高壓斷路器機械特性的檢測系統的設計與研究

摘 要：為了測試力傳感器的實際應用效果，及驗證通過力信號可以實現斷路器機械特性的測量，設計了一種斷路器機械特性測試系統。將該系統進行了軟件開發，采用C++Builder進行匯編，并設計了該系統的數據采集流程圖。將斷路器分別進行合閘和分閘的動作試驗來測試。利用該系統對斷路器機械特性進行了在線測量和離線測量，結論表明，在線測量的精確度較高一些。

關鍵詞：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

斷路器是電力系統中重要電力設備，對電網有控制和保護的作用。電力系統供電的可靠性直接影響社會經濟生活，一直是電力公司各部門所關注的重點。斷路器的檢修工作，則是保證斷路器作業可靠性的重要途徑[1-3]。經過不斷的改進和發展，斷路器的檢修由最初的事故檢修到計劃檢修，而實現狀態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生故障之前。狀態檢修不僅可以判斷斷路器的實時運行狀態，還可以對工作狀態起到預測作用。狀態檢修運用的技術包括傳感器技術、計算機技術、信號處理技術等。當斷路器實行在線檢測時，由于斷路器復雜的機械結構，導致故障發生概率較高，因此斷路器機械特性的在線監測便成為斷路器在線監測的重要部分[2]。

1 實驗方案原理

本文設計了一個可以在線監測斷路器機械性能的系統。在這個測試系統中，要對一些常用的機械特性進行監測和測量，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，系統設計選用力傳感器，在研究傳感器性能的基礎上，設計的斷路器監測系統，可以使基于力傳感器測量時間的監測系統有不同的數據，在實現基于主回路通斷測量的傳統測試的同時，又可實現基于力信號測量的在線測試，使其監測系統的精度有了對比參照。

線圈電流、拉桿位移、主回路通斷開關量、拉桿力等都是檢測斷路器性能的重要參數。這些外部信號通過相應傳感器進行交換，傳送到信號調理單元調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轉換，傳輸到上位機。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。

實現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，主回路開關閉合，采樣點Tout電壓呈現為高電平，電流經過R2到達光耦開關，光耦開關TLP521.4為通路，Vout輸出端呈現高電平。當主回路開關斷開時，采樣點Tout沒有電流流過，呈現低電平，光耦開關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精確度高之優點。

因霍爾電流傳感器是電流、電壓變換單元，為滿足監測線圈電流的需要，將電流傳感器額定輸入在-10A到10A之間。設計外圍電路時，使其輸入輸出特性曲線呈現圖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，經過線性變換成電壓，額定輸入電壓為-10A到10A之間，其相應的輸出為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。而AD轉換器內的轉換芯片阻抗很小，采樣電阻的精度和穩定性會很大的影響系統測量的精度。為了提高系統的測量精度，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系，前者至少應為后者的2倍，如果采樣頻率太低，高頻信號就會出現在低頻段，高頻信號和低頻信號都出現在低頻段，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采集卡采集的程序。數據采集程序的開發程序使用的是C++Builder，其中由數據采集卡提供的是API開發包。

具體流程圖如圖3：

系統給電后，板卡進行初始化，然后進行數據采集相關的設置，包括設置采樣的通道數、采樣頻率，通過軟件觸發開始數據采集，將采集的數據存入文件系統中。根據需要是否進行循環多次采樣，循環采樣通過定時器功能實現。

3 測試系統實驗分析

測試系統的試驗是利用開發的斷路器測試系統，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，測試出多組數據對比。

由實驗結果看出，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據的規律是基本一致的。所以根據實驗曲線和結果的想比較得出的結論是：在合閘動作進行時，拉桿力測得的曲線在平穩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，便可以實現在線測量斷路器的機械特性。

4 結論

針對現有斷路器機械特性在線測量，為了解決傳統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。

為了實現力信號的采集。本文設計的可以用于斷路器機構內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運動過程中獲得了力產生的信號，通過對比發現和模擬仿真測量中獲得的信號基本吻合。

參考文獻：

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