陳 力，唐向紅，張 順

（貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550003）

基于模擬滑塊的斷路器機(jī)械特性在線檢測*

陳 力，唐向紅，張 順

（貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550003）

針對(duì)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(jī)械結(jié)構(gòu)的惰況下引入模擬滑塊的理念，利用模擬滑塊和斷路器動(dòng)觸頭之間運(yùn)動(dòng)的線性關(guān)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(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)行程曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該檢測方法具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

斷路器；傳感器；在線檢測；模擬滑塊

0 引言

斷路器在整個(gè)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(yùn)行質(zhì)量會(huì)直接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性。斷路器工作的故障70%都是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能不良造成的，因此有效的對(duì)斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)的在線檢測就顯得尤為重要。斷路器的機(jī)械特性主要包括斷路器的時(shí)間特性、速度特性和行程特性，這些特性都可以在斷路器動(dòng)觸頭的行程時(shí)間曲線中反映出來。

文獻(xiàn)［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(hào)，這類檢測方法采集的是斷路器中主軸的旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，利用旋轉(zhuǎn)主軸與動(dòng)觸頭運(yùn)行之間的非線性關(guān)系，再結(jié)合數(shù)學(xué)方法得出斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)情況。文獻(xiàn)［2-4］采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來對(duì)斷路器進(jìn)行故障檢測，該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)輸電電壓進(jìn)行定位從而來判斷斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況。文獻(xiàn)［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(jī)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(shí)候，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生極電反應(yīng)，在其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而根據(jù)傳感器采集的電壓信號(hào)來判斷斷路器的機(jī)械特性。這類檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)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(dǎo)致檢測結(jié)果失真。文獻(xiàn)［7，8］采用的是利用溫度環(huán)境來測量斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，這類測量方法準(zhǔn)確度較高，但是它對(duì)于環(huán)境的要求極高，很容易導(dǎo)致測量誤差。

長久以來，由于斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)［9-11］的限制，給傳感器的有效安裝帶來了不便，上文文獻(xiàn)中提到的在線檢測方法都沒有考慮到這個(gè)問題，同時(shí)這類檢測都是采用的非線性檢測方法。本文中針對(duì)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(yùn)動(dòng)與斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)之間的線性關(guān)系來得到斷路器動(dòng)觸頭的行程曲線。實(shí)驗(yàn)表明，本文中提出的檢測方法有很好的實(shí)用性。

1 斷路器基本機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性檢測的內(nèi)容

斷路器的機(jī)械構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況比較簡單，主要是斷路器的動(dòng)觸頭的合/分閘過程，而斷路器的合/分閘過程是由整個(gè)操動(dòng)系統(tǒng)完成的，操動(dòng)系統(tǒng)是由操動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、提升變直機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 操動(dòng)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(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)周期和速度等達(dá)到要求，因此本文中提出的斷路器機(jī)械特性檢測就包含一下幾個(gè)檢測項(xiàng)目：

（1）斷路器動(dòng)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(shí)間—包含合/分閘時(shí)間，主、輔觸頭動(dòng)作時(shí)間；

（3）斷路器動(dòng)觸頭速度—包含動(dòng)觸頭速度曲線、動(dòng)觸頭剛合/分時(shí)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(duì)斷路器進(jìn)行機(jī)械特性的檢測，就必須要有效的獲取斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。近年來，在斷路器控制系統(tǒng)中為了有效的獲取其動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，傳感器的使用越來越廣泛，由于斷路器的工作環(huán)境是機(jī)構(gòu)箱的空間小而且結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)之間的角速度和線速度的關(guān)系通過換算得出的測量結(jié)果，因此其測量結(jié)果與斷路器動(dòng)觸頭的行程軌跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系是非線性的，這種測量只適合對(duì)于測量精度要求不高的場合，當(dāng)對(duì)于測量精度要求很高時(shí)，當(dāng)測量要求很高時(shí)，對(duì)測試分析的硬件的要求會(huì)很高。原有的斷路器操動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖

圖2為斷路器操動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)行程來計(jì)算動(dòng)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(dǎo)致角位移傳感器在接受信號(hào)的時(shí)候收到的干擾很大，這將嚴(yán)重的影響信號(hào)的準(zhǔn)確性，考慮到角位移傳感器間接檢測的一些缺點(diǎn)，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(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種動(dòng)觸頭的模擬滑塊，讓其與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入拐臂連接，最后再連接直線傳感器，實(shí)現(xiàn)滑塊的運(yùn)動(dòng)行程與動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)行程呈現(xiàn)線性關(guān)系。圖3所示的是動(dòng)觸頭模擬滑塊結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3 模擬滑塊結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)簡圖。

圖4 使用模擬滑塊后的結(jié)構(gòu)簡圖

從圖4中可以看出當(dāng)動(dòng)觸頭做合/分閘運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊在水平方向上做直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)原理而言，動(dòng)觸頭與滑塊都是做的直線運(yùn)動(dòng)且從圖中的機(jī)構(gòu)可知它們的運(yùn)動(dòng)行程都為L。

在原有的斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)上做出這樣的改造雖然會(huì)耗費(fèi)更多的空間，但是這樣會(huì)為斷路器中的傳感器的安裝造就一種相對(duì)舒適的環(huán)境，這樣會(huì)大大地降低傳感器采集信息時(shí)所受的干擾，更為重要的是，這樣的改裝會(huì)將原有的非線性測量線性化，這樣使得測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，為后續(xù)斷路器控制系統(tǒng)中信號(hào)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(hào)采集的電路設(shè)計(jì)

在斷路器控制系統(tǒng)中的機(jī)械特性的在線檢測中，運(yùn)用傳感器采集信息，再將信號(hào)通過信號(hào)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(dòng)觸頭合/分閘的時(shí)間，動(dòng)觸頭的振動(dòng)情況等，從而達(dá)到在線檢測的目的。

對(duì)于斷路器的動(dòng)觸頭的行程和振動(dòng)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(jī)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(dòng)情況來達(dá)到測量斷路器動(dòng)觸頭的行程和振動(dòng)情況。由于模擬滑塊和斷路器的動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)存在線性關(guān)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(dòng)觸頭的合、分閘情況，本裝置就是根據(jù)這個(gè)理論依據(jù)而設(shè)計(jì)的。直線傳感器將接收到的模擬滑塊的運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳到調(diào)理電路，信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路之后會(huì)將信號(hào)調(diào)理到處理器的A/D模塊的輸入的范圍之內(nèi)，信號(hào)經(jīng)過A/D模塊的轉(zhuǎn)化，經(jīng)過這樣的一個(gè)流程之后處理器就可以得出斷路器動(dòng)觸頭的行程曲線。

直線位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路：

傳感器在采用+36V供電時(shí)，其輸出的直流電壓信號(hào)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(hào)，這就需要使用調(diào)理電路將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換到0～5V。調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 直線位移傳感器輸出調(diào)理電路

使用調(diào)理電路主要是考慮到以下的幾個(gè)反面

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

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了有效的說明本文中研究方法的可行性，實(shí)驗(yàn)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(shí)間曲線圖，利用行程時(shí)間曲線圖計(jì)算出斷路器機(jī)械特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖7，圖8和表1所示。

圖7 斷路器合閘時(shí)行程曲線圖形

表1 合閘時(shí)斷路器機(jī)械特性參數(shù)

圖8 分閘時(shí)動(dòng)觸頭行程曲線

表2 斷路器機(jī)械特性固有參數(shù)

表2顯示的是斷路器說明書上機(jī)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(jī)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(jié)束語

本文采用模擬滑塊和直線位移傳感器對(duì)斷路器進(jìn)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳感器不便安裝的問題，同時(shí)利用滑塊與斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的線性關(guān)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(yīng)斷路器的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該裝置具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉發(fā)英，蘇秀蘋.角位移傳感器在智能斷路器機(jī)械特性測試中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2013，41（12）：121-125.

［2］Shariatinasab Reza，Akbari Mohsen，Aghaebrahimi MR.A novel wavelet.neural network method for fault location analysis on transmission lines［J］.Proceedings of the Mediterranean Electrotechnical Conference，2012：963-966.

［3］郭鳳儀，馬文龍，李斌.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在斷路器故障診斷中的應(yīng)用［J］.傳感器與搬系統(tǒng)，2010，29（9）：128-130.

［4］陳偉根，范海爐，王有元，等.基于小波能量與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷路器振動(dòng)信號(hào)識(shí)別方法［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（2）：29-32.

［5］韓軍.高壓斷路器在線檢測技術(shù)的探究［J］.科技技術(shù)應(yīng)用，2013（7）：670-689.

［6］李艷，李新娥，裴東興.應(yīng)變式壓力傳感器及其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2007，34（12）：32-33.

［7］王昭.斷路器觸頭溫度-行程在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［M］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［8］劉明光，高世勤，徐新社，等.真空斷路器觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2002，24（1）：39-42.

［9］李昊渂，林莘.126KV真空斷路器永磁擺角電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014（6）：135-140.

［10］趙振，張樹有.低壓斷路器分?jǐn)噙^程電磁-運(yùn)動(dòng)耦合問題求解［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，45（11）：1913-1919.

［11］丁鍵，趙宇，吳洪濤，等.含多運(yùn)動(dòng)副間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（5）：9-13.

（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(jì)劃（2012BAF12B14）；貴州省重大科技專項(xiàng)（黔科合重大專項(xiàng)字（2012）6018）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（黔科合J字［2011］2196號(hào)）；貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（黔科合GY字（2013）3020）；

陳力（1989—），男，湖北監(jiān)利縣人，貴州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)控制，（E-mail）523731045@qq.com。