0 引言

高壓開關(guān)是電力系統(tǒng)中 重要的控制 和保護設(shè)備。 開關(guān)設(shè)備的機械性能的可靠程度對整套設(shè)備的正常工作具有非常重要的影響，其動作特性的檢測在電力系統(tǒng)預(yù)防性試驗中具有十分重要的地位。 為了有效評估高壓開關(guān)的機械性能，大量高壓開關(guān)動作特性的測試儀器在現(xiàn)場被廣泛地采用。市場上滿足或部分滿足高壓開關(guān)動作特性測試的儀器種類 眾多，測量參數(shù)各異，性能良莠不齊，用戶選型困難[1-3]。國內(nèi)只有少數(shù)幾家機構(gòu) 開展了高壓 開關(guān)動作特性測試儀的校準檢定工作，但手段相對簡單，大部分的檢驗工作還只是停留在對斷口動作時間的檢定上[4-6]，對包括速度傳感器在內(nèi)的整套測試儀的校準檢定所作的工作還很少[7-12]。 針對目前高壓開關(guān)動作特性測試儀器檢定工作中的困難，亟需建立一套行之有效的手段和措施，對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的性能進行**的檢測。 筆者研制的高壓開關(guān)動作特性測試儀計量標準裝置(以下簡稱標準裝置)針對高壓開關(guān)動作特性測試儀的工作原理設(shè)計，利用該標準裝置可依據(jù) JJG(機械)140—93《高壓開關(guān)機械特性測試儀檢定規(guī)程》[13] 對高壓開關(guān)動作測試儀的分、合閘時間；剛分、剛合速度；行程、開距等測

量功能進行**檢定[14-19]。

1 標準裝置的主要功能及技術(shù)參數(shù)

1.1 標準裝置的主要功能

1)能對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的時間測量功能進行校準。 主要包括：分閘時間、合閘時間、三相同期、彈跳時間、彈跳次數(shù)等。

2)能對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的速度測量功能進行校準。 主要包括：剛分速度、剛合速度、*大分(合)閘速度、平均速度等。

3)能對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的行程測量功能進行校準。 主要包括：總行程、開距、超程等。

1.2 標準裝置的主要技術(shù)參數(shù)

為了完成對市場上常見高壓開關(guān)動作特性測試儀的校準檢定工作， 該標準裝置的主要技術(shù)參數(shù)：標準時間輸出范圍為(10~1 000) ms；*大 允許誤差：±0.05 ms；標準速度輸出范圍為(0.2~8) m/s；*大允許誤差：±(1%讀數(shù)+0.01 m/s)；標準行程輸出范圍為(10~600) mm；*大允許誤差：±(0.1%設(shè)定值+0.06 mm)。

2 標準裝置的工作原理和使用方法

2.1 工作原理

標準裝置原理框圖見圖 1。

標準裝置由上位機和下位機結(jié)構(gòu)組成，標準裝置的上位機軟件包括時間標準量設(shè)置界面、速度及行程標準量設(shè)置界面， 設(shè)定所需的時間標準量、速度標準量和行程標準量。 標準裝置的下位機由時間標準模塊和行程及速度標準模塊組成，時間標準模塊將上位機設(shè)定的時間標準量轉(zhuǎn)換成標準時間信號 t，標準裝置的時間標準模塊可產(chǎn)生 16 路相互獨立的標準時間信號， 模擬 16 組高壓開關(guān)的分/合閘時間等時間參數(shù)；行程及速度標準模塊將上位機設(shè)定的行程及速度標準量轉(zhuǎn)換成標準行程量 s、 標準速度量 v，模擬高壓開關(guān)的開距、超程等行程參量和剛分速度、剛合速度等速度參量。 標準裝置能選擇電壓內(nèi)觸發(fā)、電流內(nèi)觸發(fā)、空接點內(nèi)觸發(fā)、電壓外觸發(fā)、電流外觸發(fā)、空接點外觸發(fā) 6 種同步觸發(fā)方式，標準裝置的工作流程為：操作人員完成參數(shù)設(shè)置并啟動開始按鈕后， 標準裝置等待同步觸發(fā)信號，接收到同步觸發(fā)信號后，時間標準模塊和行程及速度標準模塊同時開始工作，其中時間標準模塊啟動定時計數(shù)器，定時時間為設(shè)定的時間標準量，定時時間到時控制斷口信號變化；行程及速度標準模塊啟動直線電機按照設(shè)定行程和速度參數(shù)運行，電機運行時安裝在電機導(dǎo)軌上的光柵尺會產(chǎn)生正交脈沖，標準裝置采集并儲存此脈沖信號獲得電 機運行的行程—時間曲線，再對行程—時間曲線進行微分計算獲得速度—時間曲線，并根據(jù)高壓開關(guān)相關(guān)行程和速度參數(shù)的定義計算得到開距、超程等行程標準量和剛分速度、剛合速度等速度標準量。 被檢高壓開關(guān)測試儀時間測量端口連接于標準裝置時 間標準模塊的輸出端口，測量標準裝置產(chǎn)生的標準時間量；測試儀的行程/時間傳感器連接于標準裝置行程及速度標準模塊連接，測量標準裝置產(chǎn)生的標準行程量和標準速度量。 通過標準裝置的標準量和測試儀測量值即可計算獲得測試儀的誤差，實現(xiàn)對測試儀的校準檢定工作。

2.2 使用方法

標準裝置的 時間標準模 塊上位機操 作界面見圖 2。

操作上位機人機控制界面，可設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，將動作數(shù)據(jù)下傳到標準裝置下位機。 通過該界面，可以對分、合閘時間、不同期時間、彈跳時間、彈跳次數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置。 時間標準模塊流程圖見圖 3。

時間標準模 塊上位機軟 件設(shè)置所需 要的標準時間量，通過 USB 電纜下傳到標準裝置下位機。 下位機接收到同步觸發(fā)信號后啟動定時，當定時時間達到設(shè)置的標準時間量，控制斷口狀態(tài)變化，模擬高壓開關(guān)分合動作。

標準裝置行 程及速度標 準模塊上位 機操作界面見圖 4。

行程及速度標準模塊上位機設(shè)置行程、速度等標準參量，點擊“運行”按鈕，電機將處于等待同步信號狀態(tài)，當時間部分收到同步信號時，電機按照設(shè)定參數(shù)運行并帶動測試儀采樣尺運行，使測試儀器測量行程、速度量。 速度標準量定義界面見圖 5，速度標準量顯示界面見圖 6。

電機上安裝有光柵反饋尺，在電機運行的過程中會有正交脈沖輸出，標準裝置采集并儲存反饋信號獲得行程信息，再根據(jù)設(shè)定的速度及行程定義方式，計算獲得相關(guān)行程標準量和速度標準量。

3 標準裝置的核心模塊介紹

3.1 時間標準模塊

時間標準模塊的原理見圖 7。

時間標準模塊由同步檢測單元、 控制單元、信號產(chǎn)生單元、隔離單元、斷口信號輸出單元組成；標準裝置上位機軟件完成時間標準量的設(shè)置， 通過USB 電纜下傳到標準裝置下位機的時間標準模塊。同步檢測單元接收到觸發(fā)信號后，控制系統(tǒng)根據(jù)上位機設(shè)置的時間標準量控制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生 設(shè)置時間長度的高電平或低電平信號；隔壁單元用來實現(xiàn)信號產(chǎn)生單元和斷口輸出單元間的電氣隔離；斷口輸出單元與被檢測試儀器的時間測量端口連接，輸出標準時間信號，模擬高壓開關(guān)分合閘動作。

控制系統(tǒng)采用 ARM9 為主控制器，F(xiàn)PGA 為從控制器；ARM9 主要完成上位機的配置數(shù)據(jù)接收，定時數(shù)據(jù)下傳到 FPGA，同步的控制與檢測，復(fù)位；FPGA 主要完成斷口定時輸出。 時間標準模塊可產(chǎn)生 16 路相互獨立的標準時間信號， 模擬 16 組高壓開關(guān)的分/合閘時間等時間參數(shù)。

3.2 行程及速度標準模塊

行程及速度標準模塊原理框圖見圖 8。

行程及速度標準模塊由直線電機、控制單元、驅(qū)動單元、光柵反饋單元組成。 標準裝置上位機軟件設(shè)置速度及行程參數(shù)，上位機通過 CAN 卡數(shù)據(jù)通道1 完成設(shè)置參數(shù)的配置和下傳，數(shù)據(jù)通道 2(TTL 電平)向控制單元發(fā)出“快速”啟動命令，直線電機的導(dǎo)軌上安裝有光柵尺，直線電機運行時會產(chǎn)生正交脈

沖輸出，驅(qū)動單元采集此反饋脈沖，并用 PID 的方式調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動電壓的大小和相位，控制直線電機按照上位機設(shè)定的行程、速度參數(shù)工作；光柵反饋

單元通過數(shù)據(jù)通道 3 采集反饋脈沖獲得光柵 尺實時行程信息標準裝置采集并儲存此脈沖信號獲得電機運行的行程—時間曲線，再對行程—時間曲線進行微分計算獲得速度—時間曲線，并根據(jù)高壓開關(guān)相關(guān)行程和速度參數(shù)的定義計算得到開距、超程等行程標準量和剛分速度、剛合速度等速度標準量。

4 標準裝置的不確定度分析

4.1 行程標準量不確定度分析

根據(jù)行程標準模塊的原理，不確定度主要來源于兩個方面：即光柵尺誤差引入不確定度、行程采樣分辨力引入不確定度。 選擇行程 20 mm 處為例進行不

確定度分析。 電機技術(shù)文檔上光柵尺*大允許誤差為±3.5×10-4，均勻分布，在 20 mm 處不確定度 u1=3.5×10-4×20 mm/姨 3 =4.0×10-3 mm； 電機技術(shù)文檔上 行程采樣分辨力為光柵尺一個柵格長度 1.2×10-2 mm，與電機運動行程無關(guān)，均勻分布，電機需通過整個柵格才會產(chǎn)生一個脈沖信號， 在 20 mm 處不確定度u2=1.2×10-2 mm/姨 3 =6.9×10-3 mm。

4.2 速度標準量不確定度分析

根據(jù)速度標準模塊的原理，不確定度主要來源于 3 個方面：即光柵尺誤差不確定度、行程采樣分辨力、FPGA 定時晶振頻率誤差不確定度。 選擇速度0.2 m/s 處為例進行不確定度分析。 電機技術(shù)文檔上光柵尺*大允許誤差為±3.5×10-4，均勻分布，分(合)閘速度的定義為分合閘前 (后)10 mm 的平均速度，

相對不確定度 u1=3.5×10-4 /姨 3 =2.0×10-4；電機技術(shù)文檔上行程采樣分辨力為光柵尺一個柵格長 度1.2×10-2 mm，均勻分布，電機需通過整個柵格才會產(chǎn)生一個脈沖信號，分(合)閘速度的定義為分合閘前 (后)10 mm 的平均速度， 相對不確定度 u2=1.2×10-2 mm/10 mm/姨 3 =6.9×10-4；FPGA 技術(shù)文檔上定時晶振頻率*大允許誤差±3.0×10-5，均勻分布，相對不確定度 u3=3.0×10-5/姨 3 =1.7×10-5。

4.3 時間標準量不確定度分析

根據(jù)時間標準模塊的原理，不確定度主要來源于 3 個方面：即 FPGA 定時晶振頻率誤差不確定度、定時器啟動延時誤差不確定度、同步信號檢測延時誤差不確定度。選擇 999 ms 處為例進行不確定度分析。 FPGA 技術(shù)文檔上定時晶振頻率*大允許誤差為±3.0×10-5，均勻分布，在 999 ms 處不確定度為u1=

3.0×10-5×999 ms/姨 3 =1.7×10-2 ms； 定時器啟動延時為時間標準模塊接收到同步觸發(fā)信號后到定 時器啟動之間的延時，與標準時間設(shè)定的值沒有關(guān)系，經(jīng)過實際測量為 5.0×10-4 ms，均勻分布，在 999 ms處不確定度 u2=5.0×10-4 ms/姨 3 =2.9×10-4 ms；同步信號檢測延時為時間標準模塊檢測同步信號所需要的延時，標準裝置支持電壓同步、電流同步、控接點同步 3 種觸發(fā)方式，通過實際測量采用電壓同步時延時為 5.0×10-3 ms，采用電流同步時延時為 2.0×10-3 ms，采用空接點同步時延時為 5.0×10-4 ms，均勻分布， 在 999 ms 處不確定度為： 采用電壓同步時u3=5.0×10-3 ms/姨 3 =2.9×10-3 ms； 采用電流同步時u3=2.0×10-3 ms/姨 3 =1.2×10-3 ms； 采用空接點同步時 u3=5.0×10-4 ms/姨 3 =2.9×10-4 ms。

5 實驗數(shù)據(jù)

該標準裝置的各項功能， 即模擬的標準時間、標準行程及標準速度均在法定計量檢定機構(gòu) (國家高電壓計量站)進行過校準，實際測量結(jié)果符合設(shè)計要求。 校準點及數(shù)據(jù)較多，僅舉例見表 1。

從校準數(shù)據(jù)上可以看出， 該標準裝置的時間、速度、行程的性能均滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

筆者設(shè)計的高壓開關(guān)動 作特性測試 儀計量標準裝置解決了高壓開關(guān)動作特性測試儀檢測困難的狀況，對測試儀的斷口時間檢驗、速度/行程檢驗、不同傳感器的安裝使用等提供了一整套完整、便捷的校準、檢定方案。 使用該標準裝置能為高壓開關(guān)動作特性測試設(shè)備的選購提供參考依據(jù)，也可以作為判斷產(chǎn)品合格與否的標準用于儀器設(shè)備的驗收；還可用于高壓開關(guān)動作特性測試儀生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)過程中的對比校準，還可以作為產(chǎn)品出廠檢驗的測試儀器，對促使電力測試儀器向標準化、規(guī)范化方向發(fā)展有積極推動作用。