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)斷路器機械特性的測量，設(shè)計了一種斷路器機械特性測試系統(tǒng)。將該系統(tǒng)進行了軟件開發(fā)，采用C++Builder進行匯編，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)對斷路器機械特性進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)有控制和保護的作用。電力系統(tǒng)供電的可靠性直接影響社會經(jīng)濟生活，一直是電力公司各部門所關(guān)注的重點。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)檢修已成為當今電力運行的潮流，即將檢修工作的進行在發(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)檢修運用的技術(shù)包括傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)等。當斷路器實行在線檢測時，由于斷路器復雜的機械結(jié)構(gòu)，導致故障發(fā)生概率較高，因此斷路器機械特性的在線監(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)測斷路器機械性能的系統(tǒng)。在這個測試系統(tǒng)中，要對一些常用的機械特性進行監(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，用來進行實際驗證，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。上位機對傳來的信號進行處理、分析和計算，得到分合閘時間、行程、速度等斷路器機械特性參數(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Tout電壓呈現(xiàn)為高電平，電流經(jīng)過R2到達光耦開關(guān)，光耦開關(guān)TLP521.4為通路，Vout輸出端呈現(xiàn)高電平。當主回路開關(guān)斷開時，采樣點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?，是基于霍爾磁補償原理，具有較快的響應(yīng)時間和測量精度高等特點。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。

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。

電流傳感器將對電流和電壓進行線性變換，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入低頻段，采樣精度提高。

2 軟件介紹

上位機主要用來實現(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，板卡進行初始化，然后進行數(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行對比和分析，從而判斷仿真模擬分析的準確性，打下基礎(chǔ)以便進一步進行力信號的處理。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行對比說明。在進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。第三是到達了緩沖階段，斷路器的傳動機構(gòu)在接觸到液壓緩沖器之后，開始進行空行程的緩沖階段，運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行的瞬時時刻。在分閘動作進行中，傳動機構(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和不同點，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械特性。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有斷路器機械特性在線測量，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，分別對斷路器機械特性進行了在線測量和離線測量，得出在線測量的準確度比離線測量的準確度略佳。

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行實際在線測量斷路器的機械特性。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構(gòu)運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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