智能高压开关设备机械特性测试系统

孙敬华，蒋晓旭

(河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001)

智能高压开关设备是智能变电站的核心设备之一，它由开关设备本体和智能组件组成，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化的特征。相比传统开关设备，智能开关设备采用标准的信息接口，融状态监测、测控保护、信息通信等技术于一体，可满足智能电网电力流、信息流、业务流一体化的需求。

国际大电网会议以及中国电力研究院关于某类型断路器故障的统计调查显示:断路器的大多数故障(主要故障的70%和次要故障的86%)发生在机械机构，主要涉及操作机构、检测装置和辅助装置等[1]。可见，对于高压断路器实施机械特性的监测，及时了解其运行状况，掌握其运行特性变化及变化趋势，对提高其运行可靠性极为重要。因此，本文介绍了一种自主研制开发的智能高压开关设备机械特性测试系统及应用效果。

1 测试系统需求分析

高压断路器由操动机构动作，通过传动部件的传递和变换，使动触头得到运动速度，并具有一定的运动规律。高压开关机械特性试验是指对高压开关设备速度、时间、压力、应力等机械参数的测量。当前对高压断路器机械特性测试主要有以下两个方面:

1)行程信号，即测量行程—时间特性曲线;

2)分(合)线圈电流信号，即测量电流—时间特性曲线。

通过对这两个信号的测量，再结合主回路电流信息或辅助节点信息，可以计算出分(合)闸时间、触头行程、刚分(合)速度、分(合)闸最大速度、分(合)闸平均速度等反映断路器机构机械动作特性的参数;将分(合)线圈电流波形与标准波形比对分析，还可以掌握电磁铁铁芯运动的大致情况[2-3]。

终上所述，该测试系统主要完成开关设备动触头行程信号，分、合闸线圈及储能电流信号的测量及分析，测试系统基本组成如图1所示。

图1 测试系统基本组成

1.1 动触头位移行程特性的监测

目前，高压开关设备机械特性测试主要对主触头行程、超程，及分合闸时间和速度进行测量[4]。

由于断路器动触头的运动形式为直线运动，实现断路器机械特性直接、准确测量的前提是能在动触头或在与动触头位移量完全相同的部位安装线位移传感器，但是高压断路器无法在其灭弧室内安装传感器，也就无法直接测量断路器的机械特性。因此为了测量断路器的机械特性，可以采用间接测量方法，就是测量和动触头位移密切相关的转轴的角位移，根据转轴角位移和断路器动触头线位移的对应关系折算出动触头的行程特性曲线。目前多采用光电式位移传感器和差动变压器式位移传感器与相应的测量电路配合进行检测，其他常用的还有增量式旋转光电编码器或直线光电编码器。

光栅式位移传感器(又称光栅尺)一般是利用刻在某种载体(如玻璃、晶态陶瓷或钢带等)上的隔扇作为测量的基准[5-7]，其工作原理是利用感知光度变化的光电池扫描的方法进行测量。光纤投射到已调整好的光栅上时，变化产生摩尔条纹图案，当光栅移动时，图像的光强度将发生周期性的变化，这种变化被光电池接收后，经电子信号处理，便可达到检测位移量的目的。

设置了编码类型以及脉冲计数类型，就可以利用式(1)把数值信息转换为位置信息:

式中:θ为旋转角度;N为轴每旋转一周过程中，编码器所生成的脉冲数目;x为编码类型;Edge_Count为脉冲点数。

直线位移和角度一般按照线性关系处理，从而可以计算出动触头位移量。

1.2 分合闸及储能电机电流的监测

分合闸及储能电机电流是通过霍尔电流传感器进行监测的。霍尔电流传感器是根据安培定律原理，利用霍尔器件来测量载流导体周围产生正比于该电流的磁场。由于磁场大小(磁路)与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压信号U0可以间接反映出被测电流I1的大小。电流传感器经过了电-磁-电的绝缘隔离转换。

操作线圈电流传感器为闭环霍尔电流传感器，采用磁平衡式(或称磁补偿式、零磁通式)原理。原边电流(Ix)产生的磁场，通过一个副边线圈的电流(Im)所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态。当原、副边补偿电流产生的磁场达到平衡时，有

式中:N1、N2为原、副边线圈的匝数。

根据式(2)，只要知道一二次线圈的匝数和二次补偿电流的大小，就可以计算得到被测电流的数值，其补偿原理如图2所示。通过对二次补偿电流Im进行电流电压变换、AD采样就可以得到被测电流的大小。

图2 霍尔电流传感器原理图

图2所示的霍尔电流传感器是单电源供电，如果采用正负双电源供电，则二次补偿线圈中的电流可以为正负两个方向，从而保证能够测试正负电流。

1.3 开发平台的选择

LabVIEW是基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境。由于采用流程图的图形化编程方式，也被称为G语言(graphical language，图形编程语言)，它是最早出现的编译型的图形化编程语言。它对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需要连接调用，就可以免去自己编写程序的麻烦，且提供了丰富完善的工业标准及各种接口总线和常用仪器的驱动程序[8-9]。

利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件实现对计算机可编程仪器的控制，很大程度上提高了编程效率。因此，本系统选择LabVIEW作为虚拟仪器开发的语言。

1.4 基于MySQL的数据存储

数据库是数据管理的高级阶段，与手工操作和文件管理相比，数据库具有快速准确、结构性强、冗余度小、可修改性和可扩充性等明显的优点，非常适合大规模数据的存储管理[10]。

LabVIEW本身并不能直接访问数据库，但是由于LabVIEW提供了丰富的外部程序接口，例如Active和.NET。LabVIEW与数据库连接有很多种方法，其中ADO是使用最为广泛的技术，因为ADO组件集成于Windows操作系统中。

ODBC是微软公司开放服务结构中有关数据库的一个重要组成部分，它通过建立一系列的标准和规范，最重要的是一组对数据库访问的标准API，即应用程序编程接口，它通过SQL来实现其大部分的功能。对于ODBC本身，它也提供了对SQL语言的支持，因此用户可以直接将SQL语句传递给ODBC。ADO和ODBC访问数据库方式如图3所示。

图3 ADO和ODBC访问数据库方式

图3中的ODBC驱动程序是针对每一类DBMS的，ODBC函数调用与数据源交互是通过动态链接库的形式实现的，动态链接库由数据库厂商直接提供给用户。ODBC到数据库的接口形式就是通常所说的数据源，它是用来标识需要访问的数据库以及相应的各种参数。在与数据库连接之前，必须在ODBC数据源管理器中建立数据源。数据源名是通过DSN(Data Source Name)来标识的。

LabSQL VIs按照ADO对象分为三类，并分别位于不同的文件夹下:Command、Connection和Recordset。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，例如创建或删除一个Command，对数据库中的某一个参数进行读或写等。Connection VIs用于管理LabVIEW与数据库之间的连接。Recordset VIs用于对数据库中的记录进行各种操作，例如创建或删除一条记录，对记录中的某一条目进行读写等。

2 测试系统的实现

系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号处理，将信号送至数据采集卡，数据经软件进行处理后保存至系统数据库，实现了历史数据的集中存储和管理，其流程如图4所示。

图4 数据采集系统流程框图

在LabVIEW环境中控制各种DAQ板卡完成特定的功能，都离不开DAQ驱动程序的支持。NI公司对其全部的DAQ产品提供了专门的驱动程序库，因此，在LabVIEW下应用NI公司的DAQ产品无须专门考虑驱动程序的问题。

在进行数据采集之前，还要对采集卡进行相关的设置。首先进行通道设置，当有多路信号输入数据采集卡时，必须为数据采集卡指定特定通道进行操作。在数据采集卡上，不同的检测信号送入不同的通道，所以要对不同的信号采集对应不同的地址。在数据采集中按通道表列出的顺序扫描通道，在数据输出过程中按通道表列出的顺序刷新，数据采集流程如图5所示。

系统采用模块化设计思想进行设计，分为7大模块和若干个子模块，各模块分别实现独立功能。另外，模块之间耦合度低，使整个程序结构更加清晰，降低了程序开发过程出现错误的概率，提高了程序的可靠性。采集系统软件模块结构如图6所示。

3 系统测试与结果分析

利用机械特性测试仪(KOCOS)和所研制系统同时对样机特性进行测试，并记录测试结果。机械特性测试仪是专业断路器自动测试分析系统，能够测试包括断路器、负载开关、隔离开关和接地开关等开关的机械参数，满足从现场试验到全自动出厂测试的任何应用场合，适用于各种驱动机构，所有的测试可以手动或自动地完成，所有测量输入都经过特殊的线性光电耦合电路连接到仪器内部，保证系统在各种复杂的电磁环境中保持极高的精度和线性频率响应，具有极强的抗干扰性和可靠性。在智能GIS机械特性测试中，常将开关特性测试仪作为测试结果的标准，将其与状态监测系统测试结果进行对比，并通过计算验证测量结果误差是否满足相关的规范和要求。机械特性测试仪与状态监测系统共用同一位移编码器，调试过程中需通过接线端子将位移传感器的信号同时传递给开关特性测试仪和测试系统，测试方案如图7所示，小电流信号采集方案类似于位移传感器信号采集。

图7 位移传感器信号测试方案

分闸时间和合闸时间的测量要用到分、合闸线圈接到指令的时刻，所以机械特性仪要用到电流传感器。小电流传感器可对断路器的分合闸线圈电流和储能电机电流进行测量，由接收装置采集其输出信号，绘制出分合闸线圈的电流和储能电机电流曲线，进而掌握、分析机构运行状况。每组小电流传感器包括3个操作线圈电流传感器和1个储能电机电流传感器。

对高压开关设备，大多情况下，小电流传感器布置在智能组件柜内，用于监测分合闸线圈电流和储能电机电流等信息。位移传感器布置在断路器机构箱内断路器传动轴上，传感器信号信息直接上传至主IED。

在联调试验和寿命试验过程中，都需对断路器进行分合闸操作，以保证开关设备处于正常状态。同时，通过KOCOS和测试系统需将所测量的数据进行对比分析，以实现对所研制测试系统的误差分析。

每次特性分别记录KOCOS和测试系统所测得的行程曲线，合闸时间、分闸时间、合闸速度、分闸速度、储能电机电流等特征参量，及重合闸过程中的合分时间、分合时间、一次电流、二次电流、合闸电流等。KOCOS测量数据作为测量标准，以此来判定测试系统的测量误差。表1为本公司某型号产品机械特性试验某次的记录格式及实验结果，是在1 000次开关设备寿命实验室中所选取的任意一组样本值。

表1 NI平台与KOCOS计算精度比对

从表1可以看出，所有试验特征数据误差均在相关技术要求规定范围内，能够较好的满足实际应用需求。

4 结语

1)基于数据库的智能高压开关设备机械特性测试系统具有较好的数据管理能力和较大的数据存储容量，便于试验数据存储和历史数据查询，为后期测试系统的开发及新功能的增加奠定了基础。

2)基于NI硬件和LabVIEW的测试系统，具有携带方便，数据存储及处理方功能强大，便于扩展等优点。

3)智能高压开关设备一次厂家能够根据实际需求开发更有针对性的测试系统产品，打破了目前相关测试系统的垄断。

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