高壓斷路器測(cè)量速度和位移普遍使用直線(xiàn)傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器，有時(shí)候要特別定制一種安裝夾具。另外，在處理數(shù)據(jù)時(shí)必須要知道斷路器的固有機(jī)械特性參數(shù)。
針對(duì)以上兩種問(wèn)題，本文利用加速度與速度、位移之間的關(guān)系，先對(duì)采樣后的加速度信號(hào)采用時(shí)域數(shù)值積分，得到含有趨勢(shì)項(xiàng)的速度信號(hào)及位移信號(hào)，再采用擬合多項(xiàng)式極值的方法，消除積分過(guò)程中產(chǎn)生的趨勢(shì)項(xiàng)，從而得到更為精確的速度和位移信號(hào)，有效解決了常用的直線(xiàn)傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器安裝困難的問(wèn)題。
高壓斷路器是高壓電路中重要電器元件之一[1]。當(dāng)高壓電路中發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)繼電器保護(hù)裝置將故障電流從高壓電路中快速切斷，從而確保高壓電路無(wú)故障部分正常運(yùn)行[2]。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議13.06工作組的國(guó)際調(diào)查結(jié)果表明，高壓斷路器的故障大部分是機(jī)械系統(tǒng)故障[3]。因此，對(duì)高壓斷路器的機(jī)械故障進(jìn)行診斷是非常有必要的，同時(shí)也是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施。
測(cè)量斷路器的機(jī)械特性是了解斷路器機(jī)械故障的重要診斷方法[4]。關(guān)于斷路器機(jī)械特性的測(cè)量方法有直線(xiàn)電位器測(cè)速法、角度傳感器測(cè)速法、光電編碼器測(cè)速法等[5]。這些方法使用起來(lái)非常困難，安裝麻煩（需要特別定制的支架才可安裝）、數(shù)據(jù)可靠性不高、測(cè)量精度難以滿(mǎn)足要求。即使使用高精密儀器測(cè)量，仍存在費(fèi)用過(guò)高等問(wèn)題[6]。
本文主要在前人的研究基礎(chǔ)之上引入了一種新的測(cè)量方法，利用加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，加速度信號(hào)積分得到速度、位移。該方法是一種行之有效地方法，使得測(cè)量斷路器機(jī)械特性故障更加準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 硬件工作原理
高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括加速度傳感器、霍爾電流傳感器、信號(hào)處理電路、AD采集、MCU及人機(jī)交互式顯示部分。
圖1 斷路器機(jī)械特性測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖
通過(guò)測(cè)量斷路器分、合閘動(dòng)作時(shí)，動(dòng)觸頭加速度的變化來(lái)間接測(cè)量斷路器的機(jī)械特性。在斷路器分、合閘動(dòng)作過(guò)程中，斷路器的動(dòng)觸頭移動(dòng)與動(dòng)觸頭速度、位移等之間有一定的聯(lián)系，本測(cè)量裝置就是根據(jù)此原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
加速度傳感器將檢測(cè)到的動(dòng)觸頭移動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后，將信號(hào)調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍之內(nèi)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，MCU對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理就可得斷路器動(dòng)觸頭的電流曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)和位移曲線(xiàn)[7]。
1.2 加速度傳感器的選擇與安裝
現(xiàn)有技術(shù)中的高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀大多采用直線(xiàn)位移傳感器來(lái)測(cè)量動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的距離，判斷斷路器的分、合狀態(tài)，計(jì)算出動(dòng)觸頭的速度和位移。而直線(xiàn)位移傳感器對(duì)安裝精度要求非常高，角度容許誤差和平行度容許誤差越小越好。利用專(zhuān)用支架將直線(xiàn)位移傳感器的本體可靠的固定在斷路器的本體上，直線(xiàn)位移傳感器滑桿頭部與動(dòng)觸頭部分連接，直線(xiàn)位移傳感器滑動(dòng)應(yīng)與動(dòng)觸頭同步并與動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)保持平行。
如果滑桿與斷路器本體裝成歪斜，就會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，故必須定制一整套復(fù)雜的安裝工具，并且不同等級(jí)的斷路器的安裝工具大小不一。另外，還需要知道斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)的一些聯(lián)動(dòng)變比值，提前輸入到測(cè)試儀器中，才能正確計(jì)算出來(lái)結(jié)果。
面對(duì)每個(gè)廠家每種斷路器來(lái)說(shuō)，將這些數(shù)據(jù)錄入到測(cè)試儀器中是一個(gè)很大的工作量。如果錄入數(shù)據(jù)稍有不慎，就將直接造成測(cè)量的不準(zhǔn)確。
現(xiàn)將加速度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到斷路器測(cè)速中，解決了斷路器現(xiàn)場(chǎng)直線(xiàn)位移傳感器安裝難、配合難、測(cè)試難的技術(shù)難題。將加速度傳感器直接緊固安裝于斷路器的主軸或動(dòng)觸頭連接桿上，而安裝加速度傳感器應(yīng)該根據(jù)動(dòng)觸頭或動(dòng)觸頭連接桿粗細(xì)不同選用相應(yīng)半徑的卡件，使傳感器很牢固的卡在動(dòng)觸頭或動(dòng)觸頭連接桿上，不能晃動(dòng)。
斷路器動(dòng)作時(shí)，傳感器應(yīng)緊隨動(dòng)觸頭或動(dòng)觸頭連接桿一起運(yùn)動(dòng)，不可與動(dòng)觸頭或動(dòng)觸頭連接桿之間有相對(duì)晃動(dòng)，否則可致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。測(cè)量得到動(dòng)觸頭的加速度曲線(xiàn)，即可間接測(cè)量得到動(dòng)觸頭的直線(xiàn)位移曲線(xiàn)，這種測(cè)量方式對(duì)多種型號(hào)的斷路器均適用。
根據(jù)以上分析，選用加速度傳感器，其安裝如圖2所示。圖中所示，1為動(dòng)觸頭或動(dòng)觸頭連接桿，2為內(nèi)襯套，3為夾具，4為加速度傳感器，5為傳感器引線(xiàn)[8]。
圖2 加速度傳感器安裝圖
該傳感器為我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的加速度傳感器，±250g的測(cè)量范圍，滿(mǎn)量程誤差率為0.2%[9]。
1.3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)
加速度傳感器采用+5V供電，其輸出是0.825～4.175V；A/D轉(zhuǎn)換器采用ADI公司生產(chǎn)的AD7656，其輸入電壓為±10V；需要將0.825～4.175V變換成±10V。調(diào)理電路如圖3所示。
圖3 加速度傳感器信號(hào)調(diào)理電路
信號(hào)調(diào)理電路主要作用如下。
濾波。采用低通濾波器濾除高頻信號(hào)，防止干擾信號(hào)，提高采樣精度。
隔離。采用ISO 124進(jìn)行高精密隔離。將外圍的大電流信號(hào)隔離，防止燒毀芯片。
放大。采用TL 082運(yùn)算放大器不僅能增大電路的輸入阻抗，而且最主要將信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器件的允許輸入電壓范圍內(nèi)。
加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后輸入至ISO 124進(jìn)行隔離，R24、R25、R26、R27、U8A構(gòu)成差分電路，將0.825～4.175V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為?1.675～1.675V電壓信號(hào)。再經(jīng)過(guò)一級(jí)放大，放大倍數(shù)約為5.88倍。?1.675～1.675V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為?9.85～9.85V電壓信號(hào)，滿(mǎn)足AD芯片的輸入范圍±10V，信號(hào)也不至于失真。
1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路
AD7656可實(shí)現(xiàn)6路同步轉(zhuǎn)換，雙極性模擬輸入，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)250ksps[10]。本文中AD7656與MCU處理器采用高速串行接口設(shè)計(jì)。單片采集3路模擬信號(hào)，分別為電壓信號(hào)、電流信號(hào)、加速度信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)將AD7656的“H/S SEL”引腳接高電平設(shè)置為硬件啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式；采用非菊花鏈 “DCEN”引腳接地，“DCINA”、“DCINB”、“DCINC”引腳同時(shí)接地；由于只有一路輸出，故將“SELA”引腳接高電平，“SELB”、“SELC”引腳接地；輸入信號(hào)范圍為±10V，“RAGNE”引腳接高電平；“SER/PARSEL”引腳接高電平設(shè)置為串行接口方式。
轉(zhuǎn)換時(shí)同時(shí)控制“CONVSTA”、“CONVSTB”、“CONVSTC”引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，所選ADC通道的取樣保持開(kāi)關(guān)從采樣切換到保持，然后便啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。“BUSY”引腳變?yōu)楦唠娖?，表明已?jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，3?s后，當(dāng)“BUSY”引腳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表示轉(zhuǎn)化結(jié)束。
讀取時(shí)，將“CS”引腳拉低，“SCLK”引腳發(fā)送96個(gè)脈沖信號(hào)，就可從輸出寄存器中讀出6路采集數(shù)據(jù)。本文只采集3路信號(hào)，故“SCLK”引腳發(fā)送48個(gè)脈沖信號(hào)即可，每路信號(hào)將占2個(gè)字節(jié)[11]。完成對(duì)加速度信號(hào)、電流信號(hào)、電壓信號(hào)的采集。AD轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。
圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件整體設(shè)計(jì)
MCU處理器主要的外圍硬件電路包括A/D采集芯片、SD卡、打印機(jī)、液晶屏、USB、網(wǎng)口、數(shù)字I/O口、SRAM、EEPROM、FLASH等電路。MCU處理器上電后首先對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，初始化完畢后，等待中斷操作命令，判斷是否為分閘、合閘命令，然后進(jìn)行AD采集程序，對(duì)加速度、電壓、電流信號(hào)進(jìn)行一次采集，采集完畢交給MCU處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算處理。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖。
圖5 主程序流程圖
2.2 數(shù)據(jù)處理（略）
高壓斷路器在分、合閘的過(guò)程中動(dòng)觸頭由靜止到運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)有加速度的變化。將這種加速度變化經(jīng)過(guò)低通濾波、隔離、放大采集后為一組加速度信號(hào)數(shù)據(jù)，然后交給MCU處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算處理，從而得出在分、合閘過(guò)程中動(dòng)觸頭的速度、位移等變化的數(shù)據(jù)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（略）
為了驗(yàn)證加速度傳感器測(cè)量的精確性，將在高壓斷路器上同時(shí)安裝直線(xiàn)位移傳感器和加速度傳感器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，得到一組直線(xiàn)位移傳感器和加速度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。
表1為斷路器SN10?10少油斷路器說(shuō)明書(shū)中給出的固有機(jī)械參數(shù)。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)樣本采集后統(tǒng)計(jì)，加速度傳感器在測(cè)量精度上遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直線(xiàn)電位器式傳感器。
表1 固有機(jī)械特性參數(shù)和兩種傳感器比較
結(jié)論
本測(cè)試儀采用加速度傳感器檢測(cè)斷路器分、合閘動(dòng)作時(shí)動(dòng)觸頭的加速度信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩次積分便可得到動(dòng)觸頭的位移測(cè)量，很好解決了斷路器機(jī)械特性檢測(cè)傳感器不易安裝及傳統(tǒng)傳感器測(cè)量精度不高的問(wèn)題。采用該方法安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，成本低廉，具有很廣泛的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
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