【文章內(nèi)容簡介】 剛合閘速度：合閘輔助接點接通后10ms內(nèi)的平均速度。 剛分閘速度：分閘輔助接點接通后10ms內(nèi)的平均速度。 合閘最大速度：合閘全過程中的最大速度。 分閘最大速度：分閘全過程中的最大速度。 合閘平均速度：合閘過程中中間80％行程的平均速度。 分閘平均速度：分閘過程中中間80％行程的平均速度。 為了斷路器機械特性參數(shù)的求取方便，我們將斷路器合閘、分閘的整個動作過程可以看成是由各個動作過程連接起來組成的順序時間鏈 。各個動作過程又是順序時間鏈的子時間鏈。當對某一臺斷路器的操作過程進行監(jiān)測記錄時，設(shè)法捕獲到斷路器各個有關(guān)部件的動作時刻在順序時間鏈中所處的相對位置，那么這臺斷路器的各時間參量就一目了然，然后經(jīng)過微處理器計算出各機械特性參量。為方便說明和表示，現(xiàn)將合閘、。然后將各機械特性參數(shù)用圖中的參量點表示出來。[16] 主觸頭超行程如果不借助振動信號將無法求取。滅弧觸頭超出主觸頭長度即有效滅弧長度雖然可以通過標定主觸頭在行程中的位置，用捕獲[11] 方法求出，但仍然屬于間接求法，無法直接精確求出。 機械特性參數(shù)的采集 斷路器機械特性參數(shù)包括行程、速度和時間三種參量，而行程又為速度和時間的乘積，所以在斷路器的參量求取中，我們至少要知道兩個量才能得出斷路器的機械特性參數(shù)。在本設(shè)計中我們結(jié)合單片機的特點，選用時間和行程（高壓斷路器主軸連動桿位移量）兩個參量。事實上是單片機的定時器配合斷路器分、合閘過程中的如下輸入信號： （1） 分、合閘命令信號。 （2） 分、合閘電磁鐵線圈回路電流信號。 （3） 高壓斷路器主軸連桿位移量。 （4） 觸頭分、合狀態(tài)信號（由主回路電流間接反映）。 （5） 輔助接點狀態(tài)信號。 根據(jù)以上信號，在線狀態(tài)下求出斷路器分、合閘機械特性參數(shù)。 斷路器的分、合閘過程瞬間即可完成，故此要求系統(tǒng)的實時性極強。以某廠生產(chǎn)的 126 型高壓斷路器為例：合閘時間小于150ms、分閘時間小于30ms、全開時間小于60ms。所以，為了提高測量精度和測量結(jié)果的有效性，在本設(shè)計中，狀態(tài)量為中斷方式輸入，沒有延時；位移量脈沖記錄由高速計數(shù)器自動完成；模擬信號的采樣頻率為6000Hz。 a、時間量采集 時間量采集靠單片機的定時器，由分合閘命令信號觸發(fā)分合閘時間記錄序列，記下分合過程中的各個有效參量點，再根據(jù)前節(jié)的特性參數(shù)計算公式，算出各機械參量。b、位移量采集 [17～19] 位移量采集是靠光電式行程傳感器 來實現(xiàn)的。其工作原理如下： 把旋轉(zhuǎn)光柵安裝在斷路器操動機構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對運動，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度、行程信號轉(zhuǎn)換為電信號。光柵移過一個孔距△S，產(chǎn)生一個周期的脈沖信號即為一個周期T(一次光照和一次非光照為一個周期)。由于動觸頭的運動速度是變化的，所以T是不等的。這樣，根據(jù)某一行程處的孔距△ｓ和對應(yīng)的脈沖信號周期T，即可求得該行程處的平均速度V，從累計脈沖數(shù)又可求得行程。當斷路器在分合閘過程結(jié)束之前由于彈力的作用，動觸頭有彈跳的過程，若不采取措施，必然會將負方向運動的脈沖當作正方向的脈沖進行累加，產(chǎn)生誤差?，F(xiàn)在一些生產(chǎn)廠家干脆在合閘時只測超程，在分閘時只測開距，以回避彈跳過程。本設(shè)計中則是既可根據(jù)預(yù)知的斷路器行程長度設(shè)定100％行程位置捕獲點，又采用兩路相位相差90176。的光電斷續(xù)器構(gòu)成光電位移傳感器，根據(jù)兩路輸出信號的超前滯后關(guān)系，決定分、合閘的運動方向。旋轉(zhuǎn)光柵是輸入軸角位移傳感器，圓光柵在光電斷續(xù)器中旋轉(zhuǎn)，通過光電轉(zhuǎn)換將軸旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。當輸入軸轉(zhuǎn)動時，編碼器輸出A相、B相兩路相位差90度的正交脈沖串，經(jīng)光電隔離和取反后，得到A 、 、B 、 四路方波信號，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路處理后，得到上升沿窄脈沖信號A 、 、B 、對窄脈沖信號進行運算處理，輸出兩路加減計數(shù)脈沖P +和P ： = + + + () = + + + () 公式（）、（）的目的有兩個：將計數(shù)分辨率提高四倍；實現(xiàn)正、反兩個方向的計數(shù)。 和兩路計數(shù)脈沖經(jīng)兩個計數(shù)器﹑進行計數(shù)。其中中存放正向移動的位移量，中存放反向移動的位移量。所以無論是分閘還是合閘，無論合閘過程中有無彈跳，該位置傳感器都可以準確記量位移值。且任一時刻的計數(shù)速率就是此時的速度。 機械特性參數(shù)的確定 總體方案確定后，要根據(jù)高壓斷路器機械特性參數(shù)定義，確定在本系統(tǒng)中如何根據(jù)現(xiàn)有采集量來求取各種機械特性參數(shù)的問題。需要計算與轉(zhuǎn)換的有位移量、時間量、速度量，其中首先要確定的是各動作時刻在分、合閘操作時間序列中的位置確定各時間參量，由此配合各序列點位移量確定各位移參量，再由位移量與時間量算出各速度參量。 a、合、分閘時間的確定 首先需確定的時間量為合、分閘時間。合閘時間是從合閘回路有電流開始到所有極觸頭都接觸瞬間為止的時間間隔；分閘時間是從分閘回路有電流開始到所有極觸頭都分離瞬間為止的時間間隔。所以合、分操作起始瞬間的選擇直接影響著高壓斷路器機械參量的數(shù)值。由于起始的依據(jù)是判合、分閘電磁鐵線圈中有電流通過，所以啟動電流的定值（即門坎值）的大小將影響著測量精度，也影響著測量系統(tǒng)穩(wěn)定度。從起動時刻開始計時，到電氣主觸頭移動到換位點的時間，即是合、分閘時間。關(guān)于換位點的確定不同文獻有不同的方法。在本設(shè)計中合閘換位點取三相有電流時刻，即滅弧觸頭全合時刻，分閘換位點取輔助接點狀態(tài)信號變位時刻。 b、行程、超行程的確定 在各點時間量和相對位移量確定的前提下，行程、超行程以及速度參量依次可求出。具體作法為：從合閘前的穩(wěn)態(tài)位置到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭合閘行程；從分閘前的穩(wěn)態(tài)位置到分閘后的穩(wěn)態(tài)位置之間的位移量之差，就是觸頭分閘行程。且合閘行程和分閘行程是相等的。事實上，當斷路器型號選定后，行程參量也就確定了。故此可以 通過捕獲得到行程全程中任一行程位置點在分、合閘操作中發(fā)生的時刻。超行程有主觸頭超行程和弧觸頭超行程兩種。主觸頭超行程幾乎沒有變化，而滅弧觸頭超行程則隨著開斷次數(shù)增多而減小。所以，只有測量弧觸頭超行程才是有意義的，本文也只計算弧觸頭超行程?；∮|頭超行程起始于三相弧觸頭合而止于操作穩(wěn)態(tài)位置。即三相弧觸頭全接觸開始到合閘后的穩(wěn)態(tài)位置的位移量之差。這里的主要問題是如何確定超行程的起始點，即如何有效的提取三相觸頭全合信號。本文采取的方法是在合閘過程中，從操作機構(gòu)運動開始判斷三相電流采樣值大小，如果都曾經(jīng)大于某一門坎值則認為三相全合，所以門坎值的選取尤為重要。太大則造成起始點選取不精確，太小則降低抗干擾能力。 c、同期性的確定 合閘不同期時間指的是從首相合到三相全合之間的時間，可以由首相有合閘電流到三相有合閘電流之間的時間之差確定。關(guān)鍵問題是：如何有效的提取首相開始有電流和三相全部有電流信號。另外一個問題是同期時間極短，如何在這么短的時間內(nèi)有效的得到上述數(shù)據(jù)。我們的采樣周期為1/6ms，A/D工作于中斷方式，采樣到首相合信號后就一直等待記錄三相合信號，故可以實現(xiàn)較為準確的測量。以126 型 高壓斷路器為例，它的合閘同期時間是小于4ms，分閘同期時間小于2ms。這樣長的時間里，必將有幾個采樣點落在該區(qū)間里，故此可以準確測量。由于分閘時的電弧影響，分閘不同期時間很難確定，這里不再討論。 d、速度的確定 剛合、剛分速度可以由輔助接點變位后10ms 內(nèi)的平均速度來反映；平均速度在已知行程長度（例如126 斷路器的行程為145mm152mm[10，11] 情況下，由計數(shù)器﹑的捕獲功能 得到行程的10％和90％位置，算出該段中間的平均速度即為斷路器的平均速度；然而，最大速度在該電路設(shè)計情況下無論如何是無法知道的。但我們可以從分、對126斷路器來講，中間80％斷路器的速度是恒定的，即剛速度、平均速度和最大速度是同一個速度。而我們可以精確測得平均速度，故本在線監(jiān)測裝置只給出平均速度。 機械故障診斷 對于電磁鐵操作機構(gòu)的斷路器，線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵芯行程、鐵芯卡滯、線圈狀態(tài)(如匝間短路)、分合閘線圈的輔助接點狀況與轉(zhuǎn)換時間。通過對分合操作線圈動作電流的監(jiān)測，運行人員可以大致了解斷路器二次控制回路的工作情況及鐵芯的運動有無卡滯等，為檢修提供一個輔助依據(jù)。該診斷過程是由監(jiān)控計算機完成的。在線監(jiān)測設(shè)備只是提供 數(shù)據(jù)給監(jiān)控機，由監(jiān)控機上運行的專家系統(tǒng)軟件來完成分析過程。 對于非電磁操作機構(gòu)，只有靠機械特性參數(shù)來完成診斷工作。分、合閘時間和分、合閘速度參數(shù)的變化反映機械機構(gòu)的卡澀；行程、超行程間接反映斷路器機械機構(gòu)工作情況；滅弧觸頭的剩余長度反映電磨損；同期反映滅弧觸頭的平整度及燒損情況。 觸頭電壽命在線監(jiān)測 在觸頭電壽命監(jiān)測方面，以往對電磨損的監(jiān)測是以記錄累計開斷電流或累計電弧能量()為依據(jù)的。事實上，同一斷路器在同樣的外部條件下先后兩次開斷同樣大小的電流值，其燒損程度也不可能相同，而且，開斷電流相差很大時，斷路器觸頭的燒損機理不同，燒損相差更大。因此，用累計開斷電流來判斷觸頭燒損量是不夠的；另外電磨損雖然取決于電弧能量，但還與觸頭分斷速度等有關(guān)，且電磨損與電弧能量沒有比例關(guān)系。因此要對斷路器觸頭電磨損、電壽命監(jiān)測作進一步研究，對斷路器觸頭進行電壽命監(jiān)測需要解決電壽命的概念和工程實施方法問題。另外，大量的試驗結(jié)果表明，從斷路器累計電磨損的角度考慮，雖然燃弧時間的長短對單次開斷是隨機的，但對多次開斷，其平均燃弧時間則是趨近的(20 次開斷與30次開斷的平均燃弧時間有幾乎相同的標準差)。即隨機因素對燃弧時間分散性的影響從累計的角度來考慮可以忽略不計，也就是說，斷路器的電磨損可以僅用開斷電流作參照量。本文采用觸頭累積磨損量作為判斷電壽命依據(jù)的高壓斷路器觸頭電壽命監(jiān)測和診斷方法。基于該方法開發(fā)的裝置與傳統(tǒng)的診斷方法相比，將更能準確地反映高壓斷路器觸頭的電壽命，且易于工程實施。 分閘電流數(shù)據(jù)采集及算法 由于不同開斷電流時電磨損的差別很大，因此開斷電流值的測量精度直接影響觸頭電壽命預(yù)測準確度。在被開斷電流變化范圍寬、短路電流含有直流分量、短路電流大到一定程度時CT會出現(xiàn)不同程度的磁飽和等因素的影響下，恰當?shù)倪x擇算法是很困難的。這些因素都直接影響開斷電流測量的準確性。 在這種情況下，我們選擇了最大斜率算法[20，21]來計算短路電流值?，F(xiàn)在就最大斜率算法的推導(dǎo)過程和在頻率偏移、直流分量等因素影響下的誤差分析作簡介如下： 在電路設(shè)計中我們使用的A/D 轉(zhuǎn)換器是MSP430 單片機自帶的，它是單極性A/D，所以在轉(zhuǎn)換交流信號時，我們將輸入的CT交流電流信號i變成交流電壓信號u后，這樣處理的結(jié)果最大斜率點并沒有發(fā)生變化。a﹑最大斜率算法設(shè)處理后的輸入信號為： u = sin（ +）+ （） 則求導(dǎo)后則為： u′= cos（ +） （） 由求導(dǎo)結(jié)果可以看出， 處的做法將不影響該算法，無需在采樣后再做處理。 由上式可知，在 += 時為斜率最大點，此時有： = （） 所以有正弦波有效值計算公式： = = （） 因為上式要求的條件是 += ，而離散采樣能夠正好采樣到 += 的幾率很小，現(xiàn)在仔細分析在這種情況下的算法精度。設(shè)相鄰兩采樣點的表達式為： = sin（ +）+ （） = sin（ ++）+ （） 兩點的差分方程為： = （） = 現(xiàn)取差分最大值直接等于來分析誤差產(chǎn)生的原因： （） =由上式可得： = （） 所以只有當（）式恒成立時，用（）計算交流信號有效值才是沒有誤差的。當取每周12點時，式（）的右式： = （） 而 （）式的左 式 在 和內(nèi)部都有且只有一個點，且在該區(qū)段取得最大值。即： 1 （） 取每周12點時，則有： 1 （） 從以上分析可以看出，在每周12點時，（）式的左式恒不大于1，而其右式恒大于1，（）式的左式和右式不相等是產(chǎn)生誤差的原因。鑒于以上分析，引入補償系數(shù)K來減小誤差，則有： K= = （） 當取K= 時， K （） 此時有： （） 這樣誤差