肖 鵬，王 林，余曉曦

（中國測試技術(shù)研究院電子研究所，四川 成都 610021）

0 引 言

為保證高壓開關(guān)安全運行，必須用高壓開關(guān)機械特性測試儀對其機械特性進行測試，了解高壓開關(guān)的各種參數(shù)是否正常，從而進行相應(yīng)的維護檢修。高壓開關(guān)機械特性測試儀能夠?qū)Ω邏洪_關(guān)的合、分閘時間、彈跳時間、速度、行程等參數(shù)進行測量[1]。由于行程便于校驗，速度則是根據(jù)行程和時間參數(shù)來確定的，所以測試儀最主要的技術(shù)指標就是時間參數(shù)的準確度。目前，測試儀沒有專用標準器，各生產(chǎn)廠家所用的校驗方法也不盡相同[2-3]。

針對這種現(xiàn)狀研制了高壓開關(guān)機械特性測試儀的校驗裝置，可對高壓開關(guān)機械特性測試儀的各時間參數(shù)進行校準。本裝置應(yīng)用CPLD和MCU聯(lián)合控制機制，通過MCU控制高速切換開關(guān)來模擬高壓開關(guān)合閘、分閘以及彈跳動作，同時利用CPLD高速計時的特點，對整個合、分閘及彈跳時間等進行校準。

1 原理及功能概述

本裝置由AVR微控制器、CPLD控制電路、人機接口電路（鍵盤和液晶）、觸頭動作模擬器電路和動作觸發(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)定好的動作方式與時間通過SPI總線方式傳遞給CPLD，由CPLD內(nèi)部的邏輯來控制觸頭動作模擬器進行動作。當(dāng)高壓開關(guān)機械特性測試儀啟動測試信號后，通過隔離單元觸發(fā)CPLD依據(jù)設(shè)定時間控制觸頭動作模擬器做預(yù)定動作，然后CPLD依據(jù)反饋信號開始計時，同時高壓開關(guān)特性測試儀檢測觸頭電壓信號從而進行校準。下面以合、分閘時間和彈跳時間分析裝置的工作過程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 合、分閘時間校驗

當(dāng)校驗裝置模擬合閘動作時，具體工作時序如圖2所示。觸頭初始狀態(tài)處于開路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測試儀發(fā)出合閘信號時，測試儀產(chǎn)生一個正脈沖，從脈沖的上升沿T0時刻開始計時，當(dāng)設(shè)置的合閘時間T1時刻到來時，由CPLD發(fā)出控制信號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)測試儀完成合閘時間測試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時，實際合閘時間不是T1-T0而是T2-T0，所以必須利用觸頭合閘反饋信號CPLD_FA對合閘時間進行回測，利用CPLD門電路的特點，依據(jù)時序在CPLD中設(shè)計計數(shù)邏輯，對高精度的有源晶振進行計數(shù)，從而得到標準合閘時間。分閘時間校準過程與上述原理一樣。

圖2 合閘時間的工作時序

1.2 彈跳時間校驗

校驗裝置模擬彈跳動作時，具體工作時序如圖3所示。觸頭間初始狀態(tài)處于開路狀態(tài)，即兩觸頭（A+、A-）間為高電平；當(dāng)測試儀發(fā)出合閘信號，從脈沖的上升沿T0時刻開始計時，當(dāng)設(shè)置的合閘時間T1時刻到來時，由CPLD發(fā)出控制信號CPLD_A產(chǎn)生一個脈沖抖動信號，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時刻的高電平變?yōu)榈碗娖剑琓3時刻又變?yōu)楦唠娖?，T5時刻又變?yōu)檫壿嫷碗娖?，從而觸發(fā)測試儀完成合閘時間測試。由于觸頭模擬器電路有一定的延時，實際彈跳時間不是T5-T2而是T4-T1，所以必須利用觸頭合閘反饋信號CPLD_FA對合閘時間進行回測。裝置模擬了從校準正脈沖上沿出現(xiàn)時開始的開關(guān)觸頭閉合的接觸振蕩，至正脈沖下沿出現(xiàn)時刻的觸頭最后一次分離后的重新接觸，符合有關(guān)標準對合閘彈跳時間的定義。

圖3 彈跳時間的工作時序

測試儀可對被測開關(guān)的合、分閘時間、三相不同期時間、彈跳時間等參數(shù)進行測量，基本量是合閘分閘時間和彈跳時間，其他量可通過基本量運算后得出。因此該校驗裝置設(shè)計了A、B、C三路觸頭模擬電路和相應(yīng)的時間測量電路，根據(jù)設(shè)置三路不同的合閘時間，便可以得到三相不同期的時間參數(shù)。

2 關(guān)鍵單元電路的設(shè)計分析

2.1 觸頭動作模擬器和隔離單元

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

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

圖4 觸頭動作模擬器電路

測試儀觸發(fā)計時信號采用高速光耦6N137進行隔離，由于采用高速光耦6N137，該光耦導(dǎo)通時間是納秒級，所以對于0.01ms的校準可以忽略不計。這樣不僅不會影響測量的精度，同時還實現(xiàn)了校準裝置與測試儀的電氣隔離。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

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

2.2.1 CPLD與MCU的邏輯設(shè)計

MCU和CPLD采用SPI總線方式進行通信，其中AVR單片機作為主設(shè)備，CPLD作為從設(shè)備，當(dāng)MCU主動去向CPLD寫命令參數(shù)時，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D觸發(fā)器將MCU的命令傳遞給CPLD；當(dāng)MCU主動去讀取CPLD的計時參數(shù)時，在CPLD內(nèi)部的邏輯其實是先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)然后通過SPI總線傳遞給MCU[4-5]。

2.2.2 CPLD控制和計時邏輯

CPLD控制和計時邏輯的邏輯電路框圖如圖6所示。從MCU傳遞來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間設(shè)定控制字一方面通過譯碼控制觸頭模擬器電路按照設(shè)定時間動作；另一方面對3種使能邏輯（合閘、分閘及彈跳的計時使能邏輯）進行譯碼，最終得到計數(shù)的使能信號；命令寄存器的復(fù)位控制字在每次計數(shù)前對計數(shù)模塊清零。計數(shù)模塊時鐘輸入端采用帶溫度補償?shù)母呔染д?，計?shù)使能信號的上升沿鎖存最終的計數(shù)值，然后輸出到時間寄存器中供MCU讀取顯示。

圖6 計時邏輯電路框圖

3 測試結(jié)果及不確定度評定

3.1 測試結(jié)果

用一臺413D型毫秒儀對高壓開關(guān)機械特性測試儀校驗裝置合閘時間進行校驗，測試數(shù)據(jù)如表1所示，測試絕對誤差≤±0.02ms。

表1 測試數(shù)據(jù)

3.2 不確定度評定

因篇幅所限，本文僅對合閘時間校準的測量不確定度作評定。開關(guān)特性測試儀合閘時間校準的測量不確定度來源主要有：測量值不重復(fù)引入的不確定度；標準裝置引入的不確定度；開關(guān)特性測試儀分辨率引入的不確定度[6-9]。合閘時間的數(shù)學(xué)模型為

式中：EX——校驗裝置的示值；

ES——毫秒儀示值；

δ1——測量重復(fù)性引入的誤差；

δ2——校驗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，對毫秒儀100 ms進行10次穩(wěn)定性合閘時間測量，所得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 重復(fù)性測試數(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

所得標準差為

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

合成標準不確定度的計算：由于各個不確定度分量不相關(guān)，各靈敏度系數(shù)為1，所以合成標準不確定度為

4 結(jié)束語

本裝置已對多種型號高壓開關(guān)機械特性測試儀進行校準，長期使用證明，其完全滿足測試儀合、分閘時間及彈跳時間的校準要求，可以開展高壓開關(guān)機械特性測試儀的校準工作。本裝置采用光繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁繼電器，不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化控制，而且大大提高了測試校驗精度，具有操作簡單、方便等優(yōu)點。

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