西安中洲電力設備有限公司、比亞迪汽車有限公司的研究人員馬存樂、楊得泉，在2019年第1期《電氣技術》雜志上撰文指出，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，有時候要特别定制一種安裝夾具。另外，在處理數據時必須要知道斷路器的固有機械特性參數。

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，先對采樣後的加速度信号采用時域數值積分，得到含有趨勢項的速度信号及位移信号，再采用拟合多項式極值的方法，消除積分過程中産生的趨勢項，從而得到更為精确的速度和位移信号，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]。當高壓電路中發生故障時，通過繼電器保護裝置将故障電流從高壓電路中快速切斷，從而确保高壓電路無故障部分正常運行[2]。國際大電網會議13.06工作組的國際調查結果表明，高壓斷路器的故障大部分是機械系統故障[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安全運行的重要措施。

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系，本測量裝置就是根據此原理進行設計的。

加速度傳感器将檢測到的動觸頭移動信号後，經過信号處理電路後，将信号調理到A/D轉換器的輸入範圍之内，經過A/D轉換，MCU對轉換後的信号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、合狀态，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。利用專用支架将直線位移傳感器的本體可靠的固定在斷路器的本體上，直線位移傳感器滑杆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。

如果滑杆與斷路器本體裝成歪斜，就會造成測量數據不準，故必須定制一整套複雜的安裝工具，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動變比值，提前輸入到測試儀器中，才能正确計算出來結果。

面對每個廠家每種斷路器來說，将這些數據錄入到測試儀器中是一個很大的工作量。如果錄入數據稍有不慎，就将直接造成測量的不準确。

現将加速度測量技術應用到斷路器測速中，解決了斷路器現場直線位移傳感器安裝難、配合難、測試難的技術難題。将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杆上，而安裝加速度傳感器應該根據動觸頭或動觸頭連接杆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杆上，不能晃動。

斷路器動作時，傳感器應緊随動觸頭或動觸頭連接杆一起運動，不可與動觸頭或動觸頭連接杆之間有相對晃動，否則可緻測試數據不準。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号的斷路器均适用。

根據以上分析，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杆，2為内襯套，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生産的加速度傳感器，±250g的測量範圍，滿量程誤差率為0.2%[9]。

1.3 調理電路設計

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公司生産的AD7656，其輸入電壓為±10V；需要将0.825～4.175V變換成±10V。調理電路如圖3所示。

圖3 加速度傳感器信号調理電路

信号調理電路主要作用如下。

• 濾波。采用低通濾波器濾除高頻信号，防止幹擾信号，提高采樣精度。
• 隔離。采用ISO 124進行高精密隔離。将外圍的大電流信号隔離，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，而且最主要将信号放大到A/D轉換器件的允許輸入電壓範圍内。

加速度信号經過低通濾波後輸入至ISO 124進行隔離，R24、R25、R26、R27、U8A構成差分電路，将0.825～4.175V電壓信号轉換為1.675～1.675V電壓信号。再經過一級放大，放大倍數約為5.88倍。1.675～1.675V電壓信号轉換為9.85～9.85V電壓信号，滿足AD芯片的輸入範圍±10V，信号也不至于失真。

1.4 A/D轉換電路

AD7656可實現6路同步轉換，雙極性模拟輸入，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路模拟信号，分别為電壓信号、電流信号、加速度信号。在電路設計時将AD7656的“H/S SEL”引腳接高電平設置為硬件啟動轉換方式；采用非菊花鍊 “DCEN”引腳接地，“DCINA”、“DCINB”、“DCINC”引腳同時接地；由于隻有一路輸出，故将“SELA”引腳接高電平，“SELB”、“SELC”引腳接地；輸入信号範圍為±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”引腳從低電平變為高電平時，所選ADC通道的取樣保持開關從采樣切換到保持，然後便啟動轉換。“BUSY”引腳變為高電平，表明已經開始轉換，3s後，當“BUSY”引腳變為低電平時表示轉化結束。

讀取時，将“CS”引腳拉低，“SCLK”引腳發送96個脈沖信号，就可從輸出寄存器中讀出6路采集數據。本文隻采集3路信号，故“SCLK”引腳發送48個脈沖信号即可，每路信号将占2個字節[11]。完成對加速度信号、電流信号、電壓信号的采集。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、網口、數字I/O口、SRAM、EEPROM、FLASH等電路。MCU處理器上電後首先對外圍設備進行初始化，初始化完畢後，等待中斷操作命令，判斷是否為分閘、合閘命令，然後進行AD采集程序，對加速度、電壓、電流信号進行一次采集，采集完畢交給MCU處理器進行數據分析計算處理。圖5為系統主程序流程圖。

圖5 主程序流程圖

2.2 數據處理（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。将這種加速度變化經過低通濾波、隔離、放大采集後為一組加速度信号數據，然後交給MCU處理器進行數據分析計算處理，從而得出在分、合閘過程中動觸頭的速度、位移等變化的數據。

3 實驗結果及分析（略）

為了驗證加速度傳感器測量的精确性，将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據。

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。根據多次實驗樣本采集後統計，加速度傳感器在測量精度上遠高于傳統的直線電位器式傳感器。

表1 固有機械特性參數和兩種傳感器比較

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号，經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，具有很廣泛的商業應用價值。

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