周蘭蘭 李 華

高壓斷路器碟簧特性測試系統(tǒng)的設(shè)計

周蘭蘭 李 華

（山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261053）

本文設(shè)計一種高壓斷路器液壓彈簧操動機構(gòu)碟簧特性測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)以PIC16F877A單片機為主控制器，利用拉線式模擬位移傳感器和壓力變送器完成碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓的測量，結(jié)合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設(shè)備實現(xiàn)人機交互。硬件方面合理地設(shè)計了調(diào)理電路，并在軟件設(shè)計中進(jìn)行數(shù)字濾波處理，軟硬件相結(jié)合，減小了隨機測量誤差，提高了測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。測試系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測試結(jié)果準(zhǔn)確，滿足現(xiàn)場測試要求。

高壓斷路器；碟簧特性；測試系統(tǒng)；單片機；系統(tǒng)校準(zhǔn)

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，是在正?；蚬收锨闆r下接通或斷開高壓電路的專用電器，在保障電力系統(tǒng)的安全方面起關(guān)鍵作用。在高壓斷路器的生產(chǎn)及使用維護(hù)過程中，對儲能碟簧的特性進(jìn)行測量，一方面是為了測試碟簧的儲能特性，另一方面通過保壓試驗可以間接地測試液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封效果。因此，有效地進(jìn)行碟簧特性測試，保證碟簧工作的可靠性，對于提高液壓彈簧操動機構(gòu)的整體性能具有重要意義[1-2]。

液壓彈簧操動機構(gòu)利用碟形彈簧組作為儲能元件，由液壓實現(xiàn)能量傳遞，驅(qū)動開關(guān)動觸頭完成分、合閘動作。要保證操動機構(gòu)動作的可靠性，就要求儲能碟簧具有良好的儲能性能；為了使開關(guān)能可靠地保持在合閘或分閘狀態(tài)，就要求液壓系統(tǒng)具有良好的內(nèi)部密封性，避免因內(nèi)部泄漏引起系統(tǒng)壓力不足而出現(xiàn)誤操作[3]。碟片彈簧裝置的儲能狀態(tài)可以通過各個壓力閉鎖點對應(yīng)的碟簧壓縮量及系統(tǒng)油壓得到反映，每個閉鎖點的碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓值必須在規(guī)定的合理范圍內(nèi)，才能保證操動機構(gòu)具有良好的性能；液壓系統(tǒng)的內(nèi)部泄漏油情況則通過保壓試驗來測試，通過24h或48h內(nèi)碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓的變化量，判斷系統(tǒng)的內(nèi)部密封性。根據(jù)以上對液壓彈簧操動機構(gòu)工作原理及彈簧特性的分析，反映碟簧特性所需的主要參數(shù)有限位開關(guān)動作時刻、碟簧的壓縮量和液壓系統(tǒng)的油壓。

目前國內(nèi)外操動機構(gòu)生產(chǎn)廠家在檢測高壓斷路器儲能彈簧的性能和液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封性時，都是采用人工手動測量的方式，這不僅會引入不必要的人為誤差，影響測試結(jié)果的客觀性，而且人工測量的效率比較低。對于操動機構(gòu)生產(chǎn)廠家來說，一款操作方便、運行穩(wěn)定可靠的碟簧特性測試設(shè)備，是保證操動機構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量、提高測試效率的有力保障，也是后期產(chǎn)品維護(hù)的得力助手[4-5]。因此，設(shè)計與研制一款便攜式碟簧特性測試設(shè)備具有較高的工程應(yīng)用價值[6-7]。

1 系統(tǒng)方案

根據(jù)用戶的現(xiàn)場測試需求，提出高壓斷路器碟簧特性測試系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）壓力測量范圍為0～100MPa，測量不確定度為0.3MPa。

2）壓力測量響應(yīng)時間為20ms。

3）位移測量范圍為0～100mm，測量不確定度為0.5mm。

4）同時采集4路限位開關(guān)觸頭信號。

測試系統(tǒng)的主要功能為：

1）自動采集限位開關(guān)觸頭信號。

2）測量系統(tǒng)油壓。

3）測量碟簧壓縮量（通過測量位移實現(xiàn)）。

4）能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和測試結(jié)果輸出。

5）保壓試驗時，自動記錄并輸出測試結(jié)果。

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)提出的要求，分析需要實現(xiàn)的功能，提出測試系統(tǒng)的主體方案如下：以PIC16F系列單片機為主控制器，結(jié)合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設(shè)備實現(xiàn)對碟簧特性的測量，其中壓力的測量采用壓力傳感器實現(xiàn)，位移測量采用模擬式位移傳感器實現(xiàn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖1中按鍵和液晶顯示部分可實現(xiàn)簡單的人機交互，微型打印機用于測試結(jié)果的輸出，F(xiàn)lash則實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的斷電保存，實時時鐘用于設(shè)置測試儀的時間，使其與現(xiàn)實時間一致，從而便于測試結(jié)果的記錄和存檔。

2 硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括單片機最小系統(tǒng)及人機交互部分電路、限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路、壓力信號調(diào)理電路、模擬位移采集調(diào)理電路等。

2.1 單片機最小系統(tǒng)及人機交互部分電路

設(shè)計中選用Microchip公司的PIC16F877A作為主控單片機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理。該部分主要包括單片機最小系統(tǒng)（電源、晶振、復(fù)位）電路和實時時鐘、按鍵、LCD顯示、打印、Flash等功能器件的選擇及其與單片機之間的電路連接。其中，實時時鐘選擇集成芯片DS1302，顯示用LCD12864液晶顯示器，存儲器選用512×8bit的W29C040 CMOS Flash存儲器。單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路

2.2 限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路

測試中需要同時采集四路限位開關(guān)信號，并測量開關(guān)信號狀態(tài)變化點處的位移和壓力數(shù)據(jù)。限位開關(guān)信號作為開關(guān)量，可以直接由單片機的I/O口進(jìn)行測量，電路設(shè)計中只需要在I/O口處作簡單的RC濾波即可。限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 限位開關(guān)信號采集調(diào)理電路

2.3 壓力信號調(diào)理電路

壓力測量選用YMC—4B型壓力變送器，該變送器采用DC 24V供電，測量范圍為0～100MPa，輸出為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，因此調(diào)理電路需要完成電流-電壓轉(zhuǎn)換、信號濾波，將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換成單片機A/D口所需的電壓信號，完成壓力信號的采集[8]。壓力信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 壓力信號調(diào)理電路

圖4中，通過125Ω精密電阻實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，將壓力變送器輸出的4～20mA電流信號轉(zhuǎn)化成0.5～2.5V的電壓信號，經(jīng)RC低通濾波電路濾除高頻干擾信號后直接進(jìn)入單片機的A/D采集通道[9]。

2.4 模擬位移采集調(diào)理電路

位移測量選用電位器式拉線位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式位移傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、輸出信號大、使用方便、價格低廉，缺點是易磨損。

設(shè)計中綜合考慮測試要求，選擇LXW系列拉線位移傳感器，該設(shè)備采用DC 5V供電，有效測量范圍為0～120mm，滿足測量要求（一般測量時位移小于100mm）。輸出信號為1～7mA，線性度優(yōu)于0.8%F.S.。該位移傳感器在10mm處輸出為1mA，因此在安裝時，其拉繩需要有一定的預(yù)拉伸長度，保證傳感器工作于線性狀態(tài)[10]。

模擬位移調(diào)理電路如圖5所示。在該電路中，用250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻將位移傳感器輸出的電流信號變換成電壓信號，再經(jīng)過測量放大器AD623，將電壓信號變換成單片機A/D口需要的0～2.5V的電壓。當(dāng)AD623的增益電阻取為180kΩ時，放大倍數(shù)為

此時最大輸入電壓對應(yīng)的位移為118mm，能滿足測量要求，因此選擇增益調(diào)整電阻為180kΩ。其中，增益的微調(diào)可用RV1實現(xiàn)。

在保壓測試時，為了實現(xiàn)微變位移量的測量，采用分段采樣的方式提高測試通道的分辨率，即用模擬通道的整個測量范圍實現(xiàn)某一特定區(qū)段位移的測量。如在本設(shè)計中，使AD通道滿量程僅完成75～100mm區(qū)段位移的測量，大大提高了測量分辨率。電路的原理與圖5所示相同，只是電阻分壓部分的3改為10kΩ，將5改為9.1kΩ，再將反饋電阻7改用13kΩ。測試結(jié)果表明，該測試方法有效提高了測量分辨率，從原來的0.03mm提高到0.01mm，可以較好地監(jiān)測保壓試驗中碟簧位移的微量變化。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用PIC單片機開發(fā)環(huán)境Maplab進(jìn)行軟件設(shè)計，采用C語言進(jìn)行模塊化編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的測試功能[11]。軟件設(shè)計主要包括位移校準(zhǔn)、性能測試和時間設(shè)置三個功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖如圖6 所示。

為了提高測量準(zhǔn)確性，對位移進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，利用初始位移、終止位移及用戶輸入的標(biāo)準(zhǔn)位移值來動態(tài)計算位移校準(zhǔn)系數(shù)，從而可以方便、準(zhǔn)確地對位移進(jìn)行實時測量。性能測試程序主要由特性測試和保壓試驗兩部分組成，特性測試過程中采集限位開關(guān)信號，并記錄開關(guān)狀態(tài)變化時刻碟簧的壓力和位移值，測試結(jié)束后可根據(jù)用戶要求打印輸出測試結(jié)果；保壓試驗中，主要完成保壓時間的設(shè)置和測試結(jié)果的輸出打印及顯示。時間設(shè)置程序?qū)崟r時鐘芯片的時間進(jìn)行設(shè)置，使其跟現(xiàn)實時間保持一致，便于對測試結(jié)果進(jìn)行保存和后續(xù)分析。對儀器的操作參數(shù)設(shè)置主要通過按鍵和顯示配合來實現(xiàn)[12]。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

4 測試結(jié)果及分析

設(shè)計通過應(yīng)變式稱重傳感器與拉線式位移傳感器配合使用，實現(xiàn)儲能液壓機用彈簧性能的自動測試，并且自動打印輸出測試報告。

為了校驗測試系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的性能要求，首先對測試系統(tǒng)進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，然后通過現(xiàn)場測試，對其進(jìn)行重復(fù)性評定。

4.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

將設(shè)計完成的碟簧特性測試系統(tǒng)在陜西省計量科學(xué)研究院進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，壓力校準(zhǔn)采用一等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計，位移校準(zhǔn)采用二等量塊，校準(zhǔn)現(xiàn)場如圖7所示，校準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1的壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，壓力的最大測量誤差為0.2MPa。表2的位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，模擬位移的最大測量誤差為0.27mm。

由表1數(shù)據(jù)可得，壓力測量通道的最大測量誤差百分比為

圖7 校準(zhǔn)現(xiàn)場

表1 壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 單位: MPa

表2 位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 單位: mm

壓力校準(zhǔn)結(jié)果為：壓力測量通道準(zhǔn)確度等級為0.2級。

由表2數(shù)據(jù)可得，模擬位移測量通道的最大測量誤差百分比為

壓力和位移的測量誤差均能滿足工業(yè)現(xiàn)場測試的需求。

4.2 系統(tǒng)重復(fù)性評定

為了進(jìn)一步評定系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，需要對測試系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測試[13]。

現(xiàn)場測試所得的壓力重復(fù)性測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 壓力重復(fù)性測試數(shù)據(jù) 單位: MPa

由表3可得，壓力的A類不確定度為

式中：()為標(biāo)準(zhǔn)差；為測量次數(shù)。

壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，壓力的最大測量誤差為0.2MPa，則壓力的B類不確定度為

壓力的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

現(xiàn)場測試所得的位移重復(fù)性測試數(shù)據(jù)見表4。

按照上述壓力不確定度的算法，計算得到位移測量擴展不確定度為

由計算數(shù)據(jù)可得，壓力和位移的測量準(zhǔn)確度均能滿足工業(yè)現(xiàn)場測試的要求。

表4 位移重復(fù)性測試數(shù)據(jù) 單位: mm

測試設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用及測試報告如圖8所示。

圖8 測試設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用及測試報告

5 結(jié)論

本文設(shè)計的高壓斷路器碟簧特性測試系統(tǒng)以PIC16F877A單片機為核心，結(jié)合顯示、打印等外圍輔助設(shè)備，實現(xiàn)對高壓斷路器碟簧特性位移和壓力的測量。經(jīng)陜西省計量科學(xué)研究院檢定和校準(zhǔn)，壓力測量的準(zhǔn)確度等級為0.2級，模擬位移的測量誤差最大為0.27mm。經(jīng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可得，壓力擴展不確定度為0.24MPa，位移擴展不確定度為0.29mm。測試結(jié)果表明，該測試設(shè)備操作簡單、工作性能穩(wěn)定可靠、測試結(jié)果準(zhǔn)確，大大提高了碟簧特性的測試效率，滿足一般的工業(yè)測量要求。

[1] 苑舜. 高壓斷路器液壓操動機構(gòu)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.

[2] 陳保倫. 液壓操動機構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

[3] 郭賢珊, 李仲夫, 陳軒恕. 斷路器操動機構(gòu)在線監(jiān)測參數(shù)的選擇[J]. 高壓電器, 2002, 38(1): 24-26, 30.

[4] 陳保倫, 文亞寧. 斷路器彈簧操動機構(gòu)介紹[J]. 高壓電器, 2010, 46(10): 75-80.

[5] 張旭, 孔志武, 彭躍輝, 等. 一種斷路器彈簧操動機構(gòu)彈簧壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(4): 102-104.

[6] 張國寶, 楊為, 朱勝龍, 等. 一起CT20型彈簧機構(gòu)斷路器拒分故障原因分析及處理[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(12): 91-93.

[7] 劉偉, 徐兵, 楊華勇, 等. 高壓斷路器液壓操動機構(gòu)特性分析[J]. 機械工程學(xué)報, 2010, 46(10): 148-155.

[8] 楊繼深, 荀京京. 電磁干擾的抑制方法(中)[J]. 安全與電磁兼容, 1998(2): 18-21.

[9] 孫俊喜. LCD驅(qū)動電路、驅(qū)動程序設(shè)計及典型應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[10] 曾國, 李鵬飛, 李俊, 等. 斷路器合閘儲能彈簧狀態(tài)監(jiān)測[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2015(4): 65-68.

[11] 陳立偉, 王桐, 徐賀. PIC單片機基礎(chǔ)與實例進(jìn)階[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2012.

[12] 劉向宇, 秦龍. PIC單片機C語言程序設(shè)計實例精粹[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

[13] 申忠如, 郭福田, 丁暉. 現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2006.

Design of disc spring characteristics test system for high voltage circuit breaker

ZHOU Lanlan LI Hua

(Shandong Vocational College of Science and Technology, Weifang, Shandong 261053)

The aim of this article is to propose a method to test the disc spring characteristics of the high voltage circuit breaker. The test system takes PIC16F877A as the main controller. The guyed analog displacement sensor is used to measure the compression of the disc spring and the pressure transmitter is used to measure the hydraulic of the system. Human-computer interaction can be achieved by the combination of printer, LCD, buttons and other input and output devices. The conditioning circuit is reasonably designed and the digital filtering is applied on the software design. The combination of software and hardware reduces the random measurement error and improves the accuracy and stability of the test system. The test system calibration results shows that the system works stably, and the test results are accurate. Therefore, the system meets the requirement of field tests.

high voltage circuit breakers; disc spring characteristics; test system; one-chip computer; system calibration

2022-05-18

2022-06-16

周蘭蘭（1988—），女，山東濰坊人，碩士，主要從事測控技術(shù)及儀器方面的研究工作。