高压断路器机械特性测试仪测试解决方案

 

　　断路器又叫空气开关，是一种很基本的低压电器，断路器具有过载、短路和欠电压保护功能，能保护线路和电源的能力。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，一获得了广泛的应用。

　　机械特性测试是开关生产、安装、调试过程中不可缺少的一项内容，对于检测、鉴定断路器的机械特性有重要的意义。固有分(合)闸时间、速度和行程、操作电源质量(操动绕组的I—U曲线)是高压断路器能否可靠工作的重要参数。由于高压断路器的动作时间短，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;随着现代工业技术的发展，目前出品的新型断路器开距小、速度快，对高压断路器机械特性测试仪的要求更加苛刻。因此，市场迫切需要一种具有先进测试原理、现场操作方便、测量数据可靠的新型高压断路器测试仪器。

　　随着计算机技术和传感器技术的发展，为基于过程测量的非接触高压断路器机械特性测试仪的实现提供了可能。

　　位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器,超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 　　电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 　　电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 　　位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

　　现状及发展趋势的长期跟踪，北京合智诚技术有限公司、西安高压供电局变电修试所、焦作电厂检修分厂联合提出了基于过程测试的非接触式高压断路器机械特性测试仪的实施方案，并经过近一年的研制、试验取得了令人满意的效果。该仪器根据国标GB 3309—1989和GB 1984—1989标准中有关检测项目和术语定义进行设计制造，它所能检测的项目和数据的处理均优于有关国家标准，对速度和位移的测量方法独特，传感器不必与断路器的动作连杆接触，使得现场测量既方便又可靠，并且可实现过程测量，改变了以往状态测量法的不足。

　　2　基于特征状态测量法

　　状态测量是指检测装置对被测参数的分析、处理和判断只能基于一些特定的状态数据，而对其他非特征状态数据不作记录和响应。目前对高压断路器机械特性的测试，普遍采用的是这种基于特征状态数据的接触式测试仪。这种测试仪原理简单，易于实现，但却只能对设备被测参数的粗略情况作出定性的判断。它除了在固有分合闸的测量上能够让人接受外，在区分机械动作时间、电气响应时间方面无能为力，对其他类参数的测试也不尽人意。

　　虽然随着计算机技术的普及，目前许多电气测量设备都已数字化，但是限于当时仪器开发时计算机技术和传感器技术的水平，许多测量设备的测试原理基本是从数字化的角度对传统模拟测试方法进行简单的重新解释，并没有充分挖掘数字测量方式在数据存储、处理方面的优势而作出适当的外延和功能扩充，传统高压断路器机械特性测试仪也不例外。

　　基于状态测量的高压断路器机械特性测试仪对一些动态特性测试、扰动频繁、多参数联合衡量的测试不能很好地满足要求。

　　(1) 对断路器固有时间的测试。从定义上看，固有时间是指断路器从发出动作命令到第一个断口分开或接触之间的时间，其曲线见图1，对于电路响应时间和装置本身的固有动作时间不作区分。固有时间的计时起点由操作指令触发，计时停止由第一个状态改变的断口信号触发，即固有时间T=t1+t2，从操作绕组的电压曲线看，时间t1是电路响应时间，合理的讲，断路器的固有动作时间应该以最后一个断口的位置改变为结束，由于状态测试的局限性，迫使我们在该测试中忽略了电路的响应时间和断口不同期时间，这其实是一个折中的妥协方案。

　　

 

　　图1　固有时间曲线

　　

 

　　图2　位移—时间曲线

　　(2) 对速度测试。速度是个时刻量，目前多采用走完固定位移花掉多少时间的方式获得一个平均值，位移—时间曲线见图2。由于采用状态测试需要明确的状态标志，因此指令发出时刻自然成了位移运动的起点，而速度只能通过V=S1/(t1+t2)的方式获得。因为，在状态测试中，t1时刻或者说动作原点时刻的特征不明显，无法捕捉到;另外，在S1对应的t2时间内缺乏状态测试需要给出的状态标志。所以，只好通过平均值获得速度，这与以运动时刻为基准定义的刚分/刚合速度的定义是相违背的。

　　(3) 对操作电源的性能测试。断路器是否能够正确动作，既有来自其自身的原因，也有来自操作电源的原因(如操作电源容量不足、蓄电池)

　　电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反映将化学能或者物理能转化为电能。电池即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负两极浸泡再能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。

　　老化或导线截面小等)。如何判断原因来自哪个因素，用状态测量不可能对操作电源的性能作出测试，因为在状态测试思维中根本不考虑操作中发生了什么事情，但是如果我们能够基于过程测试的思维将操作过程中操动绕组的I—U曲线记录下来.

 

　　3　基于过程测量法

　　3.1　过程测量

　　所谓过程测量是相对于状态测量而言的，其核心有2个:①对被测参数作全过程记录;②所有被测参数基于同一参考系，可以实现相关参数的互相关联。在过程测量的思维里，放弃了传统的事件标定方法(特征状态或特征数据)，所有被测量基于同一个参考系(多为时间参考系)，所有事件的处理都基于这个参考系，并且同等持续地对待整个测试中的所有状态或数据，这即简化了测试逻辑，也为相关量之间的互相标定创造了可能。用过程测量的思维处理上述三个问题显得十分简单。

　　(1) 在断路器固有时间的测试中，由于我们同时全过程记录了断口的状态转变和操作绕组电压的变化曲线，且这两个量有统一的时间坐标，因此，很容易精确获得电路响应时间和断路器自身的动作时间。

　　(2)在速度测试中，我们能够精确地把计时时间起点和位移时刻原点统一在一起，不必象状态测试中那样把计时时间起点定义在操作指令发出时刻，更为重要的是可以通过位移时间曲线切线斜率的方式求出任意时刻的即时速度，而不再是平均速度。另外，触头的弹跳情况也能在位移—时间曲线中再现出来。

 　　(3) 通过对操作绕组上电压、电流曲线的全过程记录及其他参数的关联记录，可以明确区分到底是操作电源问题还是操作机构问题，并且还能对绕组的电气特性和操作电源的性能作出科学的评价。

　　其实，电气设备在激励源的激励下达到某个状态的过渡过程中会表现出很多有价值的信息，这些信息往往比稳定的状态信息更有价值，以前限于测试手段、技术水平的原因，没有对过渡信息进行记录和利用，随着技术的发展，对过渡信息进行记录已经变成可能。

　　3.2　非接触方式

　　利用过程测量方式，高压断路器机械特性测试仪不仅可实现对参数的科学精确测试，还可实现对高压断路器机械特性中位移、速度的非接触测试。

　　目前，高压断路器机械特性测试仪在位移、速度的测试方面基本都采用接触方式来获得高压断路器的位移、速度信息，也就是必须将位移传感器接触安装在断路器的联动部分，通过接触断路器的运动来感受其运动信息。由于高压断路器的结构和形状各异，因此该方式在现场的测试中十分困难，甚至不可能实现。

　　利用光反射偏移原理可实现对高压断路器速度、位移的非接触测试。光电测量位移、速度原理图见图4。?

　　

 

　　图4　光电测量位移、速度原理图

　　从图4中可以看出，被测物体在从位置h2运动到位置h1时，通过被测物体反射到测试平面的光线从S2运行到S1 ，通过几何关系很容易算出被测物体的位移h=h1-h2与测试平面的感受位移S=S1-S2之间的关系h=S/(2tgθ)由于θ值是已知的，S是可测量的，所以，可以通过反射光的偏移位移得到被测物体本身的位移h。由于光的速度很快，只要测试平面的扫描速度足够快(20 kHz即50μs)即能够对运动物体的位移、速度实现非接触测试。

 

　　实现位移、速度非接触测试的好处:①不需现场烦琐的安装;②适应所有的结构(不包括没有外露联动机构的);③免受剧烈震动的干扰;④不对断路器的动作造成任何障碍。

 

　　4　过程测量仪的组成

　　(1) 电源单元：交流电源输入，操作电源为交直流48～250 V连续可调，最大输出电流可达20 A，当被测断路器分合闸回路的电流超过此电流值时可外接操作电源。

　　稳压电源就是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置，包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

　　(恒压源)具有体积小、质量轻、输出电流大、精度高及稳定性能好等特点。由于操作电源与特性参数测量溶为一体，可直接控制断路器合闸、分闸，同时将所有特性参数一并测出，并显示或打印测量结果。

　　(2) 测量单元：测量单元包括行程(或位移)测量回路、计时回路、开关量(断口分合)接入回路，断路器只需动作一次就可获得相应操作的所有测量数据。

　　(3) 中央处理单元：将各测量参数按照预先输入的程序进行运算，判断，并负责仪器内各单元之间的通信、联系、协调，故障诊断，接受和发出指令。?

　　(4) 输出单元：具有大屏幕显示器，可用汉字显示全部机械特性参数，打印机直接镶入面板，可以表格形式汉字打印全部合分参数;可汉字显示接线出错、拒合和拒分、数据溢出等各种故障。

　　5　主要技术指标

　　扫描时间范围0～1000ms，精度80μs;位移范围0～400mm(100～500 mm)，精度0.01mm;操作电压输入范围DC-400～+400V，精度0.5V;操作电流输入范围0～120A，精度0.02A;采样频率大于10kHz ;数据存储空间6MB(可扩充至14～30 MB);模拟量通道8路(4～20mA、0～5V、0～10V可选);开关量通道8路开入，6路开出;工作电源电压AC220±10%;仪器最大功耗150W;工作环境温度 -20～+85℃;相对湿度不大于80%。

　　6　结束语

　　由于基于过程测试的非接触高压断路器机械特性测试仪，扫描、跟踪、记录了开关动作的全部过程，并将相关参数统一在同一参考系(时间)下，不仅可以对开关的控制回路、操作机构的响应结果作出判断，还可以对过渡过程进行再现，这对于深入、全面地研究开关的动作性能有着重要的意义，同时由于实现了速度、位移的非接触测量，为现场高压断路器的速度、位移测试提供了简单、实用、科学的测试手段。