高壓斷路器碟簧特性測試系統的設計

周蘭蘭 李 華

高壓斷路器碟簧特性測試系統的設計

周蘭蘭 李 華

（山東科技職業學院，山東 濰坊 261053）

本文設計一種高壓斷路器液壓彈簧操動機構碟簧特性測試系統。該測試系統以PIC16F877A單片機為主控制器，利用拉線式模擬位移傳感器和壓力變送器完成碟簧壓縮量和系統油壓的測量，結合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設備實現人機交互。硬件方面合理地設計了調理電路，并在軟件設計中進行數字濾波處理，軟硬件相結合，減小了隨機測量誤差，提高了測量系統的準確性和穩定性。測試系統校準結果表明，該測試系統性能穩定、測試結果準確，滿足現場測試要求。

高壓斷路器；碟簧特性；測試系統；單片機；系統校準

0 引言

高壓斷路器是電力系統中重要的電氣設備之一，是在正常或故障情況下接通或斷開高壓電路的專用電器，在保障電力系統的安全方面起關鍵作用。在高壓斷路器的生產及使用維護過程中，對儲能碟簧的特性進行測量，一方面是為了測試碟簧的儲能特性，另一方面通過保壓試驗可以間接地測試液壓系統的內部密封效果。因此，有效地進行碟簧特性測試，保證碟簧工作的可靠性，對于提高液壓彈簧操動機構的整體性能具有重要意義[1-2]。

液壓彈簧操動機構利用碟形彈簧組作為儲能元件，由液壓實現能量傳遞，驅動開關動觸頭完成分、合閘動作。要保證操動機構動作的可靠性，就要求儲能碟簧具有良好的儲能性能；為了使開關能可靠地保持在合閘或分閘狀態，就要求液壓系統具有良好的內部密封性，避免因內部泄漏引起系統壓力不足而出現誤操作[3]。碟片彈簧裝置的儲能狀態可以通過各個壓力閉鎖點對應的碟簧壓縮量及系統油壓得到反映，每個閉鎖點的碟簧壓縮量和系統油壓值必須在規定的合理范圍內，才能保證操動機構具有良好的性能；液壓系統的內部泄漏油情況則通過保壓試驗來測試，通過24h或48h內碟簧壓縮量和系統油壓的變化量，判斷系統的內部密封性。根據以上對液壓彈簧操動機構工作原理及彈簧特性的分析，反映碟簧特性所需的主要參數有限位開關動作時刻、碟簧的壓縮量和液壓系統的油壓。

目前國內外操動機構生產廠家在檢測高壓斷路器儲能彈簧的性能和液壓系統的內部密封性時，都是采用人工手動測量的方式，這不僅會引入不必要的人為誤差，影響測試結果的客觀性，而且人工測量的效率比較低。對于操動機構生產廠家來說，一款操作方便、運行穩定可靠的碟簧特性測試設備，是保證操動機構產品質量、提高測試效率的有力保障，也是后期產品維護的得力助手[4-5]。因此，設計與研制一款便攜式碟簧特性測試設備具有較高的工程應用價值[6-7]。

1 系統方案

根據用戶的現場測試需求，提出高壓斷路器碟簧特性測試系統的主要技術指標如下：

1）壓力測量范圍為0～100MPa，測量不確定度為0.3MPa。

2）壓力測量響應時間為20ms。

3）位移測量范圍為0～100mm，測量不確定度為0.5mm。

4）同時采集4路限位開關觸頭信號。

測試系統的主要功能為：

1）自動采集限位開關觸頭信號。

2）測量系統油壓。

3）測量碟簧壓縮量（通過測量位移實現）。

4）能夠進行參數設置和測試結果輸出。

5）保壓試驗時，自動記錄并輸出測試結果。

根據設計指標提出的要求，分析需要實現的功能，提出測試系統的主體方案如下：以PIC16F系列單片機為主控制器，結合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設備實現對碟簧特性的測量，其中壓力的測量采用壓力傳感器實現，位移測量采用模擬式位移傳感器實現。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

圖1中按鍵和液晶顯示部分可實現簡單的人機交互，微型打印機用于測試結果的輸出，Flash則實現重要數據的斷電保存，實時時鐘用于設置測試儀的時間，使其與現實時間一致，從而便于測試結果的記錄和存檔。

2 硬件設計

測試系統的硬件系統主要包括單片機最小系統及人機交互部分電路、限位開關信號采集調理電路、壓力信號調理電路、模擬位移采集調理電路等。

2.1 單片機最小系統及人機交互部分電路

設計中選用Microchip公司的PIC16F877A作為主控單片機，實現數據采集和處理。該部分主要包括單片機最小系統（電源、晶振、復位）電路和實時時鐘、按鍵、LCD顯示、打印、Flash等功能器件的選擇及其與單片機之間的電路連接。其中，實時時鐘選擇集成芯片DS1302，顯示用LCD12864液晶顯示器，存儲器選用512×8bit的W29C040 CMOS Flash存儲器。單片機最小系統電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統電路

2.2 限位開關信號采集調理電路

測試中需要同時采集四路限位開關信號，并測量開關信號狀態變化點處的位移和壓力數據。限位開關信號作為開關量，可以直接由單片機的I/O口進行測量，電路設計中只需要在I/O口處作簡單的RC濾波即可。限位開關信號采集調理電路如圖3所示。

圖3 限位開關信號采集調理電路

2.3 壓力信號調理電路

壓力測量選用YMC—4B型壓力變送器，該變送器采用DC 24V供電，測量范圍為0～100MPa，輸出為4～20mA標準信號，因此調理電路需要完成電流-電壓轉換、信號濾波，將傳感器輸出信號轉換成單片機A/D口所需的電壓信號，完成壓力信號的采集[8]。壓力信號調理電路如圖4所示。

圖4 壓力信號調理電路

圖4中，通過125Ω精密電阻實現電流-電壓轉換，將壓力變送器輸出的4～20mA電流信號轉化成0.5～2.5V的電壓信號，經RC低通濾波電路濾除高頻干擾信號后直接進入單片機的A/D采集通道[9]。

2.4 模擬位移采集調理電路

位移測量選用電位器式拉線位移傳感器，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出。電位器式位移傳感器的優點是結構簡單、輸出信號大、使用方便、價格低廉，缺點是易磨損。

設計中綜合考慮測試要求，選擇LXW系列拉線位移傳感器，該設備采用DC 5V供電，有效測量范圍為0～120mm，滿足測量要求（一般測量時位移小于100mm）。輸出信號為1～7mA，線性度優于0.8%F.S.。該位移傳感器在10mm處輸出為1mA，因此在安裝時，其拉繩需要有一定的預拉伸長度，保證傳感器工作于線性狀態[10]。

模擬位移調理電路如圖5所示。在該電路中，用250Ω的標準電阻將位移傳感器輸出的電流信號變換成電壓信號，再經過測量放大器AD623，將電壓信號變換成單片機A/D口需要的0～2.5V的電壓。當AD623的增益電阻取為180kΩ時，放大倍數為

此時最大輸入電壓對應的位移為118mm，能滿足測量要求，因此選擇增益調整電阻為180kΩ。其中，增益的微調可用RV1實現。

在保壓測試時，為了實現微變位移量的測量，采用分段采樣的方式提高測試通道的分辨率，即用模擬通道的整個測量范圍實現某一特定區段位移的測量。如在本設計中，使AD通道滿量程僅完成75～100mm區段位移的測量，大大提高了測量分辨率。電路的原理與圖5所示相同，只是電阻分壓部分的3改為10kΩ，將5改為9.1kΩ，再將反饋電阻7改用13kΩ。測試結果表明，該測試方法有效提高了測量分辨率，從原來的0.03mm提高到0.01mm，可以較好地監測保壓試驗中碟簧位移的微量變化。

3 軟件設計

系統采用PIC單片機開發環境Maplab進行軟件設計，采用C語言進行模塊化編程，實現系統的測試功能[11]。軟件設計主要包括位移校準、性能測試和時間設置三個功能，系統軟件設計框圖如圖6 所示。

為了提高測量準確性，對位移進行動態校準，利用初始位移、終止位移及用戶輸入的標準位移值來動態計算位移校準系數，從而可以方便、準確地對位移進行實時測量。性能測試程序主要由特性測試和保壓試驗兩部分組成，特性測試過程中采集限位開關信號，并記錄開關狀態變化時刻碟簧的壓力和位移值，測試結束后可根據用戶要求打印輸出測試結果；保壓試驗中，主要完成保壓時間的設置和測試結果的輸出打印及顯示。時間設置程序對實時時鐘芯片的時間進行設置，使其跟現實時間保持一致，便于對測試結果進行保存和后續分析。對儀器的操作參數設置主要通過按鍵和顯示配合來實現[12]。

圖6 系統軟件設計框圖

4 測試結果及分析

設計通過應變式稱重傳感器與拉線式位移傳感器配合使用，實現儲能液壓機用彈簧性能的自動測試，并且自動打印輸出測試報告。

為了校驗測試系統是否滿足預期的性能要求，首先對測試系統進行檢定和校準，然后通過現場測試，對其進行重復性評定。

4.1 系統校準

將設計完成的碟簧特性測試系統在陜西省計量科學研究院進行檢定和校準，壓力校準采用一等標準活塞式壓力計，位移校準采用二等量塊，校準現場如圖7所示，校準所得數據見表1和表2。

表1的壓力校準數據表明，壓力的最大測量誤差為0.2MPa。表2的位移校準數據表明，模擬位移的最大測量誤差為0.27mm。

由表1數據可得，壓力測量通道的最大測量誤差百分比為

圖7 校準現場

表1 壓力校準數據 單位: MPa

表2 位移校準數據 單位: mm

壓力校準結果為：壓力測量通道準確度等級為0.2級。

由表2數據可得，模擬位移測量通道的最大測量誤差百分比為

壓力和位移的測量誤差均能滿足工業現場測試的需求。

4.2 系統重復性評定

為了進一步評定系統測試結果的準確性，在校準的基礎上，需要對測試系統進行重復性測試[13]。

現場測試所得的壓力重復性測試數據見表3。

表3 壓力重復性測試數據 單位: MPa

由表3可得，壓力的A類不確定度為

式中：()為標準差；為測量次數。

壓力校準數據表明，壓力的最大測量誤差為0.2MPa，則壓力的B類不確定度為

壓力的合成標準不確定度為

現場測試所得的位移重復性測試數據見表4。

按照上述壓力不確定度的算法，計算得到位移測量擴展不確定度為

由計算數據可得，壓力和位移的測量準確度均能滿足工業現場測試的要求。

表4 位移重復性測試數據 單位: mm

測試設備現場應用及測試報告如圖8所示。

圖8 測試設備現場應用及測試報告

5 結論

本文設計的高壓斷路器碟簧特性測試系統以PIC16F877A單片機為核心，結合顯示、打印等外圍輔助設備，實現對高壓斷路器碟簧特性位移和壓力的測量。經陜西省計量科學研究院檢定和校準，壓力測量的準確度等級為0.2級，模擬位移的測量誤差最大為0.27mm。經現場測試數據可得，壓力擴展不確定度為0.24MPa，位移擴展不確定度為0.29mm。測試結果表明，該測試設備操作簡單、工作性能穩定可靠、測試結果準確，大大提高了碟簧特性的測試效率，滿足一般的工業測量要求。

[1] 苑舜. 高壓斷路器液壓操動機構[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

[2] 陳保倫. 液壓操動機構的設計與應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

[3] 郭賢珊, 李仲夫, 陳軒恕. 斷路器操動機構在線監測參數的選擇[J]. 高壓電器, 2002, 38(1): 24-26, 30.

[4] 陳保倫, 文亞寧. 斷路器彈簧操動機構介紹[J]. 高壓電器, 2010, 46(10): 75-80.

[5] 張旭, 孔志武, 彭躍輝, 等. 一種斷路器彈簧操動機構彈簧壓力監測系統的設計與實現[J]. 電氣技術, 2021, 22(4): 102-104.

[6] 張國寶, 楊為, 朱勝龍, 等. 一起CT20型彈簧機構斷路器拒分故障原因分析及處理[J]. 電氣技術, 2019, 20(12): 91-93.

[7] 劉偉, 徐兵, 楊華勇, 等. 高壓斷路器液壓操動機構特性分析[J]. 機械工程學報, 2010, 46(10): 148-155.

[8] 楊繼深, 荀京京. 電磁干擾的抑制方法(中)[J]. 安全與電磁兼容, 1998(2): 18-21.

[9] 孫俊喜. LCD驅動電路、驅動程序設計及典型應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[10] 曾國, 李鵬飛, 李俊, 等. 斷路器合閘儲能彈簧狀態監測[J]. 儀表技術與傳感器, 2015(4): 65-68.

[11] 陳立偉, 王桐, 徐賀. PIC單片機基礎與實例進階[M]. 北京: 清華大學出版社, 2012.

[12] 劉向宇, 秦龍. PIC單片機C語言程序設計實例精粹[M]. 北京: 電子工業出版社, 2010.

[13] 申忠如, 郭福田, 丁暉. 現代測試技術與系統設計[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2006.

Design of disc spring characteristics test system for high voltage circuit breaker

ZHOU Lanlan LI Hua

(Shandong Vocational College of Science and Technology, Weifang, Shandong 261053)

The aim of this article is to propose a method to test the disc spring characteristics of the high voltage circuit breaker. The test system takes PIC16F877A as the main controller. The guyed analog displacement sensor is used to measure the compression of the disc spring and the pressure transmitter is used to measure the hydraulic of the system. Human-computer interaction can be achieved by the combination of printer, LCD, buttons and other input and output devices. The conditioning circuit is reasonably designed and the digital filtering is applied on the software design. The combination of software and hardware reduces the random measurement error and improves the accuracy and stability of the test system. The test system calibration results shows that the system works stably, and the test results are accurate. Therefore, the system meets the requirement of field tests.

high voltage circuit breakers; disc spring characteristics; test system; one-chip computer; system calibration

2022-05-18

2022-06-16

周蘭蘭（1988—），女，山東濰坊人，碩士，主要從事測控技術及儀器方面的研究工作。