计及随机误差的高压断路器机械参数测试仪的研究

2015-11-28田国健刘晓峰

吉林电力 2015年6期

刘畅，田国健，党克，刘晓峰

（1.东北电力大学，吉林吉林 132012；2.国网辽源供电公司，吉林辽源 136200）

高压断路器机械参数是判断断路器性能的重要参数之一，在安装投入运行前或检修后，按GB 1984—2003《高压交流断路器通用技术条件》和DL／T 846—2004《高电压测试设备通用技术条件》要求必须进行机械参数测试，其中包括：动触头行程、速度，固有合／分闸时间、合／分闸不同期等参数。目前，在我国电力行业中虽然断路器机械参数测试仪的种类很多，但都是以单片机为核心器件［1－4］，受单片机结构的影响，这类测试仪存在以下3个问题：单片机不能在同一时刻对高压断路器A、B、C 三相的3或6个断口进行固有合／分闸时间的测量，不能满足GB 1984—2003和DL／T 846—2004的要求；单片机的定时器与断路器不能在同一时刻启动，造成测试结果存在系统误差与随机误差；为了获得断路器断口合／分闸状态信息，现有的高压断路器机械参数测试仪对断路器进行测试时，用导线将断路器的断口与测试仪器连接在一起，电磁干扰信号就通过导线传导到测试仪器上，虽然测试仪器内部采用光耦器件进行隔离，但是在110kV 以上电压等级场地进行测试时，因电磁干扰测试结果有较大的随机误差，可能导致测试仪器不能正常工作。

［5－6］提出的设计方案以单片机作为系统核心器件，现场可编程门阵列（PFGA）作为数据处理单元，解决了第一个问题，但抗干扰问题未能解决；另外，此类设计软、硬件都很复杂，属于高压断路器在线运行监测设备，在安装或检修现场不能使用。参考文献［7］提到的无线通讯方式，在强电磁场干扰下，无线通讯也存在较大的现随机误差。

本文提出以FPGA为核心器件、光纤通讯为辅助手段的便携式高压断路器机械参数测试系统。

1 系统主要技术指标及其框图

主要技术指标：测量高压断路器1～6个断口的合／分闸时间，同相不同期时间以及相间不同期时间。时间分辨率1μs；测量高压断路器的全行程、空行程和接触行程。行程分辨率0.2mm；测量高压断路器的最大合／分闸速度、刚分／合闸速度；测量真空断路器的反弹及全行程。行程分辨率0.2mm；测量真空断路器的弹跳时间、速度，时间分辨率1μs。

本测试系统由FPGA 器件（EP1C12Q）、光纤通讯模块、断路器启动模块、位移传感器、LCD 触摸屏、微型打印机6部分构成。整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体框图

1.1 EP1C12Q 的开发

根据FPGA 的硬件并行特点，利用VHDL 语言开发各功能模块，实现控制信息的同步传递、多个断路器断口时间量的同时测量等功能。FPGA 内部VHDL语言“硬核”为：断口时间采集与处理模块，动触头位移采集与处理模块，异步串口通讯（UART）模块，LCD 触摸屏驱动模块，微型打印机驱动模块等。这些模块集成在EP1C12Q 内部，使测试系统集成度高，电路简单，提高了测试系统的可靠性与抗干扰能力。

1.2 光纤通讯模块

对断路器进行断口时间测试时，光纤发送器安装在断路器断口上，光纤接收器安装在测试仪面板上，断路器与测试仪通过光纤进行信息传递。当断路器断口闭合时，光纤发送器HFBT－1521发光，光纤接收器HFBR－2521输出高电平；当断路器断口断开时，光纤接收器HFBR－2521 输出低电平。可见，利用光线通讯技术既可以准确、同步采集断路器运行状态信息，又能阻断断路器上的电磁干扰信号到达测试仪的有效通道，提高了测试仪在强电磁场环境下的抗干扰能力。

1.3 断路器启动电路

断路器启动电路由FPGA 器件、交流控制模块、直流控制模块、整流蓄能模块构成。断路器启动电路以EP1C12Q为核心，在EP1C12Q 控制下将交流有序的转变成直流，为断路器合／分闸动作提供操作直流电源。

2 系统原理

EP1C12Q为本测试仪核心器件，当用户在LCD触摸屏菜单上选择：“同期测试”、“SF6断路器测试”或“真空断路器测试”功能时，EP1C12Q 开启断路器启动电路的交流控制模块，整流蓄能模块储能。当用户在第二层菜单上进行合闸或分闸操作时，EP1C12Q同时启动其内部的时间测量模块、位移测量功能模块、断路器启动电路的直流控制模块，实现被测断路器与测试仪同步启动，消除由于断路器与测试仪不同步产生的随机误差与系统误差。当用户在触摸屏的第三层菜单选择显示测试结果或打印测试结时，EP1C12Q关断启动电路的交直流模块，输出测试结果。每层菜单上都有复位操作控件，选择复位时EP1C12Q取消一切操作，测试仪返回主界面。

2.1 时间测试原理

当测试系统发出合闸命令时，EP1C12Q 启动各个断口的“VHDL时间测试模块”，记录各个断口的固有合闸时间。当该相断口闭合时，光纤接收器HFBR－2521立即收到光纤发送器HFBT－1521发出的断口闭合信息，EP1C12Q 结束对该断口的时间测量。经过数据处理模块，可以得到断路器的合闸弹跳次数、弹跳时间、相间不同期时间、同相不同期时间等参数。

2.2 行程、速度测试原理

位移测量采用旋转编码器。编码器安装在断路器的传动机构上，当进行合／分闸操作时，断路器传动机构带动旋转编码器转动，编码器将位移量转换成0、1数字信号，每个0、1脉冲周期为0.2mm。断路器进行合分闸操作时，“VHDL 位移测试模块”记录旋转编码器正反转脉冲数量，经换算可得到动触头的全行程，再与该断口合／分闸时间配合，可以计算出动触头的空行程、接触行程、最大速度、刚分＼刚合速度等参数。

3 软件程序设计

本文设计的测试仪人机交互是通过LCD 触摸屏完成的。用户通过LCD 触摸屏向FPGA 发出控制命令，FPGA 将测试结果显示在LCD 触摸屏上，打印机输出测试结果用于技术资料存档。主程序框图如图2所示。

图2 测试仪主程序框图

4 关键技术问题的解决

4.1 多个断口同时测量问题

FPGA 是硬件并行器件，其每个I／O 都可以独立运行。利用FPGA 不同的I／O 记录高压断路器不同断口的合分闸时间，这样，可以真实反应断路器合分闸动作的全过程；另外，FPGA 的I／O 资源丰富，不需要I／O 口扩展，可以直接驱动外围电路，使系统电路简单，集成度高，FPGA 器件代替单片机是解决此类问题的理想方案。

4.2 接触式测量带来的干扰问题

使用现有的便携式高压断路器测试仪时，为了获得断路器断口信息必须用导线将断路器断口与测试仪器连接在一起，这种测量方法会将断路器上较强的感应静电引导到测试仪器上。为了解决电磁干扰问题，本系统采用光纤通讯技术传递断路器断口的状态信息，使断路器与测试仪隔离，这样，断路器断口上的感应静电就不会通过光纤传导到测试仪器上，可以有效解决接触式测量带来的干扰问题。

4.3 动触头正反转问题

断路器在动作过程中，由于惯性的原因，存在过冲现象。断路器的行程是以位移来计算的，如果不能区分正反转用路程代替位移，就会造成测试结果错误。本测试系统采用高精度的旋转编码器作为行程测试的传感器，该编码器有两路输出信号，互差90°。根据编码器输出信号的特点，利用VHDL 语言设计一个单进程状态机，即可以记录断路器动触头位移，又能记录其正反方向。

4.4 触头弹跳的问题

触头弹跳是指动、静触头多次从分开到接触，最后接触并相对静止的现象。这种现象在断路器合闸操作时普遍存在。在VHDL 程序中，记录动、静触头第一次与最后一次接触的时间，其差值即为弹跳时间。若差值为零，表示无弹跳。

4.5 测试仪的误操作问题

为了解决现场测试时由于选择不当或不认真操作使断路器误动，本测试系统采用触摸屏汉字提示的引导操作方式。每次触摸操作都会弹出相应操作的提示信息和注意事项，不相关选项将会隐藏，避免误操作。

5 试验结果

根据上述方案，完成了本系统硬件电路设计与软件调试，并在220kV 变电所使用样机对SF6断路器进行测试，测试结果见表1。测试结果与厂家提供的断路器技术资料比对，本测试系统完全满足电力行业的要求。另外，只有在新建变电所设备安装时才具备对FS6 断路器的行程与速度进行测试条件，因此，本次测试结果不包括行程与速度参数。

6 结束语

本文论述了计及随机误差的高压断路器机械参数测试仪的设计方案，此方案可以消除由于断路器与测试仪不能同步启动所产生的随机误差与系统误差，具有较强的抗干扰能力，符合DL／T 846—2004、GB 1984—2003 对高压断路器的测试要求。该方案硬件电路简单、可靠，操作方便，便于携带，适合检修现场使用。实际应用表明，该测试仪工作稳定，技术先进，具有推广价值，达到了预期设计目标。