊影響了真實的頻率。為了防止高頻信號進(jìn)入低頻段，選用低通濾波器。在未離化的信號中濾除高于1/2采樣頻率的頻率成份，就可以防止高頻信號進(jìn)入低頻段，采樣精度提高。

2 軟件介紹

上位機(jī)主要用來實現(xiàn)采集卡的模擬量采集、分合閘時間的計算，分合閘線圈電流、位移、拉桿力的采集等等。下面重點(diǎn)介紹如何實現(xiàn)采集卡采集的程序。數(shù)據(jù)采集程序的開發(fā)程序使用的是C++Builder，其中由數(shù)據(jù)采集卡提供的是API開發(fā)包。

具體流程圖如圖3：

系統(tǒng)給電后，板卡進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集相關(guān)的設(shè)置，包括設(shè)置采樣的通道數(shù)、采樣頻率，通過軟件觸發(fā)開始數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)存入文件系統(tǒng)中。根據(jù)需要是否進(jìn)行循環(huán)多次采樣，循環(huán)采樣通過定時器功能實現(xiàn)。

3 測試系統(tǒng)實驗分析

測試系統(tǒng)的試驗是利用開發(fā)的斷路器測試系統(tǒng)，通過將斷路器分別進(jìn)行合閘還有分閘的動作試驗來測試。其主要目的是通過獲取主回路的通路和斷路時動作的時間來對比，可以當(dāng)做捕捉力信號的時間的對比，而被獲取的力信號是捕捉在斷路器運(yùn)動過程中，可以將實際測試的曲線與仿真模擬出來的曲線進(jìn)行對比和分析，從而判斷仿真模擬分析的準(zhǔn)確性，打下基礎(chǔ)以便進(jìn)一步進(jìn)行力信號的處理。本次分別對于合閘的動作和分閘的動作進(jìn)行了多次試驗，測試出多組數(shù)據(jù)對比。

由實驗結(jié)果看出，三相曲線類似。用A相的實際拉桿力曲線和仿真曲線進(jìn)行對比說明。在進(jìn)行仿真測試的過程中A相在合閘動作過程中產(chǎn)生的拉桿力如圖4所示。對于實際分閘力曲線來說，分析實際測試工程中獲得的曲線，大致有三個不同的階段：第一是超行程階段，是從開始下降一直到分閘動作過程中剛分的那一瞬間，這個階段測試的分閘力是碟簧力和彈簧力的合力，將動觸頭和靜觸頭瞬間分開。第二是在分閘動作剛分開時，在力的作用下動觸頭和靜觸頭還在分開，而因為彈簧的作用，力的信號逐漸減弱，直到斷路器接觸到液壓緩沖器，力又開始轉(zhuǎn)折上升，這是分閘之后的緩沖之前的階段。第三是到達(dá)了緩沖階段，斷路器的傳動機(jī)構(gòu)在接觸到液壓緩沖器之后，開始進(jìn)行空行程的緩沖階段，運(yùn)動開始減慢直至逐漸停止。在仿真測試中和實際試驗中，在沒有接觸到液壓緩沖器之前，只有彈簧力作用時二者的曲線和實驗數(shù)據(jù)的規(guī)律是基本一致的。所以根據(jù)實驗曲線和結(jié)果的想比較得出的結(jié)論是：在合閘動作進(jìn)行時，拉桿力測得的曲線在平穩(wěn)的波動過程中突然開始上升的變化的店就是合閘進(jìn)行的瞬時時刻。在分閘動作進(jìn)行中，傳動機(jī)構(gòu)從開始下降一直到分閘動作過程中剛分的那一瞬間，就是分閘時刻。通過分析實際曲線和仿真曲線的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，來計算出斷路器分閘和合閘的臨界時刻，便可以實現(xiàn)在線測量斷路器的機(jī)械特性。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有斷路器機(jī)械特性在線測量，為了解決傳統(tǒng)離線測量存在精確度低的問題，提出了采用拉桿力信號進(jìn)行剛分剛合時刻獲取的方法。通過實驗仿真，分別對斷路器機(jī)械特性進(jìn)行了在線測量和離線測量，得出在線測量的準(zhǔn)確度比離線測量的準(zhǔn)確度略佳。

為了實現(xiàn)力信號的采集。本文設(shè)計的可以用于斷路器機(jī)構(gòu)內(nèi)部力測量的拉桿力傳感器和采集電路，在拉桿力傳感器測試成功以后，將它和實驗所用斷路器連在一起進(jìn)行實際在線測量斷路器的機(jī)械特性。實驗表明，模擬測量實現(xiàn)了測量離線過程中的分閘的時間和合閘的時間，實際測量又在實際斷路器傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中獲得了力產(chǎn)生的信號，通過對比發(fā)現(xiàn)和模擬仿真測量中獲得的信號基本吻合。

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