高壓斷路器測量速度和位移普遍使用直線傳感器和旋轉傳感器，有時候要特別定制一種安裝夾具。另外，在處理數(shù)據(jù)時必須要知道斷路器的固有機械特性參數(shù)。
針對以上兩種問題，本文利用加速度與速度、位移之間的關系，先對采樣后的加速度信號采用時域數(shù)值積分，得到含有趨勢項的速度信號及位移信號，再采用擬合多項式極值的方法，消除積分過程中產(chǎn)生的趨勢項，從而得到更為精確的速度和位移信號，有效解決了常用的直線傳感器和旋轉傳感器安裝困難的問題。
高壓斷路器是高壓電路中重要電器元件之一[1]。當高壓電路中發(fā)生故障時，通過繼電器保護裝置將故障電流從高壓電路中快速切斷，從而確保高壓電路無故障部分正常運行[2]。國際大電網(wǎng)會議13.06工作組的國際調(diào)查結果表明，高壓斷路器的故障大部分是機械系統(tǒng)故障[3]。因此，對高壓斷路器的機械故障進行診斷是非常有必要的，同時也是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要措施。
測量斷路器的機械特性是了解斷路器機械故障的重要診斷方法[4]。關于斷路器機械特性的測量方法有直線電位器測速法、角度傳感器測速法、光電編碼器測速法等[5]。這些方法使用起來非常困難，安裝麻煩（需要特別定制的支架才可安裝）、數(shù)據(jù)可靠性不高、測量精度難以滿足要求。即使使用高精密儀器測量，仍存在費用過高等問題[6]。
本文主要在前人的研究基礎之上引入了一種新的測量方法，利用加速度傳感器進行測量，加速度信號積分得到速度、位移。該方法是一種行之有效地方法，使得測量斷路器機械特性故障更加準確、簡便。
1 硬件設計
1.1 硬件工作原理
高壓斷路器機械特性測試裝置結構框圖如圖1所示，包括加速度傳感器、霍爾電流傳感器、信號處理電路、AD采集、MCU及人機交互式顯示部分。
圖1 斷路器機械特性測試裝置結構框圖
通過測量斷路器分、合閘動作時，動觸頭加速度的變化來間接測量斷路器的機械特性。在斷路器分、合閘動作過程中，斷路器的動觸頭移動與動觸頭速度、位移等之間有一定的聯(lián)系，本測量裝置就是根據(jù)此原理進行設計的。
加速度傳感器將檢測到的動觸頭移動信號后，經(jīng)過信號處理電路后，將信號調(diào)理到A/D轉換器的輸入范圍之內(nèi)，經(jīng)過A/D轉換，MCU對轉換后的信號進行處理就可得斷路器動觸頭的電流曲線、速度曲線和位移曲線[7]。
1.2 加速度傳感器的選擇與安裝
現(xiàn)有技術中的高壓斷路器機械特性測試儀大多采用直線位移傳感器來測量動觸頭與靜觸頭之間的距離，判斷斷路器的分、合狀態(tài)，計算出動觸頭的速度和位移。而直線位移傳感器對安裝精度要求非常高，角度容許誤差和平行度容許誤差越小越好。利用專用支架將直線位移傳感器的本體可靠的固定在斷路器的本體上，直線位移傳感器滑桿頭部與動觸頭部分連接，直線位移傳感器滑動應與動觸頭同步并與動觸頭的運動保持平行。
如果滑桿與斷路器本體裝成歪斜，就會造成測量數(shù)據(jù)不準，故必須定制一整套復雜的安裝工具，并且不同等級的斷路器的安裝工具大小不一。另外，還需要知道斷路器機械結構的一些聯(lián)動變比值，提前輸入到測試儀器中，才能正確計算出來結果。
面對每個廠家每種斷路器來說，將這些數(shù)據(jù)錄入到測試儀器中是一個很大的工作量。如果錄入數(shù)據(jù)稍有不慎，就將直接造成測量的不準確。
現(xiàn)將加速度測量技術應用到斷路器測速中，解決了斷路器現(xiàn)場直線位移傳感器安裝難、配合難、測試難的技術難題。將加速度傳感器直接緊固安裝于斷路器的主軸或動觸頭連接桿上，而安裝加速度傳感器應該根據(jù)動觸頭或動觸頭連接桿粗細不同選用相應半徑的卡件，使傳感器很牢固的卡在動觸頭或動觸頭連接桿上，不能晃動。
斷路器動作時，傳感器應緊隨動觸頭或動觸頭連接桿一起運動，不可與動觸頭或動觸頭連接桿之間有相對晃動，否則可致測試數(shù)據(jù)不準。測量得到動觸頭的加速度曲線，即可間接測量得到動觸頭的直線位移曲線，這種測量方式對多種型號的斷路器均適用。
根據(jù)以上分析，選用加速度傳感器，其安裝如圖2所示。圖中所示，1為動觸頭或動觸頭連接桿，2為內(nèi)襯套，3為夾具，4為加速度傳感器，5為傳感器引線[8]。
圖2 加速度傳感器安裝圖
該傳感器為我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的加速度傳感器，±250g的測量范圍，滿量程誤差率為0.2%[9]。
1.3 調(diào)理電路設計
加速度傳感器采用+5V供電，其輸出是0.825～4.175V；A/D轉換器采用ADI公司生產(chǎn)的AD7656，其輸入電壓為±10V；需要將0.825～4.175V變換成±10V。調(diào)理電路如圖3所示。
圖3 加速度傳感器信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路主要作用如下。
濾波。采用低通濾波器濾除高頻信號，防止干擾信號，提高采樣精度。
隔離。采用ISO 124進行高精密隔離。將外圍的大電流信號隔離，防止燒毀芯片。
放大。采用TL 082運算放大器不僅能增大電路的輸入阻抗，而且最主要將信號放大到A/D轉換器件的允許輸入電壓范圍內(nèi)。
加速度信號經(jīng)過低通濾波后輸入至ISO 124進行隔離，R24、R25、R26、R27、U8A構成差分電路，將0.825～4.175V電壓信號轉換為?1.675～1.675V電壓信號。再經(jīng)過一級放大，放大倍數(shù)約為5.88倍。?1.675～1.675V電壓信號轉換為?9.85～9.85V電壓信號，滿足AD芯片的輸入范圍±10V，信號也不至于失真。
1.4 A/D轉換電路
AD7656可實現(xiàn)6路同步轉換，雙極性模擬輸入，轉換速率可達250ksps[10]。本文中AD7656與MCU處理器采用高速串行接口設計。單片采集3路模擬信號，分別為電壓信號、電流信號、加速度信號。在電路設計時將AD7656的“H/S SEL”引腳接高電平設置為硬件啟動轉換方式；采用非菊花鏈 “DCEN”引腳接地，“DCINA”、“DCINB”、“DCINC”引腳同時接地；由于只有一路輸出，故將“SELA”引腳接高電平，“SELB”、“SELC”引腳接地；輸入信號范圍為±10V，“RAGNE”引腳接高電平；“SER/PARSEL”引腳接高電平設置為串行接口方式。
轉換時同時控制“CONVSTA”、“CONVSTB”、“CONVSTC”引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，所選ADC通道的取樣保持開關從采樣切換到保持，然后便啟動轉換?！癇USY”引腳變?yōu)楦唠娖剑砻饕呀?jīng)開始轉換，3?s后，當“BUSY”引腳變?yōu)榈碗娖綍r表示轉化結束。
讀取時，將“CS”引腳拉低，“SCLK”引腳發(fā)送96個脈沖信號，就可從輸出寄存器中讀出6路采集數(shù)據(jù)。本文只采集3路信號，故“SCLK”引腳發(fā)送48個脈沖信號即可，每路信號將占2個字節(jié)[11]。完成對加速度信號、電流信號、電壓信號的采集。AD轉換電路如圖4所示。
圖4 A/D轉換電路
2 軟件設計
2.1 軟件整體設計
MCU處理器主要的外圍硬件電路包括A/D采集芯片、SD卡、打印機、液晶屏、USB、網(wǎng)口、數(shù)字I/O口、SRAM、EEPROM、FLASH等電路。MCU處理器上電后首先對外圍設備進行初始化，初始化完畢后，等待中斷操作命令，判斷是否為分閘、合閘命令，然后進行AD采集程序，對加速度、電壓、電流信號進行一次采集，采集完畢交給MCU處理器進行數(shù)據(jù)分析計算處理。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖。
圖5 主程序流程圖
2.2 數(shù)據(jù)處理（略）
高壓斷路器在分、合閘的過程中動觸頭由靜止到運動的過程中會有加速度的變化。將這種加速度變化經(jīng)過低通濾波、隔離、放大采集后為一組加速度信號數(shù)據(jù)，然后交給MCU處理器進行數(shù)據(jù)分析計算處理，從而得出在分、合閘過程中動觸頭的速度、位移等變化的數(shù)據(jù)。
3 實驗結果及分析（略）
為了驗證加速度傳感器測量的精確性，將在高壓斷路器上同時安裝直線位移傳感器和加速度傳感器進行了對比測量，得到一組直線位移傳感器和加速度傳感器測量數(shù)據(jù)。
表1為斷路器SN10?10少油斷路器說明書中給出的固有機械參數(shù)。根據(jù)多次實驗樣本采集后統(tǒng)計，加速度傳感器在測量精度上遠高于傳統(tǒng)的直線電位器式傳感器。
表1 固有機械特性參數(shù)和兩種傳感器比較
結論
本測試儀采用加速度傳感器檢測斷路器分、合閘動作時動觸頭的加速度信號，經(jīng)過兩次積分便可得到動觸頭的位移測量，很好解決了斷路器機械特性檢測傳感器不易安裝及傳統(tǒng)傳感器測量精度不高的問題。采用該方法安裝方便，結構簡單小巧，成本低廉，具有很廣泛的商業(yè)應用價值。
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