（交通信息工程及控制专业论文）高压开关机械特性测试仪的研制.pdf

摘要 高压开关是电力系统中最重要、最复杂的电器设备，它在电力系统中起着控制和保 护的关键作用。提高高压开关工作的可靠性已成为一项重要的研究课题，而其中高压开 关的机械特性参数是一项重要的指标。本文在查阅了大量文献资料的基础上，结合实际 科研课题，围绕高压断路器机械特性测试系统项目展开研究，设计了一种新型断路器机 械特性测试仪以及数据管理软件。它主要包括： 1 a r m 测试系统。提出了一种基于a r m 和f p g a 的高压开关机械特性测试系统。 该系统采用主从控制器设计模式，主控制器采用a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 完成数据计算、 显示、管理以及信息交互，从控制器采用a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的e p l c 6 完成开关测 试过程的逻辑控制、测试数据的采集与存储。a r m 中嵌入了w i n c e 4 2 组成本地系统。 该系统主要是对断路器机械特性参数进行测量、处理，是测试系统的基础。 2 p c 机上软件部分。它主要由基于c hb u i l d e r 的测试应用程序与s q l 数据库组 成。上位机主要是负责对断路器机械特性参数进行数据处理、图形显示、存储等，并可 把测量结果以二进制流形式进行保存处理，可以实现对测试数据的回读与显示。 3 通信部分。在开发过程中高压开关机械特性测试仪使用了t c p i p 通信，由网卡 控制器c s 8 9 0 0 a 及外围电路组成的通信接口，使高压开关机械特性测试仪的数据传输速 度大幅提高且数据存储更方便。通过运用消息队列机制保证了通信的健壮性。 4 配置了w i n d o w sc e 的相关文件及环境变量。在w i n d o w sc e 平台下，利用集成 开发工具p l a t f o r n lb u i l d e r 4 2 开发研制了适于本仪器的操作系统，实现了w i n d o w sc e 操作系统移植。 最后，论述了系统的测试与结果。结果表明：f p g a 采集模块能准确的采集待测参 数；通信模块能提供高效的数据传输；上位机模块能有效地分析、管理测试所得的数据。 关键词：高压开关，机械特性，$ 3 c 2 4 1 0 ，测试仪 a b s t r a c t h i g hv o l t a g es w i t c h ，t h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l e xe l e c t r i c a le q u i p m e n ti nt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，p l a y sak e yr o l ei ni t sc o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i n gf i e l d n o w , t h er e l i a b i l i t yo f s w i t c hi sb e c o m i n gav i t a lq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n , a n di t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e rp a r a m e t e r s a r et h ee m p h a s i so ft h eg u i d el i n e s u p p o r t t i n gb yt h er e s e a r c hp r o j e c t ，t h ep r i n c i p l e sa n d i m p l e m e n t a t i o no ft h et e s ts y s t e mo nt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fh i 曲v o l t a g es w i t c ha r e p r o p o s e da n dan e wb r e a k e r sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ct e s ti n s t r u m e n ta n dd a t am a n a g e m e n t a p p l i c a t i o ns y s t e ma r ed e v e l o p e d t h em a i nc o n t e n so ft h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e dh e r ea s f o l l o w ： 1 t h eh a r d w a r eo ft h et e s ti n s t r u m e n t ad e s i g no ft e s t i n gs y s t e mf o rt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i co fh i g hv o l t a g es w i t c hb a s e do na na r m p r o c e s s o ra n df p g aw a sb r o u g h t f o r w a r d a sm a s t e rc o n t r o l l e r ，a r mi s r e s p o n s i b l ef o rt h ed a t ac o m p u t a t i o n , r e s u l t d e m o n s t r a t i o n ，d a t am a n a g e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n , e p1c 6 ，t h es l a v ec o n t r o l l e r , r e a l i z e s t h ef u n c t i o n so fl o g i cc o n t r o lo ft h et e s t i n gp r o c e s s ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r e s e r v a t i o n w i n c e 4 2i sa l s oe m b e d d e di na r m t of o r mt h el o c a ls y s t e m t h ef u n c t i o n so f g a t h e r i n ga n d m e a s u r i n gb r e a k e r sm e c h a n i c a lc h a r a c t e rp a r a m e t e r sa r er e a l i z e di nt h i sl o c a ls y s t e m ，w h i c h i sa l s ot h eb a s eo ft h et e s ti n s t r u m e n t 2 t h es o f t w a r ei nt h eu p p e rc o m p u t e r t h em a i n p a r to ft h eb r e a k e r sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r t e s ts o f t w a r ei n c l u d e st h em e a s u r e m e n ta n dt e s ta p p l i c a t i o n sw i t ht h ec + + b u i l d e ra n dt h e s q ld a t a b a s e t h es o f t w a r ec a nd i s p o s e ，r e v e a la n ds a v et h eb r e a k e r sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r p a r a m e t e rf u r t h e r m o r e ，i ts a v et h em e a s u r e m e n tr e s u l t si n t ot h eb i n a r ys y s t e mf i l e ，a n d d i s p l a yt h e mf i n a l l y 3 t h ec o m m u n i c a t i o np a r to ft h et e s ti n s t r u m e n t t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h et e s t i n s t r u m e n ti sm a d eu po fc h i pc s 8 9 0 0 aa n do t h e rp e r i p h e r yc i r c u i t s ，a n dt c p i p p r o t o c o li s u s e di ni t a l lo ft h e s em a k et h et e s ti n s t r u m e n t sd a t ad e l i v e r i n g s p e e ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ， a n dt h ed a t am e m o r i z i n gm o r ec o n v e n i e n t i t st h em e s s a g e q u e u et h a ta s s u r e st h er o u b u s t n e s s o ft h ec o m m u n i c a t i o n 4 c o n f i g u r a t i o no ft h ew i n c ef i l e sa n dr e l a t i v ee n v i r o n m e n tv a r i a b l e s b a s eo nw i n d o w sc e r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，t h es o f t w a r eo ft h i si n s t r u m e n tw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dw i t h t t p l a t f o r mb u i l d e r 4 2 w h i c hr e a l i z e dt h er e p l a n t t i n go fw i n d o w sc e f i n a l l y , t h et e s t i n ge x p e r i m e n ta n dt h er e s u l t sa red i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f p g am o d u l ec a l la c q u i s i t et h ed a ma c c u r a t e l y , t h ec o m m u n i c a t i o n sm o d d ec a i lp r o v i d e h i g h 。s p e e dd a t at r a n s f e r , a n dt h et e s t i n gd a t aa l s oc a l lb em a n a g e de f f i c i e n t l yb yt h eu p p e r m o d u l e k e yw o r d s ：h i g l lv o l t a g eb r e a k e r , m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，$ 3 c 2 4 1 0 ，t e s t i n ge q m p m e n t i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：甩将侈 埘年丫月f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 够年吖月) 日 w 年蝴日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 电力设备的可靠性及运行状况直接决定整个电力系统的安全运行和供电质量。电力 设备的主要类型有发电机、变压器、电动机、电力电容器、断路器和隔离开关及其它辅 助设备。设备投用以后，在使用过程中由于材料老化变质、人为操作过错引起故障以及 长期疲劳运行等，会使性能下降，严重时会发生故障甚至损坏。因此，在电力设备投入 运行后，维护和检修工作是保障设备正常运行的必要手段【l 】。 1 1 高压开关的作用和特点 高压开关是电力系统中的重要电力设备，目前存在的有多油、少油、s f 6 和真空 开关等。在供电线路出现故障时，高压开关必须及时、可靠的对故障线路进行切断或接 通，以防故障扩大，确保电力系统安全稳定运行【2 】【3 】。为了保证高压开关动作的安全可 靠，在开关生产、安装和调试的过程中必须对其机械特性进行严格的测试，测试参数主 要包括分( 合) 闸时间、速度和行程等，并以此为判断该开关质量是否合格，能否安全投 入使用的重要依据。 真空断路器作为执行电路的有载开断和保护的装置，是开关电器中十分重要的一种 电气设备，是发电厂和变电所配电装置中必不可少的元件。正常运行时，可用它来进行 倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用。当设备和线路发生 故障时能快速切除，保证无故障部分正常运行，起着保护作用。因此，真空断路器在电 力系统中肩负着控制和保护双重任务，提高电力系统输电的连续性和高效性，降低设备 故障率，提高开关工作的可靠性日益成为其发展中的一项重要研究课题。国际大电网会 议以及我国电力研究院关于高压真空断路器故障的统计调查显示：断路器的大多数故障 ( 主要故障的7 0 和次要故障的8 6 ) 发生在机械机构，主要涉及操作机构、检测装置和 辅助装置等，因而加强高压真空断路器机械状态的在线监测具有重要的现实意义【4 】【5 】。 现有的断路器监测仪器只能够同时对断路器的部分动作参量进行监测，很难全面反映断 路器的各项状态指标。同时为了满足高压真空断路器信息管理自动化系统的实现和适应 远程自动监控技术的发展趋势，开发出一种高压真空断路器机械状态多参量综合数据采 集系统很有必要。 1 2 论文研究背景和意义 1 2 1 研究背景 在传统的检测断路器参数时，大都使用示波器、电磁振荡器和电阻箱等实验设备， 第一章绪论 检测方法较为复杂。在工业发达国家，自上个世纪七十年代以来，就把计算机应用于断 路器参数的测量上，市场上一些产品如瑞典的b r e a k e ra n a l y z e rs y s t e m t m l 6 0 0 m a 3 1 ，美国的r t r 4 8c i r c u i tb r e a k e rr e s p o n s er e c o r d e r s 等，但价格很高。在 我国断路器的生产和运行中，检测的手段在近十年来也有了很大的发展。清华大学电机 系在这方面做了大量的研究工作，研制出了几代高压开关参数微机化测试仪，已经在国 内的高压真空断路器出厂检测和运行中使用了。但是这些测试仪大多是以单片机为核 心，使用光电传感器检测断路器的行程及时间来测试真空断路器的机械特性，这种方法 不足之处在于其分辨率太低，只i m m 左右，不易提耐6 1 。由于i e c 6 2 2 7 1 1 0 0 ( 国内版本 为g b l 9 8 4 2 0 0 3 ) 的新标准出台，此标准规定，每一种断路器产品都有它的行程特性的 标准曲线，当总行程超过2 0 m m 时，将5 总行程迭加到参考曲线上，产生两条曲线， 这两条曲线就是该产品的包络线，在总行程小于或等于2 0 m m 时，以+ 2 m m 迭加到标 准曲线上生成两条曲线。这对包络线在总行程5 或2 m m 以内上下移动，被测试产品 的曲线必须能在包络线受上述限制的移动后完全处于上下包络线中，则开关的机械特性 合格。反之为不合格【7 j 。新标准执行时( 2 0 0 4 年1 月1 日) ，国内外没有任何设备能满 足新标准的要求。 1 2 2 研究的意义 高压开关动作时间短，动作时振动大。早期的检测装置由于采样技术和传感器技术 的水平所限，对于这些瞬变参数的检测，尤其是对速度和位移的检测缺乏可信的检测手 段，装置的分析、计算能力有限，随着计算机技术和传感器技术的发展，现有检测装置 逐渐借助计算机来进行测试，但大多采用串口通信总线，数据传输速度和效率普遍都不 高 t j 。因此，研制有效的、高速的机械特性测试系统可以改变以往测试装置的不足。高 压断路器机械特性主要有分( 合) 闸时间、速度和行程，这些机械特性是在断路器生产、 安装和调试的过程中必须检测的内容，也是判断该断路器质量是否合格、以及能否安全 投入使用的重要依据。因此这一点对于检测和鉴定高压断路器的机械特性有重要的意 义。 工业检测仪器的研究不单纯是科学研究问题，它更是和中国经济的发展息息相关。 每年中国各开关厂、电力部门花费大量的经费购买进口仪器和设备，如果国内能够自行 生产这些工业检测仪器，不但可以节省大量研究经费用于其它更多的研究项目，而且对 我国的经济发展也有极大的促进作用。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 国内外高压开关机械特性测试仪的现状 国外制造开关机械特性测试仪器的厂商有瑞典的p r o g r a m ( 保加玛) ，德国的w e i s ( 威尔士) ，它们功能上基本相同，对开关的机械特性参数都能做出准确的测量，但是 它们的测试仪器功能比较专一，只是针对几种特定的开关，不具有普遍性，3 0 万的售价， 是比较昂贵的。如果有多种型号的开关，配齐机械特性测试仪花费的代价非常大。在性 能上，由于国外同类仪器起步比较早，软件功能比较单一，仪器基本采用数据采集卡加 工业计算机构成，体积比较庞大，不能适应户外的测量需求。系统曲线采样的幅值精度 和时间精度都不高，采样率基本在1 0 k h z s ，只能看出开关动作的基本趋势。纯英文界 面，对操作人员来说，熟悉比较困难。 目前我国的高压开关测试系统是以单片机为核心，多使用光电传感器检测断路器的 行程和时间来测试断路器的机械特性，这种方法是通过计数光电传感器中的编码所发出 的脉冲个数实现测量的。不足之处是分辨率不高，只有l m m 左右，且不易提高。如： 若想提高分辨率，如达到0 5 m m 。一方面需要将光栅的间隔缩短到0 5 m m ，另一方面还 要考虑c p u 在编码器通过0 5 m m 光栅所需要的时间能否完成1 次a d 转换。其次，当 断路器在分、合闸过程中，动触头有个弹跳过程，必须加硬件电路来进行方向判断，否 则会产生累加误差【8 】。目前断路器机械特性测试仪的数据管理软件较为简单，很多厂家 的设备只能对数据进行简单的存储，将一次试验的数据存为一个文件，不能长期存储， 且仅能存储少量的几组数据。这种存储形式无法适应现在对大量数据进行存储、查询的 需要。同时，试验数据的记录主要依靠人工记录，速度慢、可靠性低，也不能满足现在 高速、高效的要求。另外，现在国内仪器几乎全部采用r s 2 3 2 串口通信，随着现场测 试记录数据量的增大，传输速度越来越慢，通信所用的时间则越来越长，对仪器实时性 要求的提高，改变传统的通信方式已成必然趋势。 另外，现有仪器大多只能对单断口开关进行测量，数据处理、分析能力都不强。所 以急需一种机械特性测试仪，这种测试仪在功能上不但要具备同类仪器的功能，而且还 要能满足新标准的要求。在采样的幅值精度和时间精度上都要比老仪器有所提高；可以 对多断口开关进行测量、分析；并且能对测量的大量数据进行保存和数据的回读。 1 4 论文所完成的工作 本文基于上述技术要求，以及系统其它模块，提出了一种基于a r m 和f p g a 的高 压开关机械特性测试系统。该系统采用主从控制器设计模式，主控制器采用a r m 9 系列 的$ 3 c 2 4 1 0 完成数据计算、显示、管理以及信息交互，从控制器采用a l t e r a 公司c y c l o n e 第一章绪论 系列的e p l c 6 完成开关测试过程的逻辑控制、测试数据的采集与存储。a r m 中嵌入了 w i n c e 4 2 组成本地系统。通过以太网总线与上位机软件进行通信，上下位机都能对信 号进行分析处理和显示，得以判断高压开关的性能，保护电网的正常运行。 论文所完成的工作如下： ( 1 ) 基于高压开关及其机械特性参数对高压开关测试系统的需求进行了分析，并根 据机械特性测试系统的原理和系统其它模块配合，提出整体设计方案。 ( 2 ) 完成了部分下位机硬件电路的设计与相应的软件编程。 ( 3 ) 完成了上位机软件和系统通信部分的编写与调试。 ( 4 ) 完成了w i n d o w sc e 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 处理器上的移植。 ( 5 ) 对测试仪整体进行调试和测试实验。 4 长安人学砸学位* 文 第二章高压开关机械特性测试系统的设计原理与方案 2 1 高压开关简介 主要用于关合额定电压在1 k v 及以上的导电回路的电器。以下以真空断路器为例进 行介绍。真空断路器是利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器，是高压断路器 中的一种。自从1 9 6 2 年美国g e 公司研制成功第一台真空断路器以来其研制和开发 已取得了很快的发展，由于它具有分断能力强、寿命长、维修量小、电弧不外露、安全 可靠、体积小、重量轻、噪声小、可在环境恶劣、操作频繁的条件下工作的显著特点， 因而得到了广泛的应用 9 1 。 2 1 1 高压开关的构成 真空断路器是指断路器的主触头置于真空灭弧室内，触头的开断与闭合均在高真空 度的环境中进行。所以真空断路器的结构，实为真空灭弧室的结构。一般的真空断路器 主要由真空灭弧室和操动机构通过绝缘导杆和支持杆组成一体。其结构图大致如图21 所示，其中动静触头均密封在真空丌关管中，由动导电杆通过三极绝缘子与操作机构相 连。机构的台分闸动作由主轴的摇臂通过三极绝缘子带动三极动触头同时接通和分断。 因而通过可以分析动导电杆与静端盖板之间的位移情况来得到动静触头间的时间位移 关系【1 0 i i “】。 燃 0 篾 1 黼2 蚤黜3 目 ；黼谧：鬻罗 l o 绝料1 1e 奎1 8 宣 图21 真空断路器的结构图 第二章高压开关机械特性测试系统的设计原理与方案 2 1 2 高压开关的工作原理 在图2 1 中断路器上部是真空开关管，下部是操动机构，安排在支架上。操动机构 通过绝缘杆、触头弹簧等同真空开关管的动导电杆相连，带动动导电杆运动完成合分闸 操作。当操动机构的合闸线圈通电，合闸电磁铁被吸合，带动导电杆运动，使动、静触 头接通，这就完成了合闸过程。当操动机构的分闸线圈通电，分闸铁芯被吸合，从而使 锁扣释放，在分闸弹簧以及本身重力作用下迅速分闸，完成了分闸过程2 1 1 12 1 。 2 2 高压开关的机械特性参数 开关的机械特性参数是保证其正常工作的重要依据。机械特性参数可以从高压断路 器的行程一时间曲线来定义和计算。在合闸时，动触头迅速移动，并接触静触头，使高 压开关导通，接入负载。但由于动触头存在惯性，还会运动到最高点，而后返回到平衡 点，形成一个振荡过程。可以用如图2 2 所示的行程一时间曲线，来定义开关的机械特 性参数【1 3 j 。 s ( r a m l 1 5 2 暑3 t it 2 tt m s j 图2 2 动触头行程一时间曲线 ( 1 ) 行程：分合操作中，开关动触头运动过程中相对于起始点的距离。 ( 2 ) 时间行程特性：合分操作中，开关的动触头行程与时间的关系。 ( 3 ) 触头开距：分位置时，开关一极的各触头之间或其连接的任何导电部分之间 的总间隙。 s = 岛 ( 2 1 ) ( 4 ) 超行程：合闸操作中，开关动静触头接触后动触头带动触头支架继续运动距 离。 s = - 岛 ( 2 2 ) 6 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 触头刚合速度：开关合( 闸) 过程中，动触头与静触头接触瞬间的运动速度。 1 ，= s 静l ) ( 2 3 ) ( 6 ) 全程平均速度：开关合( 闸) 过程中，动触头的运动平均速度。 v ：垒( 2 4 ) t l ( 7 ) 合闸时间：从接到合( 闸) 指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间的时间间隔。 注：a 合( 闸) 时间包括开关合闸所必需的并与开关组成一体的任何辅助设备的 动作时间。b 对装有并联电阻的开关，需把与并联电阻串联的触头都接触瞬间前的合 闸时间和主触头都接触瞬间前的合( 闸) 时间作出区别【1 4 1 。 t = t l ( 2 5 ) ( 8 ) 弹跳时间：在合闸过程中动静触头接触后由于弹力，再经过反复弹跳后最终 达到稳定的这段时间( 指三相触头都已经稳定合上) 。 ( 9 ) 分闸速度：开关分( 闸) 过程中动触头的运动速度。 ( 1 0 ) 分闸时间：从接到分( 闸) 指令瞬间起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。 ( 1 1 ) 触头刚分速度：开关分( 闸) 过程中，动触头与静触头分离的瞬间的运动速 度。 ( 1 2 ) 开关合( 闸) 同期性：开关合时各极间及( 或) 同一极各断口间的触头接触 瞬间的最大时间差异。 ( 1 3 ) 开关分( 闸) 同期性：开关分时各极间及( 或) 同一极各断口间的触头分离 瞬间的最大时间差异。 ( 1 4 ) 分一合时间( 自动重合时) ：重合操作时，从所有极的弧触头都分离瞬间起到 首合极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。 ( 1 5 ) 合一分时间：在合操作中，从首合极各触头都接触瞬间起到随后的分操作时 在所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔。注：除非另有说明，即认为与开关装在一起 的分闸脱扣器是在首合极中各触头都接触瞬间通电。这种情况下的合一分时间是最短的 合分时间。 ( 1 6 ) 时间一电流特性：在规定操作条件下，表示时间( 例如动作时间) 作为预期 电流的函数的曲线。 为了全面准确地检测真空开关的机械特性参数，需要运用适当的检测手段，对开关 的分合闸线圈电压电流、触头接触信号( 检测动静触头接触与否) 、动触头行程曲线、 7 第二章高压开关机械特性测试系统的设计原理与方案 储能时间( 针对弹簧储能机构) 进行采集和分析，进而得到各个机械特性参数。 2 3 系统的功能及技术要求 1 ) 功能要求 ( 1 ) 可以实现开关单分、单合、合分、分合分、分合分合分、合分合分六种测试。 ( 2 ) 可准确测试最多1 2 个断口的开关不同期、分、合闸速度、时间等断路器机械 特性参数，兼顾旧标准要求测试的项目，同时涵盖了新标准要求测试项目；精确测量并 显示触头开距、断口波形、反弹幅值、弹跳、超程、过冲等参量。 ( 3 ) 可以测试带辅助触头的开关，精确的测试出并联电阻值、主辅配合时间、弹 跳值，并画出主辅触头动作曲线； ( 4 ) 精确的采样技术，系统的采样频率1 0 0k h z ，位移幅值分辨率可以达到1 4 位。 由上位机软件控制测试全过程以及后期数据的分析和管理。上、下位机通过网线进行连 接。 ( 5 ) 准确测试出触头行程，分、合闸线圈电流峰值以及变化曲线。 ( 6 ) 计算并显示出触头速度以及加速度的变化曲线。并可以根据“占行程百分 比”、“时间”、“行程三种定义方式分别定义触头运动速度，满足各种速度测试要 求。 ( 7 ) 能按照i e c6 2 2 7 1 1 0 0 2 0 0 1 ：0 5 以及g b l 9 8 4 2 0 0 3 标准的要求完成标准曲 线和实测曲线的图形比对。 ( 8 ) 打印出详细报告，报告内容包括单分、单合曲线、包络线、电流曲线等以及 参数列表；并提供强大的数据库功能，保存所有测试过的数据，并根据不同依据提供后 期查询功能。 2 ) 技术要求 ( 1 ) 测试系统需2 5 路通道同时采集，其中3 路行程采样通道，4 路电流采样通道 1 2 路数字触头采样通道，6 路模拟触头采样通道。单通道的采样率为1 0 0 k h z s ，1 6 m 字 节的数据存储器； ( 2 ) 时间分辨率0 0 1 m s ； ( 3 ) 合( 分) 闸时间、同期值测量范围：0 - - - 9 9 9 9 9 m s ； ( 4 ) 开关机械运动速度测量范围：o 1 5 m s ； ( 5 ) 可处理行程范围：0 - 7 5 0 0 m m ；行程一时间特性曲线幅值精度：传感器总长 6 5 5 3 5 ，行程一时间特性曲线幅值分辨率：传感器总长6 5 5 3 5 ； 8 长安大学硕十学位论文 ( 6 ) 线圈电流测试范围：0 - 1 5 a ( 标配) ；且可以定制测量范围：0 - - 3 0 0 a ； ( 7 ) 开关机械特性测试仪内置直流电源：0 5 a ，开关机械特性测试仪电压可调范 围：2 5 - 3 0 0 v ； ( 8 ) 行程一时间特性曲线采样频率：1 0 0k h z ，触头信号一时间特性曲线采样频率： 1 0 0k h z ，线圈电流波形采样频率1 0 0 k h z ； ( 9 ) 系统内蜀控制电源，控制电压为：d c4 8v - - - 3 0 0 v ，a c2 2 0v + 1 0 5 0 h z ； ( 1 0 ) 工作环境：1 0 - - 6 0 2 4 合分闸线圈电流特性分析 真空断路器在每次合、分闸过程中，直流线圈的电流随时间变化，变化波形中蕴藏 着极为重要的信息。铁心及合、分闸线圈是操作机构中的重要组成部分，是控制断路器 动作的关键性元件。当线圈通过电流时，在铁心内部产生磁通，动铁心受磁力吸引，带 动机械装置，使弹簧释放能量进而使断路器合闸或分闸。铁心及合、分闸线圈的结构示 意及等值电路如图2 3 所示【l o 】【1 5 】。 3 i - - 4 2 1 a ) 合、分闸线圈结构b ) 等值电路 图2 3 合、分闸线圈结构示意及等值电路图 在图2 3 中1 为铁心、2 为线圈、3 为顶杆，4 为铁轭。合、分闸线圈等值为一个 电阻r 和一个电感线圈l 。从能量角度看，合、分闸线圈的作用是把来自电源的电能转 换为磁能，并通过铁心的运动，再转化为机械能输出。下面结合图2 3 的等值电路分析 铁心在吸合过程中的动态性。当断路器接到合、分闸命令时，刀闸k 合上，线圈中通过 电流i ，电路微分方程如下： u ：r 掌i + 竺( 2 6 ) d t 式( 2 6 ) 中甲为磁通量。为简化分析，假设铁心不饱和，则有甲= l * i 。电杆l 不随i 变化，但随铁心的气隙6 的变化而变化，即： u ：r + i + 塑塑：r + i + ld i + id l 9 第二章高压开关机械特性测试系统的设计原理与方案 ：r + i + ld a + i 些幸箜 d t d 6d t ：r 枣i + la i + i 旦生+ v( 2 7 ) d td 6 当线圈刚接通电源时，由于线圈是感性元件，电流不能瞬时达到稳态值，而是逐步 由零增大。同时，铁心吸力也逐渐增大。在铁心吸力不足以使铁心动作时，6 = 6 咖为 常数，即铁心的运动速度为v = 0 。式( 2 7 ) 变为： u ：r i + l 1 坐 1 d t ( 2 8 ) 式中l 。为6 = 6 一时，线圈的电感。微分方程( 2 8 ) 的通解是： i ：c e 鲁+ 旦( 2 9 )i = c e l - + 兰( 2 9 ) r 式中c 为通解常数。由t = - 0 ，i = 0 的初始条件得微分方程( 2 。8 ) 的一个特解： t ：u e 屯 c 2 - 。， 因此，在铁心运动之前，线圈电流i 呈指数上升。在时间t 。，电流增大到动作电流i 。， 铁心的吸引力超过反作用力，铁心开始运动，丫 0 。等值回路中增大随时间增大的反电 势i i d l 丫，一般情况下，线圈电流i 比铁心刚开始运动时的电流i 。的数值要小，因此电 d o 流i 偏离指数上升曲线，不断下降。这一过程直到铁心的吸合，铁心停止运动，丫= 0 。 由式( 2 7 ) 电流的微分方程变为 u ：r i + l 坐 2 d t ( 2 1 1 ) l ：为6 = 6 面。时，线圈的电感。故电流以铁心停止t = t ：时的电流i ：为初值，按指数规律 上升，最后达到稳态值i = 詈。 上述变化过程可以用图2 4 中的典型合、分闸线圈电流特性波形说明：这一波形根 据铁心的运动，可以分为五个阶段： ( 1 ) 阶段i ，t = t 。t 。线圈在t o 时刻通电，到t l 时刻铁心开始运动。i 。为断路器合、 分闸命令下达时刻，是断路器合、分动作计时起点。t l 为线圈中电流、磁通上升到足以 驱动铁心运动，即铁心开始运动的时刻。这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心静止。 这一阶段的时间与控制电源电压及线圈的电阻有关。 1 0 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 阶段i i ，t = t 。t ：。铁心运动，电流下降。t 2 为控制电流的谷点，代表铁心已经触 动操作机械的负载而显著减速或停止运动。 ( 3 ) 阶段i i i ，t = t ，一t ，。铁心停止运动，电流又呈指数上升。 ( 4 ) 阶段i v ，t = t ，t 。这一阶段是阶段i i i 的延续，电流达到近似的稳定。 ( 5 ) 阶段v ，t = t 。t ，。电流开断阶段。此阶段辅助开关分断，在辅助开关触头间产 生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。 分析电流波形可知，t 。t 。时间电流可以反映线圈的状态，t 。t ：时间电流的变化 表征铁心运动结构有无卡涩、脱落、释放机械负载变动的情况。t ，一般是动触头开始运 动时刻。从t ，以后机构通过传动系统带动动触头合、分闸的过程，即动触头运动的过程； t 。为断路器的辅助触点切断的时刻；t 。t 。时间电流的变化可以反映机械操作机构传动 系统的工作情况。 通过对线圈电流的检测可以了解真空断路器机械操动机构的变动情况。线圈电流波 形上i l 、1 2 、1 3 三个电流值分别反映电源电压、线圈电阻及铁心运动的速度信息，也可 作为分析动作的参考。因此，实际记录每一次开关操作过程线圈电流的波形，分析上列 有关参数可诊断断路器机械操动系统的重要信息。根据测得的电流波形计算操动机构的 启动时间、线圈通电时间等，并可根据断路器自身参数范围比较判断操动结构是否已有 铁心空行程、弹簧卡滞等故障。通过对线圈电流特性的分析，为实际合、分闸线圈电流 的在线监测提供理论的参考。 加t l心t 3“ 图2 4 合、分闸线圈电流的特性曲线 2 5 断路器的主要机械参数的采集原理 ( 1 ) 分、合闸线圈电流信号的采集原理【1 6 】 - t 5 t ( m s ) 第二章高压开关机械特性测试系统的设计原理与方案 断路器分、合闸线圈的直流模拟信号经过电流传感器( 霍尔传感器) 变换成电流信 号，经过测量电阻r 将电流信号转换成输出电压，经过低通滤波器滤波的信号经a d 转换器进行模数转换处理，完成对合、分闸线圈电流进行高速数据采集。 ( 2 ) 动触头行程信号的采集原理【1 7 】 行程测量的基本要求是：即不能影响机构原有的机械特性和绝缘特性，又要真实反 映断路器的行程特性，同时还要便于安装，即检测传感器系统的适应性要强。行程的测 量是通过位移传感器将断路器的触头位移量转换为电信号，通过a d 转换器对行程数 据进行模数转换处理，完成对动触头行程信号的采集。 ( 3 ) 状态开关量的采集原理 状态开关量输入环节用以监视真空断路器的实际位置状态，需与单片机环节相互隔 离。将断路器一侧接上拉电阻接到高电平，另一侧接地，通过检测电平的高低判断断路 器的状态。 2 6 测试系统整体的规划 高压断路器机械特性测试系统采用上下位机的结构。下位机采用主从控制器设计模 式，主控制器采用a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 完成数据计算、显示、管理以及信息交互， 从控制器采用a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的e p l c 6 完成开关测试过程的逻辑控制、测试数 据的采集与存储。a r m 中嵌入了w i n c f a 2 组成本地操作系统。另外$ 3 c 2 4 1 0 芯片还要 根据通信协议的要求进行测试数据的打包处理，并通过网线把数据传给上位机。上位机 通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；通过图 形用户界面( g u i ) 技术，真正做到界面友好、人机交互。基本原理如图2 5 所示： 下位机上位机 控制电路 采集，光隔，信号 调理电路 负责参数的设 置，数据处 理，显示和良 好的人机界面 图2 5 高压断路器机械特性测试系统原理图 系统的结构主要由被测高压开关、传感器、下位机和上位机等四部分组成。传感器通常 通过物理层与下位机之间进行信号的传递。下位机把传感器的电信号转换成数字信号， 提供信号传输的差错控制机制，保证准确地把传感器信号传送到上位机。上位机通常是 p c 机、工控机或便携式电脑，能够提供更为灵活的信号传送方法，可通过图形方式显 示所采集的数据。 1 2 竺 一一一 长安大学硕士学位论文 以太网总线并不是工业总线，但由于它具有速度快、负载能力强、开发方便等优点， 所以选它作系统的通信总线。为了保证通信的可靠性，我们采用消息队列机制来保证它 的可靠性，并在通信协议中增加了容错机制。 采用上下位机的结构能很好地满足电力系统对开关检测的要求。下位机的高速性保 证了实时性，在下位机的w i n c e 平台上可以直接对高压开关进行测试并能在w i n c e 平台上进行分析。随着s d 卡容量的不断增大能满足大量现场采集数据的存储要求。上 位机的存储容量也能满足不断增长的大量现场采集数据的存储要求。本系统有三种测试 模式，上位机模式、下位机模式以及上下位机同步模式。上位机模式为上下位机建立连 接后由下位机负责数据的采集，上位机负责数据的处理和显示。下位机模式为下位机负 责数据的采集、处理和显示。上下位机同步模式为针对同一次的测试，下位机先负责数 据的采集，上下位机同时对采集的数据进行处理、分析和显示。 2 6 1 下位机设计方案 下位机是一个典型的数据采集+ w i n c e 操作系统，其所有的工作，都需要在一个特定 的平台上完成。因此，对下位机而言，首要任务就是平台的搭建，一般而言，微处理器 决定了系统的平台实现。系统选用的是s a m s u n g 公司的a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，这决定了 下位机将是一个比较典型的a r m 开发平台。 参考了网络上流行的$ 3 c 2 4 1 0 开发板原理图，经过精简，采用了$ 3 c 2 4 1 0 + f p g a + w i n c e 的最小系统，并保留了二个串口以用作p c b 板检测和程序调试。下位机 负责各类数据的采样工作并能在w i n c e 平台上对测试的数据进行处理、分析和存储。 它通过采集电路可以实现系统的实时性要求。行程通道选用了a d 7 8 6 5 对传感器模拟信 号进行a d 变换，a d 7 8 6 5 是高速( 1 0 0 k ) 1 4 位双极性d 转换器，行程传感器选用 5 0 m m - - 一1 0 0 0 m m 的高精度滑动变阻器。电流传感器采用精度小于1 的霍尔传感器，电 流通道和触头信号通道采集使用$ 3 c 2 4 1 0 上自带的1 0 位a d 采样。配合使用6 4 m s d r a m 。能达到系统所要求的2 1 路通道同时采集时采样频率达到1 0 0 k 。2 g 的s d 卡 能够存储多次的测试数据。选用网卡的通信接口能确保系统下位机向上位机发送数据时 间低于3 秒的要求。 2 6 2 上位机的设计方案 选用高档笔记本电脑为上位机。内部硬件配置为p 4 主板、1 6 g h z c p u 、5 1 2 m 内存、 8 0 g 硬盘、网卡。使操作人员携带方便，通过c + + b u i l d e r 开发软件完成数据采集、数 第二章高压开关机械特性测试系统的设计原理与方案 据分析、数据存储及其结果显示、结果查询、报表打印的功能。通过软件的滤波器可降 低干扰信号在有效信号中的比例使测试数据信噪比不低于5 0 d b 。上位机的存储容量也 能满足不断增长的大量现场采集数据的存储要求。 2 6 3 通信部分的设计方案 传统的高压开关机械特性测试系统一般都采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信接口，然而这 种通信的速度慢，不支持设备的热插拔。这些都给使用者带来了不便。随着以太网的迅 速发展，以太网以其通信速率高、设备标准化程度高、功能强大等特点在测试系统中得 到越来越多的应用。并且随着计算机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。 利用嵌入式软、硬件，设计者可以在a r m 系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌人 式以太网的出现为高压开关机械特性测试仪的设计者提供了一种下位机w i n c e 与上位 机w i n d o w sx p 通信的新途径。 通过研究通信总线技术，我们发现目前以太网越来越普及，由于其稳定和足够快 的通信速率，它开始应用于工业级的实时通信和控制。所以本系统的上下位机通信采用 以太网通信。基于以太网通信的系统有以下优点： ( 1 ) 通信速率快：以太网的传输速度很快，有的甚至达到1 0 0 m 的网速。而 r s 4 8 5 r s 2 3 2 的通信速率一般只有几千k