摘要： 指出了基于特征狀態(tài)數(shù)據(jù)的接觸式高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀存在的問(wèn)題，提出了基于過(guò)程測(cè)量的非接觸式高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀測(cè)試解決方案的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其組成單元及主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了介紹。
關(guān)鍵詞： 高壓斷路器；機(jī)械特性；過(guò)程測(cè)量；非接觸
1 概述
高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試是開關(guān)生產(chǎn)、安裝、調(diào)試過(guò)程中不可缺少的一項(xiàng)內(nèi)容，對(duì)于檢測(cè)、鑒定斷路器的機(jī)械特性有重要的意義。固有分（合）閘時(shí)間、速度和行程、操作電源質(zhì)量（操動(dòng)繞組的I—U曲線）是高壓斷路器能否可靠工作的重要參數(shù)。由于高壓斷路器的動(dòng)作時(shí)間短，動(dòng)作時(shí)振動(dòng)大，早期的檢測(cè)裝置由于采樣技術(shù)和傳感器技術(shù)的水平所限，對(duì)于這些瞬變參數(shù)的檢測(cè)，尤其是對(duì)速度和位移的檢測(cè)缺乏可信的檢測(cè)手段；隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，目前出品的新型斷路器開距小、速度快，對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀的要求更加苛刻。因此，市場(chǎng)迫切需要一種具有先進(jìn)測(cè)試原理、現(xiàn)場(chǎng)操作方便、測(cè)量數(shù)據(jù)可靠的新型高壓斷路器測(cè)試儀器。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，為基于過(guò)程測(cè)量的非接觸高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)提供了可能。經(jīng)過(guò)反復(fù)的市場(chǎng)調(diào)研和對(duì)位移傳感器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的長(zhǎng)期跟蹤，北京合智誠(chéng)技術(shù)有限公司、西安高壓供電局變電修試所、焦作電廠檢修分廠聯(lián)合提出了基于過(guò)程測(cè)試的非接觸式高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀的實(shí)施方案，并經(jīng)過(guò)近一年的研制、試驗(yàn)取得了令人滿意的效果。該儀器根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 3309—1989和GB 1984—1989標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目和術(shù)語(yǔ)定義進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，它所能檢測(cè)的項(xiàng)目和數(shù)據(jù)的處理均優(yōu)于有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)速度和位移的測(cè)量方法獨(dú)特，傳感器不必與斷路器的動(dòng)作連桿接觸，使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量既方便又可靠，并且可實(shí)現(xiàn)過(guò)程測(cè)量，改變了以往狀態(tài)測(cè)量法的不足。
2 基于特征狀態(tài)測(cè)量法
狀態(tài)測(cè)量是指檢測(cè)裝置對(duì)被測(cè)參數(shù)的分析、處理和判斷只能基于一些特定的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而對(duì)其他非特征狀態(tài)數(shù)據(jù)不作記錄和響應(yīng)。目前對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性的測(cè)試，普遍采用的是這種基于特征狀態(tài)數(shù)據(jù)的接觸式測(cè)試儀。這種測(cè)試儀原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但卻只能對(duì)設(shè)備被測(cè)參數(shù)的粗略情況作出定性的判斷。它除了在固有分合閘的測(cè)量上能夠讓人接受外，在區(qū)分機(jī)械動(dòng)作時(shí)間、電氣響應(yīng)時(shí)間方面無(wú)能為力，對(duì)其他類參數(shù)的測(cè)試也不盡人意。
雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，目前許多電氣測(cè)量設(shè)備都已數(shù)字化，但是限于當(dāng)時(shí)儀器開發(fā)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的水平，許多測(cè)量設(shè)備的測(cè)試原理基本是從數(shù)字化的角度對(duì)傳統(tǒng)模擬測(cè)試方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的重新解釋，并沒(méi)有充分挖掘數(shù)字測(cè)量方式在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理方面的優(yōu)勢(shì)而作出適當(dāng)?shù)耐庋雍凸δ軘U(kuò)充，傳統(tǒng)高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀也不例外。
基于狀態(tài)測(cè)量的高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀對(duì)一些動(dòng)態(tài)特性測(cè)試、擾動(dòng)頻繁、多參數(shù)聯(lián)合衡量的測(cè)試不能很好地滿足要求。
�。�1） 對(duì)斷路器固有時(shí)間的測(cè)試。從定義上看，固有時(shí)間是指斷路器從發(fā)出動(dòng)作命令到第一個(gè)斷口分開或接觸之間的時(shí)間，其曲線見圖1，對(duì)于電路響應(yīng)時(shí)間和裝置本身的固有動(dòng)作時(shí)間不作區(qū)分。固有時(shí)間的計(jì)時(shí)起點(diǎn)由操作指令觸發(fā)，計(jì)時(shí)停止由第一個(gè)狀態(tài)改變的斷口信號(hào)觸發(fā)，即固有時(shí)間T=t1+t2，從操作繞組的電壓曲線看，時(shí)間t1是電路響應(yīng)時(shí)間，合理的講，斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該以最后一個(gè)斷口的位置改變?yōu)榻Y(jié)束，由于狀態(tài)測(cè)試的局限性，迫使我們?cè)谠摐y(cè)試中忽略了電路的響應(yīng)時(shí)間和斷口不同期時(shí)間，這其實(shí)是一個(gè)折中的妥協(xié)方案。
(2) 對(duì)速度測(cè)試。速度是個(gè)時(shí)刻量，目前多采用走完固定位移花掉多少時(shí)間的方式獲得一個(gè)平均值，位移—時(shí)間曲線見圖2。由于采用狀態(tài)測(cè)試需要明確的狀態(tài)標(biāo)志，因此指令發(fā)出時(shí)刻自然成了位移運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，而速度只能通過(guò)V=S1/（t1+t2）的方式獲得。因?yàn)�，在狀態(tài)測(cè)試中，t1時(shí)刻或者說(shuō)動(dòng)作原點(diǎn)時(shí)刻的特征不明顯，無(wú)法捕捉到；另外，在S1對(duì)應(yīng)的t2時(shí)間內(nèi)缺乏狀態(tài)測(cè)試需要給出的狀態(tài)標(biāo)志。所以，只好通過(guò)平均值獲得速度，這與以運(yùn)動(dòng)時(shí)刻為基準(zhǔn)定義的剛分/剛合速度的定義是相違背的。
(3) 對(duì)操作電源的性能測(cè)試。斷路器是否能夠正確動(dòng)作，既有來(lái)自其自身的原因，也有來(lái)自操作電源的原因（如操作電源容量不足、蓄電池老化或?qū)Ь�截面小等）。如何判斷原因來(lái)自哪個(gè)因素，用狀態(tài)測(cè)量不可能對(duì)操作電源的性能作出測(cè)試，因?yàn)樵跔顟B(tài)測(cè)試思維中根本不考慮操作中發(fā)生了什么事情，但是如果我們能夠基于過(guò)程測(cè)試的思維將操作過(guò)程中操動(dòng)繞組的I—U曲線記錄下來(lái)，見圖3，就能分析出問(wèn)題所在。
3 基于過(guò)程測(cè)量法
3.1 過(guò)程測(cè)量
所謂過(guò)程測(cè)量是相對(duì)于狀態(tài)測(cè)量而言的，其核心有2個(gè):①對(duì)被測(cè)參數(shù)作全過(guò)程記錄；②所有被測(cè)參數(shù)基于同一參考系，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的互相關(guān)聯(lián)。在過(guò)程測(cè)量的思維里，放棄了傳統(tǒng)的事件標(biāo)定方法（特征狀態(tài)或特征數(shù)據(jù)），所有被測(cè)量基于同一個(gè)參考系（多為時(shí)間參考系），所有事件的處理都基于這個(gè)參考系，并且同等持續(xù)地對(duì)待整個(gè)測(cè)試中的所有狀態(tài)或數(shù)據(jù)，這即簡(jiǎn)化了測(cè)試邏輯，也為相關(guān)量之間的互相標(biāo)定創(chuàng)造了可能。用過(guò)程測(cè)量的思維處理上述三個(gè)問(wèn)題顯得十分簡(jiǎn)單。
�。�1） 在斷路器固有時(shí)間的測(cè)試中，由于我們同時(shí)全過(guò)程記錄了斷口的狀態(tài)轉(zhuǎn)變和操作繞組電壓的變化曲線，且這兩個(gè)量有統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)，因此，很容易精確獲得電路響應(yīng)時(shí)間和斷路器自身的動(dòng)作時(shí)間。
（２）在速度測(cè)試中，我們能夠精確地把計(jì)時(shí)時(shí)間起點(diǎn)和位移時(shí)刻原點(diǎn)統(tǒng)一在一起，不必象狀態(tài)測(cè)試中那樣把計(jì)時(shí)時(shí)間起點(diǎn)定義在操作指令發(fā)出時(shí)刻，更為重要的是可以通過(guò)位移時(shí)間曲線切線斜率的方式求出任意時(shí)刻的即時(shí)速度，而不再是平均速度。另外，觸頭的彈跳情況也能在位移—時(shí)間曲線中再現(xiàn)出來(lái)。 (3) 通過(guò)對(duì)操作繞組上電壓、電流曲線的全過(guò)程記錄及其他參數(shù)的關(guān)聯(lián)記錄，可以明確區(qū)分到底是操作電源問(wèn)題還是操作機(jī)構(gòu)問(wèn)題，并且還能對(duì)繞組的電氣特性和操作電源的性能作出科學(xué)的評(píng)價(jià)。
其實(shí)，電氣設(shè)備在激勵(lì)源的激勵(lì)下達(dá)到某個(gè)狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出很多有價(jià)值的信息，這些信息往往比穩(wěn)定的狀態(tài)信息更有價(jià)值，以前限于測(cè)試手段、技術(shù)水平的原因，沒(méi)有對(duì)過(guò)渡信息進(jìn)行記錄和利用，隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)過(guò)渡信息進(jìn)行記錄已經(jīng)變成可能。
3.2 非接觸方式
利用過(guò)程測(cè)量方式，高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的科學(xué)精確測(cè)試，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性中位移、速度的非接觸測(cè)試。
目前，高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀在位移、速度的測(cè)試方面基本都采用接觸方式來(lái)獲得高壓斷路器的位移、速度信息，也就是必須將位移傳感器接觸安裝在斷路器的聯(lián)動(dòng)部分，通過(guò)接觸斷路器的運(yùn)動(dòng)來(lái)感受其運(yùn)動(dòng)信息。由于高壓斷路器的結(jié)構(gòu)和形狀各異，因此該方式在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試中十分困難，甚至不可能實(shí)現(xiàn)。
利用光反射偏移原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器速度、位移的非接觸測(cè)試。光電測(cè)量位移、速度原理圖見圖4。
從圖4中可以看出，被測(cè)物體在從位置h2運(yùn)動(dòng)到位置h1時(shí)，通過(guò)被測(cè)物體反射到測(cè)試平面的光線從S2運(yùn)行到S1 ，通過(guò)幾何關(guān)系很容易算出被測(cè)物體的位移h=h1-h2與測(cè)試平面的感受位移S=S1-S2之間的關(guān)系h=S/(2tgθ)由于θ值是已知的，S是可測(cè)量的，所以，可以通過(guò)反射光的偏移位移得到被測(cè)物體本身的位移h。由于光的速度很快，只要測(cè)試平面的掃描速度足夠快（20 kHz即50μs）即能夠?qū)\(yùn)動(dòng)物體的位移、速度實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)試。
實(shí)現(xiàn)位移、速度非接觸測(cè)試的好處:①不需現(xiàn)場(chǎng)煩瑣的安裝；②適應(yīng)所有的結(jié)構(gòu)（不包括沒(méi)有外露聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的）；③免受劇烈震動(dòng)的干擾；④不對(duì)斷路器的動(dòng)作造成任何障礙。
4 過(guò)程測(cè)量?jī)x的組成
�。�1） 電源單元：交流電源輸入，操作電源為交直流48～250 V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流可達(dá)20 A，當(dāng)被測(cè)斷路器分合閘回路的電流超過(guò)此電流值時(shí)可外接操作電源。穩(wěn)壓電源(恒壓源)具有體積小、質(zhì)量輕、輸出電流大、精度高及穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。由于操作電源與特性參數(shù)測(cè)量溶為一體，可直接控制斷路器合閘、分閘，同時(shí)將所有特性參數(shù)一并測(cè)出，并顯示或打印測(cè)量結(jié)果。
�。�2） 測(cè)量單元：測(cè)量單元包括行程（或位移）測(cè)量回路、計(jì)時(shí)回路、開關(guān)量（斷口分合）接入回路，斷路器只需動(dòng)作一次就可獲得相應(yīng)操作的所有測(cè)量數(shù)據(jù)。
�。�3） 中央處理單元：將各測(cè)量參數(shù)按照預(yù)先輸入的程序進(jìn)行運(yùn)算，判斷，并負(fù)責(zé)儀器內(nèi)各單元之間的通信、聯(lián)系、協(xié)調(diào)，故障診斷，接受和發(fā)出指令。
�。�4） 輸出單元：具有大屏幕顯示器，可用漢字顯示全部機(jī)械特性參數(shù)，打印機(jī)直接鑲?cè)朊姘�，可以表格形式漢字打印全部合分參數(shù)；可漢字顯示接線出錯(cuò)、拒合和拒分、數(shù)據(jù)溢出等各種故障。
5 主要技術(shù)指標(biāo)
掃描時(shí)間范圍0～1000ms，精度80μs；位移范圍0～400mm（100～500 mm），精度0.01mm；操作電壓輸入范圍DC-400～+400V，精度0.5V；操作電流輸入范圍0～120A，精度0.02A；采樣頻率大于10kHz ；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間6MB（可擴(kuò)充至14～30 MB）；模擬量通道8路（4～20mA、0～5V、0～10V可選）；開關(guān)量通道8路開入，6路開出；工作電源電壓AC220±10%；儀器最大功耗150W；工作環(huán)境溫度 -20～+85℃；相對(duì)濕度不大于80%。
6 結(jié)束語(yǔ)
由于基于過(guò)程測(cè)試的非接觸高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀，掃描、跟蹤、記錄了開關(guān)動(dòng)作的全部過(guò)程，并將相關(guān)參數(shù)統(tǒng)一在同一參考系（時(shí)間）下，不僅可以對(duì)開關(guān)的控制回路、操作機(jī)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果作出判斷，還可以對(duì)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)，這對(duì)于深入、全面地研究開關(guān)的動(dòng)作性能有著重要的意義，同時(shí)由于實(shí)現(xiàn)了速度、位移的非接觸測(cè)量，為現(xiàn)場(chǎng)高壓斷路器的速度、位移測(cè)試提供了簡(jiǎn)單、實(shí)用、科學(xué)的測(cè)試手段。
