（通信与信息系统专业论文）高压断路器动特性测量方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 文章首先介绍高压断路器的主要作用，以及测量高压断路器各种参量的重要性。 高压断路器是电力系统重要的控制和保护设备。随后讲述了相关的国内国外关于高 压断路器动特性的测量方法。在总结的基础上，提出了一种新型的测量高压断路器 动特性的测量方法。 在时间测量上，该方法采用了高速的光隔芯片，运用高速数字信号处理器采集 和计算数据，能够使时间测量的分辨率达到o 1 u s 。更重要的是，为了保证测量信号 的起始时间与高压断路器完全同步，该测量方法在设计时硬件电路上采用了继电器 信号反馈回路，有效的保证了时间测量的同步性。 在速度测量上，采用一种全新的位移传感器测量断路器动触头的运动信号，使 该测量方法的速度测量精度得到提高。而新型的万象节安装方法的设计，解决了目 前对于高压断路器难以测量准确的问题和各种速度采样尺无法安装的弊端，给现场 的用户提供了方便，降低了劳动成本。 本论文提出的高压断路器测量方法还可以同时测量断路器的合闸电阻、分合闸 线圈的电流、导电回路接触电阻等技术参数。为了实现这些测量功能，本论文中描 述了详细的设计方案，还做了大量的试验进行验证。该测量方法的提出可以满足现 场工作的急需，提高工作质量及效率，为高压断路器安全可靠运行提供技术保障。 关键字：运动参数传感器时间速度断路器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em o s t l yu s eo fh i g hv o l t a g es w i t c ha n dt h ei m p o r t a n c eo f m e a s u r i n gt h em u l t i f o r mp a r a m e t e rf i r s t l y h i 曲v o l t a g es w i t c hi st h ei m p o r t a n te q u i p m e n t f o rc o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i n gi ne l e c t r i cp o w e r s u b s e q u e n t l yt h em e a s u r e m e n to ft h e c o r r e l a t i v eh j 【g hv o l t a g es w i t c h sd y n a m i cp r o p e r t ya n dt h ea c t u a ll e v e li n l a n da n do u t l a n d a r ed e s c r i b e d i nt h eb a s eo fs u m m i n ga l lk i n d so ft e s t i n gm e a s u r e m e n t t h en e w m e a s u r e m e n to fh i 曲v o l t a g es w i t c h sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ep r o v i d e d i nt h et i m e m e a s u r e m e n t ，i ta d o p t sah i g h s p e e dc h i pa n du s e sd s pi nc a l c u l a t i n gs o t h a tt h ed i s t i n g u i s h i n gr a t ec a nr e a c ha t0 0 1u s e s p e c i a l l yt h ef e e d b a c kl o o pf o rr e l a yi s a d o p t e di nh a r d w a r ec i r c u i td u r i n gd e s i g n i n gf o rt h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h eh i g h v o l t a g e s w i t c ha n d s t a r t i n g t i m e o ft h em e a s u r e m e n ts i g n a l t h i sa s s u r e st h e s y n c h r o n i z a t i o no f t h et i m e m e a s u r e m e n te f f e c t u a l l y i nt h es p e e d m e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r e m e n ta d o p t san e wd i s p l a c e m e n ts e n s o rs o t h a tt h ep r e c i s i o no ft h es p e e d m e a s u r e m e n tc a l lb ei m p r o v e d a n dt h ed e s i g no ft h en e w m o r ed i r e c t i o n a ln o d ef o ri n s t a l l i n gs e r i e st h ep r o b l e mt h a tt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s f o rh i 乒v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rc a n n o tb em e a s u r e da c c u r a t e l ya n dt h el i m i t a t i o nt h a tt h e s e n s o rf o rm e a s u r i n gs p e e dc a n n o tb ei n s t a l l e d t h i sa f f o r d st h ec o n v e n i e n c ef o rt h e w o r k e ri nt h ea c t u a ll o c a l ea n dr e d u c e st h ec o s t t h em e a s u r e m e n tc a nm e a s u r e sc l o s er e s i s t a n c e ，l o o p - r e s i s t a n c e ，t h ec u r r e n ta n ds o o n t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g np r o j e c ti nd e t a i lf o rt h es a k eo fc o m p l e t i n gt h ef u n c t i o n a n dt a r g e ta n dal o to fe x a m i n a t i o n sc a nb ed o n ei no r d e rt ot h e s e t h es u c c e s so fs t u d y i n g m e a s u r e m e n tc a l ls a t i s f yt h en e e do ft h ea c t u a ll o c a l e ，a d v a n c e st h ew o r kq u a l i t ya n d c a r r i e so u tt h eg u a r a n t e ef o rt h es a f e t yr u no fh i g hv o l t a g es w i t c h k e y w o r d s ：m o v e m e n t p a r a m e t e r s e n s o rt i m es p e e ds w i t c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：旅董鹧 日期：伽y年厂月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密c k ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：獬鲞格 日期：协噼，月7 日 指导教师签名：曼叠孝 日期：劾啤，月p 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 背景及意义 1 绪论 高压断路器是电力系统中重要的控制和保护设备，是高压电器中最重要的一类电器 旺高压断路器能够关合、承载、开断运行回路的正常电流，也能在规定时间内关合、 承载及开断规定的过载电流( 包括短路电流) ，在工作过程中要经受电的、热的、机械 力的作用，还要受大气环境影响，并要能经久耐用。正常运行时，根据电网的需要， 接通或断开电路的空载电流和负载电流，起控制作用；当电网发生故障时，高压断路 器和保护装置及自动装置相配合，迅速、自动地切断故障电流，保障电网无故障部分 的安全运行，以减少停电范围，起保护作用【”。断路器的性能在i e c 6 2 2 7 1 1 0 0 2 0 0 1 高 压开关设备和控制设备第1 0 0 部分【3 1 【4 l ：高压交流断路器，以及我国国家标准 g b l 9 8 4 - 1 9 8 9 交流高压断路器中都规定了必备的各种性能峰j 。 总体来讲，要求高压断路器具有的最基本的功能为：1 、在关合状态时应为良好的 导体，在长时间工作时各部位温度和温升低于最大允许发热温度和允许温升；2 、在关 合状态的任意时刻，在尽可能短的时间内，能够开断额定开断电流及以下的各种故障 电流：3 、在开断状态的任意时刻，在短时间内能关合处于短路状态下的电路【6 】。而对 于断路器机械特性的测试也正是检测断路器是否功能完好的一项重要手断。g b 3 3 0 9 8 9 高压开关设备常温下的机械试验中详细规定了对于高压开关设备进行机械试验的 具体内容，另外g b l 9 8 4 - 2 0 0 3 的6 1 0 1 1 1 条规定还规定：高压断路器在型式试验前， 制造厂应提供断路器的参考机械行程特性曲线。试品在进行型式试验后测得的机械行 程特性曲线与参考机械行程特性进行比较，以便鉴定断路器的机械动作稳定性是否达 到标准规定的要求【3 ”。 由于电力系统对输变电的质量和可靠性要求提高，对于高压开关设备的性能要求 也越束越高，为了满足当今社会对高质量产品的要求，许多设计研究部门开展了大量 的工作，不仅要生产高质量的产品，其相应的检验和测试手段也在不断提耐”。经过长 时间的工作，目前国内外已经采用的测试高压断路器动特性的测量方法主要有：灯亮 华中科技大学硕士学位论文 法、电磁示波器法、电磁振荡器法、光电测速仪、转鼓测速仪测速法等。 1 2 发展概况和趋势 1 , 2 1 时间测量方法概述 一般情况下，低、中速断路器可以采用周波计数器或电秒表来进行测量，这种方 法也口q 灯亮法，可以比较直双的看出断路器各相断口之间的不同期性。采用周波计数 器测量断路器的时间参数，方法简单，但是测量结果分散性大，往往几次测量的结果 之间有很大的差别，而且测量结果同毫秒表的精度有关，毫秒表的精度高，测量的时 间量准确度就高：毫秒表的精度低，测量的时间量准确度就低。用数字毫秒表测量断 路器合闸时间的接线图如图1 1 所示。其中h c 为合闸接触器、d l 为主断路器、d l l 为断路器辅助接点、t 为电秒表、口为交流接触器、c j l 为接触器接点、h a 为供电按 钮、t a 为断电按钮。 卜 凡 图1 , 1 断路器合闸时间测量接线 首先，合上交、直流电源开关，当c j 合上时，分闸线路电源接通，同时电秒表开 始计时，至主断路器动、静触头分离时，电秒表停止计时，电秒表指示的时间即为断 路器的合闸时间。般来讲断路器的合分闸时间一t 分 t 分 o 0 8 s ，就称为中速断路器；断路器的合分闸时 间t 分 o 1 2 s ，就称低速断路器。快速断路器用电磁示波器或数字式电子毫秒表 塞进征测量生生l 磁丞渡置测量吐回量曲直洼地圈! ：2 压丞。甚虫! 为逝路登j2 盘公一 2 华中科技大学硕士学位论文 闸线圈、3 为合闸线圈、4 为分流器、5 为分压器、6 为示波器振子、k 1 k 4 为断路器 断口。 图1 2 电磁示波器测量 测量的分闸时间波形如图1 3 所示，时间t a b 为a b 段所跨越的时标周波乘以时标的 周期。若时标频率为1 0 0 0 h z ，则周期t 为l m s ，t a b = n t ( 式中n 为a b 段所跨越的时 标周波数。t a b 为分( 合) 闸时间，t b c 为分( 合) 闸时三相断口不同期。其中1 4 为 断口波形、5 为分闸电流线、6 为时标。合闸时间波形如图1 4 所示。其中1 6 为断口 波形、7 为合闸电流线、t a b + t b c 为合闸时间、t b c 为合闸不同期。 图1 3 分闸时间波形图 图1 4 合闸时间波形图 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 断路器速度特性的测量方法 我国对断路器速度特性的测量方法研究的历史很长，而且测量方法非常多，有电 磁震荡器测速法；光电测速仪，转鼓测速仪测速法等。但是这些方法操作起来都相当 困难。 1 2 3电磁震荡器测速法测量断路器的速度 采用电磁振荡器测量断路器的分、合闸速度是一种传统的测量方法。由于简单、方 便，被广泛采用【9 1 。电磁振荡器的结构如图1 5 所示。 6 1 振动弹片 z 一线t l l 3 铁心i t 一铅笔 5 振幅诃符螺丝l 6 厨定撮荔辫的患孔 图1 5 电磁振荡器结构示意图 电磁振荡器通以5 0 h z 的交流电源后，线圈中电流每经过一个峰值( 不论正或负) ， 弹片被吸引一次，因此弹片做每秒1 0 0 周的振动。将测速纸带预先固定在动触头导杆 的适当位置上，使其随着动触头的分、合闸做直线运动。震荡器固定在底座上，调整 好铅笔与纸带的压力。通电后，铅笔则垂直于纸带方向做1 0 0 周s 的振动。此种方法最 适合测量少油断路器的速度特性，难以适用运动速度非常快的断路器，尤其是真空断 路器。 图1 6 为合闸和分闸过程铅笔在纸带上画出的疏密不等的正弦曲线。其中a 为合闸 曲线，b 为分闸曲线、1 一动触头起始位置、2 一触头接触位置、3 一合闸终了位置、4 合闸位置、5 一触头离开位置、6 一动触头离开消弧室位置、7 一与缓冲器接触位置、 8 分闸终了位置。 整理分析振荡曲线，得出动触头各瞬间的行程一速度特性。 4 华中科技大学硕士学位论文 分闸过程动触头的总行程：s = a + b 。 式中： a 从合闸位置到动静触头接触瞬间的行程； b 触头接触后的超行程( 插入深度) 分闸过程动触头的总行程：s = a + b + c + d 式中：a 动静触头接触后的超行程； b 动触头在灭弧室中的行程； c 动触头离开灭弧室与缓冲器接触前的行程； d 缓冲行程 - - - - _ - - n 介 、，、八，、n ，、，1 uv vvvv vvvvv 、! 1 一- l o - i i | n ，、，、八八八 氮舢 io_一 一 rf v | vvvvvv vw w 【一口。1 1 c d 一 45 6 ，8 t 扪 图1 6 分合闸振荡曲线 上述各段行程可以手动缓慢分合闸时测得。将其标在振荡曲线上，以求出各瞬间 的速度。动触头各瞬间的速度可以按图1 7 来计算。 a 点的速度v a - - - - l l i t b 点的速度v b - - - - - ( 1 2 + 1 3 ) 2 t 采用电磁震荡器测速法测量油断路器的速度特性 要注意下面几点：一、油箱内要注满油；二、断路器直 流操作电压恒定；三、先手动分、合闸测量触头的行 程；振动片要选用较厚的中碳钢；四、纸带长度一定要大于横梁长度。 1 2 4 光电测试仪测量断路器的速度 光电测速仪由聚光灯泡、硅光电池和光栅板组成。光栅板是一个钻孔的钢板尺， 基堡壁鱼堑堕登塑璺堡堡堡塞：塑i 堡王坌塑型重堕兰：垄鲞塑堡圭量三q 竺竺卫二全一 5 华中科技大学硕士学位论文 孔，孔的大小以l o m m 和5 r a m 交替布置。因硅光电池输出讯号的强弱与受光面积的大 小有关，从而得到幅值不等的波形，以便于分析动静触头在整个分、合闸过程中各点 的速度。现在由于技术的进步，尤其是采用激光刻板技术，光栅板的孔间隙可以开的 很小，这样测量的精度和分辨率都会随着提高。只是某些断路器，由于动触头上面无 法安装光栅板，则光栅板不能保持与断路器动触头同步运行，则测量不了断路器的速 度、行程特性。 测速时，光栅板与断路器动触头用机械方法连接在一起，二者同步运动。当光脉冲 照射到硅光电池时，硅光电池就有相应的脉冲电流通过示波器振子，从而将触头位置 的变化转变为脉冲波形。将波形图上每个时标周期内的孔数乘以孔距( 厘米) ，即为该 周期的速度，如图1 8 所示。 口 c 口 r 曲驰毯剧uu l 一飞 | 时栎o 1 图1 8 断路器分闸波形图 此种方法的优点是结构简单、成本低，便于自制、重量轻和便于安装。缺点是必 须配以示波器才能使用，不能直接读取速度，对分合闸过程中的反跳现象显示不清。 1 2 5 转鼓测速仪测量断路器的速度 转鼓测速仪由转筒、传动系统和记录笔组成。转筒长度 由断路器的触头行程决定，转筒的周长为5 0 0 m m 。转筒由同 步电机带动，经变速系统使转筒的转速固定为2 r s ，其线速 度为1 0 0 0 m m s ( 5 0 0 m m x 2 r s ，即转速乘以转筒周长) 。转鼓 测速仪的结构如图1 9 所示。其中l 为记录笔、2 为记录笔 图1 9 转鼓结构图 华中科技大学硕士学位论文 夹件、3 为导轨、4 为测速杆、5 为转筒、6 为变速齿轮、7 为同步电动机。 测量时，将直角坐标纸覆在转筒表面，将测速杆与断路器动触头连在一起作同步 运动。给同步电机供电，使转筒匀速转动，操作断路器分闸( 或合闸) ，则记录笔在坐 标纸上画出一条行程与时间的关系曲线，其纵坐标表示断路器的实际行程，横坐标每 一毫米代表一毫秒。关系曲线如图1 1 0 。其中1 为合闸曲线、2 为分闸曲线、3 为刚分 刚合线、1 1 为合闸过冲程、1 2 为超行程、1 3 为分闸过冲程、t a b 为固分时间、t a b 为固 合时间、合闸速度为4 6 m s ，分闸速度为3 m s 。 在动触头行程与关系曲线上可直接读出任意点的分、合闸速度，即在曲线上量出须 测点前后各5 m s 所对应的纵坐标就是该点的速度，单位是m s 。剐分点a 后的l o r e s 及 刚合点a 前的l o m s 所对应的纵坐标的厘米数，即为刚分和刚合速度值，单位为m s 。 1 2 f j；且一 c - f 4 肇r 一，赫 ， r 一 图1 加行程时间关系曲线 转鼓测速仪的优点是可以直接读出速度值，缺点是比较笨重，而且转筒的转速已 经确定，则断路器触头的运动速度不能太快，否则记录笔不能准确记录断路器触头的 行程。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 测量系统的主要优点和功能 1 3 1 测量系统内置操作电源【1 0 】 该测试系统内置的操作电源直接控制断路器的合分动作。内置直流开关操作源的 输入为2 0 0 、a c ( 电压频率为5 0 h z ) ，输出从3 0 v c d 到2 3 0 v d c 连续可调( 主要是为 适用于各种不同型号的线圈电压) ，直流电压的稳定精度大于o 1 ，纹波系数小于o 1 ， 总的负载变化率5 。直流操作源的五个特殊点的具体情况如表1 1 所示。 另外，关于直流电源方面，该测量方法四个优点：装有电压源开启的指示灯( 具有 安全性、警告用户已有电压输出) ；有电压源的调节旋钮、可方便设定电压值；有指针 式电压显示表；操作电源同2 2 0 、，a c 输入电压隔离。用户还可以通过调节该电压源的 输出来简单测量断路器的最低动作电压，但该电压源不适合作为电磁操作机构的大电 流源使用，且不能长时间带负荷工作。 表1 1 操作源五个特殊点的要求 无负载时的电压( 直流)电流( a )负载变化率 2 41 01 0 4 88 5 8 0 65 l l o5 3 2 2 0 32 1 3 2 具有打印功能 自备微型热敏打印机，可以打印测量的时间数据、速度数据、时间测试时的断口 状态图，还包括打印站名、开关类型、开关编号、试验人员、试验日期。 1 3 3 具有波形显示功能 测量系统设计了3 2 0 * 2 4 0 型黑底白字液晶显示屏，能够实现友好的人机对话，可 以清楚地显示各通道的测量数据和各种波形图。具体的波形曲线有五种：行程一时问 曲线( s - t 曲线及每l m m 位移的时间值。移动光标可直接显示运动过程中每一点的行 华中科技大学硕士学位论文 程、时间参数值s 和t ，精确地描述了开关动触头运动的轨迹，反映出动触头运动过程 的全貌) 、断口状态示意图( 显示各路的时间跳变及分合闸状态的示意图) 、速度一行 程曲线( v - s 曲线及每1 r a m 位移的速度值，移动光标可直接显示任何一点的速度、行 程参数，其全面反映了速度在整个行程中的变化过程，但由于开关在合闸时会出现反 弹，故在速度一行程曲线后面的几点其1 r a m 位移对应的速度有可能是几个) 、电流一 时间曲线( i t 曲线反映了分合闸操作电流随时间的变化情况，移动光标可直接显示任 意一点的电流、时间参数值i 和t ) 。 1 3 4 配有上位机接口 设计了标准的串行接口( r s 2 3 2 ) ，可以通过r s 2 3 2 串行接口同上位机之间进行数据 传输，并由上位机进行相应的数据处理、编写波形图。另外，配备一台笔记本电脑及 相虚的数据管理软件，用上位机的数据管理软件对各种断路器的铭牌参数和测试结果 进行管理、存储、调用，并根据用户要求建立各种测试报告和图形，用上位机管理软 件控制分析数据，如果上微机外接了彩色打印机，则可实现各种数据图形的彩色和放 大打印功能。 1 3 5 可以存储测试数据、测量分合闸线圈电流、合闸电阻 设计采用闪烁存储器实现数据存储功能，且在断电后，数据不丢失，该设计电路 可以存储1 6 组测量数据以及波形。在控制分合闸线圈的继电器内装配两个电流传感器， 用1 4 位的a d 来实现合分闸线圈电流的测量。1 1 0 k v 以上电压等级的高压开关设备， 为了提高开关设备的开断能力，限制内部过电压，使各断口的灭弧时间降低，通常在 断口装设合闸并联电阻【1 1 】。在测量时，一般需要将合闸电阻解开后进行测量。该测量 方法不用解开合闸电阻与主触头的连接线，就可以测量出合闸电阻的阻值，其阻值的 测量范围为3 0 0 3 k q 。 1 3 6 主要优点 该测量方法是在广泛调查用户反馈意见的基础上，结合国内原来测量方法的优点， 对国内外大量的测量方法【1 2 】进行比较后设计而形成的一种新型断路器动特性测量方 法。它摒弃了早期电磁振荡器、光电测速仪及转鼓测速仪等仪器测速过程繁琐、精度 华中科技大学硕士学位论文 低、自动化水平低、无人机交换功能等缺陷，采用微型计算机技术，测试全面，尤其 是采样速度既快又准，且界面友好，是一种非常理想的高压开关配套测试仪器。用户 可以根据不同的开关类型采用不同的采样尺可适用于少油开关、多油开关、真空开关 及六氟化硫高压断路器等各种类型断路器的动特性综合测试，也可以适用于各种低压 电器，如接触器、继电器等的分合闸时间、同期性的测量。概括起来有七个优点：一、 能测量高压断路器的的合分闸时间、速度、开距、超程及弹跳时间、不同期时间；二、 采用该方法进行测量时，不拆开合闸电阻与主触头的连接线就可以测量合闸电阻，而 且能同时测量出辅助触头的提前投入时间；三、内置直流操作源，可驱动高压开关动 作，并能测量合分闸线圈电流，自动显示合分闸线圈电流的波形，用户可以根据线圈 电流的波形图简单分析判断出断路器的操作机构性能是否良好；四、试验数据能自动 存储【3 7 l ，采用面板式热敏打印机，打印速度快，噪声小，仪器可以打印测试结果、速 度波形、高压开关各个断口的时间跳变及分合闸状态波形和合分闸线圈电流波形；五、 采用中文操作菜单，界面直观，自动化程度高，还具有时钟显示功能【卅；六、设计的 内部采用了精确的软件数学采样模型和先进的滤波算法处理，大大简化了仪器的硬件 结构；七、打印时带音乐，由于高压开关动特性测试仪要测量和分析处理的数据非常 多，故该设计方案在打印过程中配有音乐。 设计的速度采样传感器具有很强的通用性。由于其配有的采样尺的类型有光栅传 感器、旋转角度传感器、滑线变阻器式位移传感器，故可适用于的断路器型号非常多， 可以解决了大部分断路器无法安装采样尺以及无法进行速度测量的弊端。测试仪断口 测试线的组合安装形式进行了全新的设计，避免了国内其它厂家的测试线一旦使用必 定会混乱，造成接线困难的状况。 1 4 论文的目的及内容 本论文共分6 章。 文章第1 章绪论如上。 第2 章详细介绍了测量高压断路器机械特性的基本原理。同时还叙述了测量合闸 电阻、线圈电流的原理。 华中科技大学硕士学位论文 第3 章详细介绍系统的硬件组成，介绍了各个模块设计，包括主控模块、电源模 块、时钟模块、r s 2 3 2 串口通讯模块、时间测量模块、速度测量模块等。 第4 章详细介绍系统的软件设计，分别描述了系统的整体软件流程图、速度测量 软件程序、合闸电阻测量软件。在此基础上，还介绍了对软件电路进行保护的设计方 案。 第5 章详细介绍试验情况及相应的数据分析。本章叙述了试验所采用的电路的设 计方案，以及进行试验后测量结果的数据分析，并得出结论该测量方法可以实现测量 高压断路器动特性性能的目的。 第6 章全文总结。 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 1 时间测量原理 2 测量方法的基本原理 时间测量1 4 5 i 是指对开关刚分( 合) 时间、同期性及弹跳次数、弹跳时间的测量。 在时间测量中，开关的动触头与静触头合上或分开时的状态相当于短路或开路，从动 触头和静触头所连接的金属部分上引两根信号线分别至测量回路的光隔信号输入端， 通过判断光隔信号电平的高低断定断路器的断口状态，同时记录在光隔信号电平发生 交化的时间间隔，就可以测量触断路器动作时动、静触头的刚分( 合) 时间、弹跳次 数和弹跳时间等参数。多个断口的测量是将多路信号线分别接至测量回路的各个不同 的光隔信号输入端，这样即可测出时间又能够算出同期性【1 3 】。 2 2 速度测量的原理 2 2 1 光栅传感器测量速度的原理 光栅传感器f 1 4 】是在一个标准长度的直尺上，用切割工艺开凿出间距相等的小孔。 在测量时，利用螺母及一些固定夹具将光栅传感器固定在所测开关的动触头上，在开 关动作时，光栅传感器会随着动触头同步运动，然后用计数器将光栅传感器走过的小 孔数记录下来，就可以计算出开关的行程及速度。 2 2 2 位移传感器测量速度的原理 在滑动电阻两端施加某一固定电压( 为了便于a d 采样，一般加i o v 电压) ，当滑 动触头的位置不同时，其对应的电压也不相同。在进行速度测量时，将滑动端固定在 断路器的动触头上，使得滑动电阻同断路器的动触头一起运动，就可以根据滑动电阻 上面电压的变化情况( 相对于时间而言) 来判断断路器触头的运动情况【1 5 】。同理，对 于角度传感器是把开关的动触头的运动用变化的电压来表示旋转过的角度值1 1 6 1 。 注意由于断路器类型很多 4 2 i ，速度快慢不同，测量系统为满足测速精度，只对一 堕堑旦! 墅圣堑旦! 鲎堑型量! 亟盟蛔型量里旦盟型量! ；整堑旦! 堕塑型量史型量丕一 华中科技大学硕士学位论文 统的数据记录是根据断口状态变化来记录的，而速度测量中测量系统的数据记录是根 据采样尺( 或者传感器) 信号变化来记录的，这样，在速度测量中，开关本身的驱动 回路以及操动机构的延迟时间是不会参与计算的【4 7 1 ，从而保证了速度测量中对动触头 速度的精确测量。 2 3 合闸电阻的测量原理 高压断路器安装合闸电阻( 有时也被称为并联电阻) 的主要作用就是为了限制操 作过电压，提高开关设备的开断能力、降低线路重合闸过电压等于扰【1 7 】。电力设备预 防性试验规程( d l l 5 9 6 1 9 9 6 ) 8 1 1 对于s f 6 断路器的试验项目中规定要测量合闸电 阻值和合闸电阻的投入时间；8 2 1 和8 5 1 则分别规定对于多油断路器、少油断路器和 空气断路器要测量灭弧室的并联电阻值，其值要符合制造厂规定，所以对于断路器合 闸电阻的检测有必要引起重视。而以往测量合闸电阻时，需要解开合闸电阻与主触头 的连接线，该测试仪采用一种新颍的合闸电阻测量方法，该方法不仅能轻松地测量出 合闸电阻值，还可一并测出断路器合闸电阻的提前合闸时间。 k 1 一辅助触头，k 2 主触头，r 一合闸电阻 图2 1 辅助触头与主触头并联连接原理图 由于断路器的主触头与辅助触头要在一定的时序配合下动作，国标g b l 9 8 4 2 0 0 3 高压交流断路器( h i g hv o l t a g ea l t e r n a t i n gc u r r e n tc i r c u i t b r e a k e r s ) 的附录f 2 4 断路 器时间参量的测量中f 2 4 1 1 规定当断路器装有并联分合闸电阻单元时，应记录电阻投 入的时i 可，同时f 2 4 1 2 规定在断路器合闸和分闸操作时，应确定每一类( 关合和开断) 控制触头和辅助触头的操作相对于主触头的操作时序。一般情况下，高压断路器主触 头与辅助触头的动作配合必须满足以下要求：在断路器作合闸动作时，带有合闸电阻 的辅助触头要比主触头提前一段时间( 该时间大约在7 m s 一1 l m s 之间) 接通，即断路 华中科技大学硕士学位论文 器合闸时的动作顺序为：首先辅助触头闭合，然后主触头闭合，如图2 1 所示。该 测量功能就是根据这个原理研制成【1 8 】。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 硬件方案设计 硬件设计的主要难点在于对断路器断口的快速动作时间进行测量，而且由于断路 器触头的运动时间非常短，使得位移传感器的电压信号的采样也非常困难，要在非常 短的时间内尽可能多采样测量点，以此来提高测量精度。整个系统硬件设计从性能上、 成本上、开发周期上进行了综合考虑。该测量系统的硬件设计大致分成八个模块：主控 模块( 实现测量系统的总体控制) 、电源模块( 产生测量所需的各种电源) 、时钟模块 ( 精确时钟显示电路) 、串口通讯模块( 与计算机进行信息交换) 、线圈电流测量模块 ( 采样测量断路器线圈电流) 、合闸电阻测量模块( 采样测量断路器触头并联的合闸电 阻阻值) 、时间测量模块( 测量断路器断口动作时间) 、速度测量模块( 测量断路器动 触头的运动速度) 。本章介绍各个模块的设计及主要芯片的选型。整个电路设计的框图 如图3 1 所示。 3 1 主控模块 图3 1 硬件设计整体框图 t i 公司的1 6 b i t 定点d s pt m s 3 2 0 f 2 0 6 19 1 ，是一种低功耗器件，采用了改进的哈 佛结构，有1 条程序总线和3 条数据总线，流水线操作，有高度并行3 2 一b i t 算术逻辑单 元、1 6 + 1 6 一b i t 并行硬件乘法器( 乘积为3 2 位) 、片内存储器、片内外设和高度专业化 华中科技大学硕士学位论文 的指令集。故在整个测量的设计电路回路中，采用t m s 3 2 0 f 2 0 6 芯片作为测量、计算 和控制主体【2 0 】。 f 2 0 6 的可寻址存储器空间为2 2 4 k 字( 程序空间6 4 k 字，数据空间6 4 k 字，i o 空间6 4 k 字，还有3 2 k 字的全局存储空间) 。片内双访问r a m 为5 4 4 字( 2 8 8 字用于 数据，另2 5 6 字可用于程序、数据) 。片内有闪速存储器3 2 k 字，单访问r a m 4 5 k 字 2 4 1 。程序控制采用4 级流水线操作、8 级硬件。 3 2 电源模块 1 、时间测量的1 2 个通道所加的1 2 v 电压，3 路为l 组，共计4 组，即为4 组不 相关的电源。由输入为2 2 0 v 的交流变压器引出1 3 6 v 、o 5 a 的电源线4 组，经过二极 管整流后滤波变换成1 2 v 直流。 2 、测量合闸并联电阻时运算放大器的工作电源，由交流变压器的 1 8 v 、0 5 a 的 电源线经过二极管整流后滤波变换成1 5 v ，这组电源同时供给l e a 2 8 电流传感器作为 工作电源，也供给内部的控制继电器作为线圈吸合电源。 3 、+ 5 v 和1 2 v 的芯片工作电源，由标准电源模块供给。 4 、位移传感器的工作电源，由标准的1 0 v 稳定精密电源供给( a d 5 8 7 芯片) ，该芯 片的电源电压可精确到1 0 0 0 0 v 。 5 、断路器操作电源【2 1 】，输入a c 2 2 0 v , 输出d c 0 2 4 0 v 连续可调，设计电路要满 足瞬间带负载的能力非常强，即在负载投入的1 秒钟内可以保持操作电压不降低。 3 3 时钟模块 测量系统设计了时钟模块电路，可以直接通过液晶显示屏标识出当前的月份和日 期以及时分秒【2 2 】，并自动存储当前的日期。测量从系统采用d a l l a s 公司的d s l 6 4 3 芯片来实现，该芯片功耗低，具有实时日历的功能，而且内置振荡电路，与微处理器 之间是并行接口。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 4 串口通讯模块 随着计算机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显得重要。串行通信 所用的传输线少，接口简单，因此被广泛应用于仪器仪表的设计中。所谓“串行通信” 是指外设和计算机间使用一根数据信号线( 另外需要地线，可能还需要控制线) ，数据在一 根数据信号线上位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这里 所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，c p u 与接口之 间仍按并行方式工作串口通讯的硬件电路设计如图3 2 所示。 图3 2 串口通讯硬件电路图 数据输入过程中( 即为数据接收期间) ，数据1 位1 位地从外设进入d s p 的r x 引 脚，r x 引脚逐位接收每个数据字符( l s b 在先) ，随后将数据移进“异步串行口接收 移位寄存器”a r s r ，当“接收移位寄存器”中已接收完1 个字符的各位后，数据就从“接 收移位寄存器”进入“异步数据发送与接收寄存器”a d t r ，对于d s p 来说a d t r 是一 个1 6 位的读、写寄存器，d s p 从中读取接收到的字符。“接收移位寄存器”的移位速度 由波特率发生器确定。 在数据输出过程中( 即为数据发送期间) ，d s p 把要输出的字符( 并行地) 送入 a d t r ，随后a d t r 的内容被传输到“异步串行口发送移位寄存器”a x s r ，然后由a x s r 移位，把数据l 位1 位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由波特率发生器确定。 在异步串行传输时，用波特率除数寄存器b r d 确定传输的波特率。b r d 当允许自 华中科技大学硕士学位论文 动波特率检测逻辑时，可由软件或端口加载，并在输入波特率采样；用“i o 状态寄存 器”i o s r 的各位( 称为“状态位”) 来指示输入波特率检测，每一个状态位都可以用来指 示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的d l l 位为1 表示“发送 寄存器”为空；用d 8 位表示“接收寄存器”为空；用d 2 位表示数据帧错误指示，检测在 接收期间是否发现有效停止位等。在这里采用i v i a x i m 公司的r s 2 3 2 芯片作线路驱动 器来进行缓冲。典型的异步串行传输程序为： r e g i o s r = o x 4 f f f ：丰设置状态寄存器 r e g _ b r d = 0 x 0 0 8 2 ： * 2 0 m 的晶振时波特率为9 6 0 0 * u n s i g n e di n ti m gi o s r ： u n s i g n e di n ti m g c h ： a s m ( ”s e t cx f ”) ： i m g i o s r ：r e gi o s r ： if “i m g i o s r o x 0 8 0 0 ) ! - 0 ) 丰发送程序十 fr e g _ a d t r = n t x b u f n t x c o u n t ： i f “i m g i o s r 0 x 0 1 0 0 ) ! = 0 ) 木接收程序 ( i m g c h = r e g _ a d t r ： 3 5 线圈电流模块 在控制分合闸线闸的继电器内装配两个电流传感器，传感器的型号为l e m r 瑞士莱 姆公司、直流电流电量传感器i a 2 8 n p ，其相应的指标为：输入直流电压2 2 0 w 1 1 0 v ， 选取1 5 a 量程测量范围：输出电流2 5 m a ；7 - 作电源为1 5 v ( 5 ) ；传感器功耗是 l o + i s m a ；精度为0 5 ；线形度为0 2 ：温漂在o 2 5 0 c 时为q - o 0 6 m a ( t y p e ) + 0 2 5 m a ( m a x ) ，在2 5 0 c - 7 0 0 c 时为0 1 0 m a ( t y p e ) _ + 0 3 5 m a ( m a x ) ；频带宽度为d c - - 1 5 0 k h z 。 由于分合闸线圈电流的测量范围定为4 0 m a 1 0 a ，分辨率定为4 0 m a ，则9 a 传感 器原副边的匝比为4 1 0 0 0 ，9 a 对应于3 6 m a ，3 0 m a 对应于0 1 2 m a ，选取5 v 的a d 则只能取1 0 0 q 的采样电阻，且最低的电压为o 1 2 1 0 0 = 1 2 m v ，则其本上1 2 位的a d 就可以实现测量精度。具体电路为电流传感器+ 运放+ a d 。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 6 合闸电阻测量模块 3 6 1 合闸电阻测量方案简述 该测量方法可以同时测量断路器三个断口的合闸并联电阻阻值，并联电阻阻值的 测量范围设为3 0 0 - 3 k q 。断路器各个断口的输出电压取为1 2 v ，另加1 k q 的分压电阻。 注意：为了留出一定的余度，在进行理论分析测量精度的计算时，有些情况下要把并联 电阻阻值的测量范围按照2 0 0 3 5k n 来进行计算。 当高压开关进行合闸动作时： 1 2 ( 1 + 0 3 ) 木0 3 = 2 7 7 v 1 2 ( 1 + 3 ) , 3 = 9 v 当高压开关进行分闸动作时： 1 2 ( 1 + 0 3 ) o 3 = 2 7 7 v 1 2 ( 1 + 3 ) , 3 = 9 v 故当从断口返回的电压信号在2 - 9 v 之间变化时，运算放大器a 2 所测的电压就是加 在合闸并联电阻上的电压。具体为当运算放大器a 2 的输出电压突然降为1 0 v 以下时， 就开始测量运算放大器a 1 的输出电压u 1 ，同时测出运算放大器a 2 的输出电压u 2 ， 则并联电阻的阻值为u 2 1 1 k q ，当运算放大器a 2 的输出电压突然降为零时则停止 计算。但由于a 2 的电压信号是直接取自断口的信号，则最好使其同后面电路隔离。目 前已经采取的方法是：运算放大器a 2 的工作电源单独供电，并且运算放大器a 2 采用 标准的隔离运算放大器i s 0 1 2 2 芯片，则可以从本质上解决断路器断口的电容电压信号 对合闸并联电阻测量采样回路的干扰问题，如图3 3 所示。 图3 3 测量合闸电阻的简单示意图 1 9 华中科技大学硕士学位论文 运算放大器a 1 输出的电压信号为外加分压电阻r 1 上的电压其范围为： 1 2 ( 1 + 0 2 ) i = 1 0 v 至1 2 ( 1 + 3 5 ) + 1 2 6 7 、 故运算放大器a 1 的输出信号在进入a d ( 取a d 的基准电压为5 v ) 前要进行分压 f 两个1 k o 的电阻串联进行分压) 。 运算放大器a 2 输出的电压信号为开关断口的并联电阻r 2 上的电压，其电压的变 化范围为： 1 2 ( 1 + 0 2 ) + 0 2 = 2 v 至1 2 ( 1 + 3 5 p 3 5 9 3 3v ， 故运算放大器a 2 的输出信号在进入a d ( 0 取a d 的基准电压为5 v ) 前要进行分 压( 两个1 k q 的电阻串联进行分压1 。 3 6 2 模拟信号采样 测量时，首先在断路器的断口( 图3 3 中的a 点、b 点) 上施加1 2 v 的直流电压。 为了方便时间信号采样，需要把一片高速光电隔离器( 该测试仪采用t o s h i b a 公司的 t l p 5 2 1 2 芯片、串接于断口。由于在测量电阻时还需要计算电流信号，故还要在断口上 串接一个精度为o 1 的纯电阻