智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試系統(tǒng)

孫敬華，蔣曉旭

(河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001)

智能高壓開關(guān)設(shè)備是智能變電站的核心設(shè)備之一，它由開關(guān)設(shè)備本體和智能組件組成，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化的特征。相比傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備，智能開關(guān)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的信息接口，融狀態(tài)監(jiān)測、測控保護(hù)、信息通信等技術(shù)于一體，可滿足智能電網(wǎng)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化的需求。

國際大電網(wǎng)會議以及中國電力研究院關(guān)于某類型斷路器故障的統(tǒng)計調(diào)查顯示:斷路器的大多數(shù)故障(主要故障的70%和次要故障的86%)發(fā)生在機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要涉及操作機(jī)構(gòu)、檢測裝置和輔助裝置等[1]。可見，對于高壓斷路器實施機(jī)械特性的監(jiān)測，及時了解其運行狀況，掌握其運行特性變化及變化趨勢，對提高其運行可靠性極為重要。因此，本文介紹了一種自主研制開發(fā)的智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試系統(tǒng)及應(yīng)用效果。

1 測試系統(tǒng)需求分析

高壓斷路器由操動機(jī)構(gòu)動作，通過傳動部件的傳遞和變換，使動觸頭得到運動速度，并具有一定的運動規(guī)律。高壓開關(guān)機(jī)械特性試驗是指對高壓開關(guān)設(shè)備速度、時間、壓力、應(yīng)力等機(jī)械參數(shù)的測量。當(dāng)前對高壓斷路器機(jī)械特性測試主要有以下兩個方面:

1)行程信號，即測量行程—時間特性曲線;

2)分(合)線圈電流信號，即測量電流—時間特性曲線。

通過對這兩個信號的測量，再結(jié)合主回路電流信息或輔助節(jié)點信息，可以計算出分(合)閘時間、觸頭行程、剛分(合)速度、分(合)閘最大速度、分(合)閘平均速度等反映斷路器機(jī)構(gòu)機(jī)械動作特性的參數(shù);將分(合)線圈電流波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比對分析，還可以掌握電磁鐵鐵芯運動的大致情況[2-3]。

終上所述，該測試系統(tǒng)主要完成開關(guān)設(shè)備動觸頭行程信號，分、合閘線圈及儲能電流信號的測量及分析，測試系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)基本組成

1.1 動觸頭位移行程特性的監(jiān)測

目前，高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試主要對主觸頭行程、超程，及分合閘時間和速度進(jìn)行測量[4]。

由于斷路器動觸頭的運動形式為直線運動，實現(xiàn)斷路器機(jī)械特性直接、準(zhǔn)確測量的前提是能在動觸頭或在與動觸頭位移量完全相同的部位安裝線位移傳感器，但是高壓斷路器無法在其滅弧室內(nèi)安裝傳感器，也就無法直接測量斷路器的機(jī)械特性。因此為了測量斷路器的機(jī)械特性，可以采用間接測量方法，就是測量和動觸頭位移密切相關(guān)的轉(zhuǎn)軸的角位移，根據(jù)轉(zhuǎn)軸角位移和斷路器動觸頭線位移的對應(yīng)關(guān)系折算出動觸頭的行程特性曲線。目前多采用光電式位移傳感器和差動變壓器式位移傳感器與相應(yīng)的測量電路配合進(jìn)行檢測，其他常用的還有增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器或直線光電編碼器。

光柵式位移傳感器(又稱光柵尺)一般是利用刻在某種載體(如玻璃、晶態(tài)陶瓷或鋼帶等)上的隔扇作為測量的基準(zhǔn)[5-7]，其工作原理是利用感知光度變化的光電池掃描的方法進(jìn)行測量。光纖投射到已調(diào)整好的光柵上時，變化產(chǎn)生摩爾條紋圖案，當(dāng)光柵移動時，圖像的光強(qiáng)度將發(fā)生周期性的變化，這種變化被光電池接收后，經(jīng)電子信號處理，便可達(dá)到檢測位移量的目的。

設(shè)置了編碼類型以及脈沖計數(shù)類型，就可以利用式(1)把數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為位置信息:

式中:θ為旋轉(zhuǎn)角度;N為軸每旋轉(zhuǎn)一周過程中，編碼器所生成的脈沖數(shù)目;x為編碼類型;Edge_Count為脈沖點數(shù)。

直線位移和角度一般按照線性關(guān)系處理，從而可以計算出動觸頭位移量。

1.2 分合閘及儲能電機(jī)電流的監(jiān)測

分合閘及儲能電機(jī)電流是通過霍爾電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測的。霍爾電流傳感器是根據(jù)安培定律原理，利用霍爾器件來測量載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生正比于該電流的磁場。由于磁場大小(磁路)與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓信號U0可以間接反映出被測電流I1的大小。電流傳感器經(jīng)過了電-磁-電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。

操作線圈電流傳感器為閉環(huán)霍爾電流傳感器，采用磁平衡式(或稱磁補(bǔ)償式、零磁通式)原理。原邊電流(Ix)產(chǎn)生的磁場，通過一個副邊線圈的電流(Im)所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原、副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場達(dá)到平衡時，有

式中:N1、N2為原、副邊線圈的匝數(shù)。

根據(jù)式(2)，只要知道一二次線圈的匝數(shù)和二次補(bǔ)償電流的大小，就可以計算得到被測電流的數(shù)值，其補(bǔ)償原理如圖2所示。通過對二次補(bǔ)償電流Im進(jìn)行電流電壓變換、AD采樣就可以得到被測電流的大小。

圖2 霍爾電流傳感器原理圖

圖2所示的霍爾電流傳感器是單電源供電，如果采用正負(fù)雙電源供電，則二次補(bǔ)償線圈中的電流可以為正負(fù)兩個方向，從而保證能夠測試正負(fù)電流。

1.3 開發(fā)平臺的選擇

LabVIEW是基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境。由于采用流程圖的圖形化編程方式，也被稱為G語言(graphical language，圖形編程語言)，它是最早出現(xiàn)的編譯型的圖形化編程語言。它對數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)設(shè)計提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需要連接調(diào)用，就可以免去自己編寫程序的麻煩，且提供了豐富完善的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及各種接口總線和常用儀器的驅(qū)動程序[8-9]。

利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件實現(xiàn)對計算機(jī)可編程儀器的控制，很大程度上提高了編程效率。因此，本系統(tǒng)選擇LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)的語言。

1.4 基于MySQL的數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)管理的高級階段，與手工操作和文件管理相比，數(shù)據(jù)庫具有快速準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、冗余度小、可修改性和可擴(kuò)充性等明顯的優(yōu)點，非常適合大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲管理[10]。

LabVIEW本身并不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，但是由于LabVIEW提供了豐富的外部程序接口，例如Active和.NET。LabVIEW與數(shù)據(jù)庫連接有很多種方法，其中ADO是使用最為廣泛的技術(shù)，因為ADO組件集成于Windows操作系統(tǒng)中。

ODBC是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫的一個重要組成部分，它通過建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，最重要的是一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標(biāo)準(zhǔn)API，即應(yīng)用程序編程接口，它通過SQL來實現(xiàn)其大部分的功能。對于ODBC本身，它也提供了對SQL語言的支持，因此用戶可以直接將SQL語句傳遞給ODBC。ADO和ODBC訪問數(shù)據(jù)庫方式如圖3所示。

圖3 ADO和ODBC訪問數(shù)據(jù)庫方式

圖3中的ODBC驅(qū)動程序是針對每一類DBMS的，ODBC函數(shù)調(diào)用與數(shù)據(jù)源交互是通過動態(tài)鏈接庫的形式實現(xiàn)的，動態(tài)鏈接庫由數(shù)據(jù)庫廠商直接提供給用戶。ODBC到數(shù)據(jù)庫的接口形式就是通常所說的數(shù)據(jù)源，它是用來標(biāo)識需要訪問的數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的各種參數(shù)。在與數(shù)據(jù)庫連接之前，必須在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中建立數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源名是通過DSN(Data Source Name)來標(biāo)識的。

LabSQL VIs按照ADO對象分為三類，并分別位于不同的文件夾下:Command、Connection和Recordset。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，例如創(chuàng)建或刪除一個Command，對數(shù)據(jù)庫中的某一個參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙取onnection VIs用于管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的連接。Recordset VIs用于對數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對記錄中的某一條目進(jìn)行讀寫等。

2 測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊進(jìn)行簡單的信號處理，將信號送至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)經(jīng)軟件進(jìn)行處理后保存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的集中存儲和管理，其流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程框圖

在LabVIEW環(huán)境中控制各種DAQ板卡完成特定的功能，都離不開DAQ驅(qū)動程序的支持。NI公司對其全部的DAQ產(chǎn)品提供了專門的驅(qū)動程序庫，因此，在LabVIEW下應(yīng)用NI公司的DAQ產(chǎn)品無須專門考慮驅(qū)動程序的問題。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，還要對采集卡進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。首先進(jìn)行通道設(shè)置，當(dāng)有多路信號輸入數(shù)據(jù)采集卡時，必須為數(shù)據(jù)采集卡指定特定通道進(jìn)行操作。在數(shù)據(jù)采集卡上，不同的檢測信號送入不同的通道，所以要對不同的信號采集對應(yīng)不同的地址。在數(shù)據(jù)采集中按通道表列出的順序掃描通道，在數(shù)據(jù)輸出過程中按通道表列出的順序刷新，數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想進(jìn)行設(shè)計，分為7大模塊和若干個子模塊，各模塊分別實現(xiàn)獨立功能。另外，模塊之間耦合度低，使整個程序結(jié)構(gòu)更加清晰，降低了程序開發(fā)過程出現(xiàn)錯誤的概率，提高了程序的可靠性。采集系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

利用機(jī)械特性測試儀(KOCOS)和所研制系統(tǒng)同時對樣機(jī)特性進(jìn)行測試，并記錄測試結(jié)果。機(jī)械特性測試儀是專業(yè)斷路器自動測試分析系統(tǒng)，能夠測試包括斷路器、負(fù)載開關(guān)、隔離開關(guān)和接地開關(guān)等開關(guān)的機(jī)械參數(shù)，滿足從現(xiàn)場試驗到全自動出廠測試的任何應(yīng)用場合，適用于各種驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所有的測試可以手動或自動地完成，所有測量輸入都經(jīng)過特殊的線性光電耦合電路連接到儀器內(nèi)部，保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持極高的精度和線性頻率響應(yīng)，具有極強(qiáng)的抗干擾性和可靠性。在智能GIS機(jī)械特性測試中，常將開關(guān)特性測試儀作為測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，將其與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比，并通過計算驗證測量結(jié)果誤差是否滿足相關(guān)的規(guī)范和要求。機(jī)械特性測試儀與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)共用同一位移編碼器，調(diào)試過程中需通過接線端子將位移傳感器的信號同時傳遞給開關(guān)特性測試儀和測試系統(tǒng)，測試方案如圖7所示，小電流信號采集方案類似于位移傳感器信號采集。

圖7 位移傳感器信號測試方案

分閘時間和合閘時間的測量要用到分、合閘線圈接到指令的時刻，所以機(jī)械特性儀要用到電流傳感器。小電流傳感器可對斷路器的分合閘線圈電流和儲能電機(jī)電流進(jìn)行測量，由接收裝置采集其輸出信號，繪制出分合閘線圈的電流和儲能電機(jī)電流曲線，進(jìn)而掌握、分析機(jī)構(gòu)運行狀況。每組小電流傳感器包括3個操作線圈電流傳感器和1個儲能電機(jī)電流傳感器。

對高壓開關(guān)設(shè)備，大多情況下，小電流傳感器布置在智能組件柜內(nèi)，用于監(jiān)測分合閘線圈電流和儲能電機(jī)電流等信息。位移傳感器布置在斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)斷路器傳動軸上，傳感器信號信息直接上傳至主IED。

在聯(lián)調(diào)試驗和壽命試驗過程中，都需對斷路器進(jìn)行分合閘操作，以保證開關(guān)設(shè)備處于正常狀態(tài)。同時，通過KOCOS和測試系統(tǒng)需將所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以實現(xiàn)對所研制測試系統(tǒng)的誤差分析。

每次特性分別記錄KOCOS和測試系統(tǒng)所測得的行程曲線，合閘時間、分閘時間、合閘速度、分閘速度、儲能電機(jī)電流等特征參量，及重合閘過程中的合分時間、分合時間、一次電流、二次電流、合閘電流等。KOCOS測量數(shù)據(jù)作為測量標(biāo)準(zhǔn)，以此來判定測試系統(tǒng)的測量誤差。表1為本公司某型號產(chǎn)品機(jī)械特性試驗?zāi)炒蔚挠涗浉袷郊皩嶒灲Y(jié)果，是在1 000次開關(guān)設(shè)備壽命實驗室中所選取的任意一組樣本值。

表1 NI平臺與KOCOS計算精度比對

從表1可以看出，所有試驗特征數(shù)據(jù)誤差均在相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定范圍內(nèi)，能夠較好的滿足實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

1)基于數(shù)據(jù)庫的智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測試系統(tǒng)具有較好的數(shù)據(jù)管理能力和較大的數(shù)據(jù)存儲容量，便于試驗數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢，為后期測試系統(tǒng)的開發(fā)及新功能的增加奠定了基礎(chǔ)。

2)基于NI硬件和LabVIEW的測試系統(tǒng)，具有攜帶方便，數(shù)據(jù)存儲及處理方功能強(qiáng)大，便于擴(kuò)展等優(yōu)點。

3)智能高壓開關(guān)設(shè)備一次廠家能夠根據(jù)實際需求開發(fā)更有針對性的測試系統(tǒng)產(chǎn)品，打破了目前相關(guān)測試系統(tǒng)的壟斷。

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