CN101813752A - 高压开关动特性测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压开关动特性测试仪，涉及一种对电力系统中控制与保护设备高压开关的机械动作特性进行校验的仪器。本发明所述分合闸线圈供电电源、分合闸线圈供电电路、电流传感器电流传感器引线依次相连，再与数据高速采集暂存单元相连；线位移传感器、线位移传感器引线相连，再与数据高速采集暂存单元相连；角位移传感器、角位移传感器引线相连，再与数据高速采集暂存单元相连；断口状态测量电路、断口状态测量引线相连，再与数据高速采集暂存单元相连；数据高速采集暂存单元、PC104总线接口、工控机依次相连；工控机再分别与液晶显示器、键盘和鼠标相连。

Description

高压开关动特性测试仪

技术领域

本发明涉及一种对电力系统中重要的控制与保护设备高压开关(也叫高压断路器)的机械动作特性进行校验的仪器，尤其涉及一种采用多路传感器获取测量信号、现场可编程门阵列(FPGA)和工控机实现多路数据的快速采集和数据处理的方法。

背景技术

高压开关(也叫高压断路器)是电力系统中重要的控制与保护设备，对电网的安全运行起着至关重要的作用。高压开关的可靠性在很大程度上取决于其机械操作系统的可靠性。按照国标和规程规范要求，必须定期进行机械动作特性参数校验。

现有的高压开关机械特性检测所需测量的数据量比较多，所需要的采集速率比较大，数据存储和数据处理相对比较麻烦。有些采用减小采集速率来减小存储和处理的数据量的方法，无法细致反应开关触头机械动作过程，造成测量结果误判。目前尚无方便有效的机械特性检测仪器。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种高压开关动特性测试仪，采用多路传感器获取测量信号、现场可编程门阵列(FPGA)和工控机实现数据的快速采集和数据处理，并完成各种数据的测量和显示。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括分合闸线圈供电电源、分合闸线圈供电电路、电流传感器、电流传感器引线、线位移传感器、线位移传感器引线、角位移传感器、角位移传感器引线、断口状态测量电路、断口状态测量引线、数据高速采集暂存单元、PC104总线接口、工控机、液晶显示器、键盘和鼠标等组件，其供电电源采用自带分合闸线圈供电电源，其分别给分闸线圈和合闸线圈供电，通过多路传感器分别获取信号，并用现场可编程门阵列(FPGA)和工控机实现数据高速采集和数据处理，完成各种数据的测量、处理和显示。

分合闸线圈供电电路由电量隔离电压传感器、电压升降控制电路和控制开关组成，电量隔离电压传感器分别与分合闸线圈供电电源、电压升降控制电路和控制开关相连。由电量隔离电压传感器将分合闸线圈供电电源产生的电压信号转变低电压信号，由电压升降控制电路测量该信号的大小，并控制分合闸供电电源电压的升降。当分合闸供电电源电压升降完成后，由控制开关将分合闸线圈供电电源输出到分闸线圈或合闸线圈。

断口状态测量电路由两个相互隔离的直流电源和12个电阻组成，通过电阻分压器低压侧上电压的高低来判断高压开关断口状态。

通过电流传感器、线位移传感器、角位移传感器及6路断口状态测量电路得到的测量信号，引入到数据高速采集暂存单元，通过A/D转换，再由现场可编程门阵列(FPGA)将各路数据高速采集，并暂存入随机存取存储器(RAM)中，由PC104总线接口将暂存的数据快速传入工控机，由工控机分析、计算及结果显示等。

本发明结构的连接特征在于：

所述分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈供电电路(2)、电流传感器(3)电流传感器引线(4)依次相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；线位移传感器(5)、线位移传感器引线(6)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；角位移传感器(7)、角位移传感器引线(8)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；断口状态测量电路(9)、断口状态测量引线(10)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；数据高速采集暂存单元(11)、PC104总线接口(12)、工控机(13)依次相连；工控机(13)再分别与液晶显示器(14)、键盘(15)和鼠标(16)相连。

所述分合闸线圈供电电源(1)输出直流电压为0～220V可调的开关电源。

所述分合闸线圈供电电路(2)是由一个电量隔离电压传感器(2.1)、一个电压升降控制电路(2.2)和一个控制开关(2.3)组成，其电量隔离电压传感器(2.1)分别与分合闸线圈供电电源(1)、电压升降控制电路(2.2)和控制开关(2.3)相连；控制开关(2.3)分别与分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈相连；所述的控制开关(2.4)采用单刀双掷开关。

所述电流传感器(3)是由一个穿心磁平衡式霍尔电流传感器组成。

所述断口状态测量电路(9)是由两个相互隔离的直流+12V电源Vcc1、Vcc2和12个电阻组成，断口状态测量引线(10)将断口状态测量电路(9)的信号检测点D1、D2、D3、D4、D5、D6与数据高速采集暂存单元(11)相连。

所述数据高速采集暂存单元(11)由A/D转换器(11.1)、现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)、单片机(CPU)(11.3)和随机存取存储器(RAM)(11.4)组成，A/D转换器(11.1)、现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)、单片机(CPU)(11.3)和随机存取存储器(RAM)(11.4)依次相连。

由上述技术方案可知，将分合闸线圈接入分合闸线圈供电电路，并将各传感器和断口状态测量引线接入被测高压开关相应的位置。根据被测高压开关分合闸线圈所需的分合闸电压大小预置输出电压的大小，按下“开始”试验按钮后，高压开关动特性测试仪自动输出电压使高压开关分闸或合闸，在高压开关分闸或合闸的过程中，自动测试高压开关各种机械特性参数。

本发明具有下列优点和积极效果：

①通过在高压开关上安装多路传感器，提高了高压开关的机械特性检测信号提取的精度；

②通过现场可编程门阵列(FPGA)和工控机实现数据高速采集，提高了高压开关的机械特性检测信号测量的精度；

③采用一套完整的数据采集处理和完全自动化控制技术，保证整个测量过程自动完成；通过上位机实现人机交互，操作方便简单；

④本发明适用于规程要求定期对已投入使用的高压开关进行机械特性检测，主要包括开关分(合)闸时间、分(合)闸不同期时间、触头行程、开距、超行程、分(合)闸平均速度、刚分(合)速度、分(合)闸最大速度等，校核高压开关的运行性能。

附图说明

图1是本发明方框图；

图2是分合闸线圈供电电路(2)的结构方框图；

图3是断口状态测量电路(9)的电路原理图；

图4是数据高速采集暂存单元(6)的结构方框图；

其中：

1-分合闸线圈供电电源；

2-分合闸线圈供电电路，

2.1-电量隔离电压传感器，

2.2-电压升降控制电路，

2.3-控制开关；

3-电流传感器；

4-电流传感器引线；

5-线位移传感器；

6-线位移传感器引线；

7-角位移传感器；

8-角位移传感器引线；

9-断口状态测量电路，

Vcc1-第1断口状态测量直流电源，

Vcc2-第2断口状态测量直流电源，

A1-A相第1断口，

B1-B相第1断口，

C1-C相第1断口，

A2-A相第2断口，

B2-B相第2断口，

C2-C相第2断口，

R11-第1采样电阻分压器高压臂，

R12-第1采样电阻分压器低压臂，

R21-第2采样电阻分压器高压臂，

R22-第2采样电阻分压器低压臂，

R31-第3采样电阻分压器高压臂，

R32-第3采样电阻分压器低压臂，

R41-第4采样电阻分压器高压臂，

R42-第4采样电阻分压器低压臂，

R51-第5采样电阻分压器高压臂，

R52-第5采样电阻分压器低压臂，

R61-第6采样电阻分压器高压臂，

R62-第6采样电阻分压器低压臂，

D1-第1断口信号检测点，

D2-第2断口信号检测点，

D3-第3断口信号检测点，

D4-第4断口信号检测点，

D5-第5断口信号检测点，

D6-第6断口信号检测点；

10-断口状态测量引线；

11-数据高速采集暂存单元，

11.1-A/D转换器，

11.2-现场可编程门阵列(FPGA)，

11.3-单片机(CPU)，

11.4-随机存取存储器(RAM)；

12-PC104总线接口；

13-工控机；

14-液晶显示器；

15-键盘；

16-鼠标；

具体实施方式

下面结合附图和实例详细说明：

一总体结构

如图1，包括分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈供电电路(2)、电流传感器(3)电流传感器引线(4)、线位移传感器(5)、线位移传感器引线(6)、角位移传感器(7)、角位移传感器引线(8)、断口状态测量电路(9)、断口状态测量引线(10)、数据高速采集暂存单元(11)、PC104总线接口(12)、工控机(13)、液晶显示器(14)、键盘(15)和鼠标(16)；

分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈供电电路(2)、电流传感器(3)电流传感器引线(4)依次相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；线位移传感器(5)、线位移传感器引线(6)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；角位移传感器(7)、角位移传感器引线(8)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；断口状态测量电路(9)、断口状态测量引线(10)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；

数据高速采集暂存单元(11)、PC104总线接口(12)、工控机(13)依次相连；工控机(13)再分别与液晶显示器(14)、键盘(15)和鼠标(16)相连。

本发明的工作原理是：

分合闸线圈供电电源(1)由一个输出直流电压为0～220V可调的开关电源组成，其最大输出电流为20A。通过分合闸线圈供电电路(2)可将分合闸线圈供电电源(1)接入被测高压开关的分合闸线圈，控制高压开关分闸或合闸。

高压开关进行机械特性测试时，将分合闸线圈接入分合闸线圈供电电路(2)，再将线位移传感器(5)、角位移传感器(7)、断口状态测量电路(9)分别接入高压开关相应的位置。电压升降控制电路(2.2)根据预置的被测高压开关分合闸线圈分合闸所需的电压大小控制分合闸线圈供电电源(1)输出直流电压。按下“开始”试验按钮，被测高压开关分闸或合闸，各传感器和断口状态测量电路(9)获取测量信号，引入到数据高速采集暂存单元(11)，通过A/D转换，再由现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)将各路数据高速采集，每组数据暂存在随机存取存储器(RAM)(11.4)中，由PC104总线接口将暂存的数据快速传入工控机(13)，工控机(13)将该组数据保存；接着高速采集暂存单元(11)再进行采集、暂存，再转入工控机(13)存储。工控机(13)将各组数据分别存储，从而实现多路数据的高速采集、存储、分析、计算及结果显示等。

二各功能块结构

1分合闸线圈供电电源(1)

分合闸线圈供电电源(1)是一个输出直流电压为0～220V可调的开关电源组成，其输出电流最大为20A，并且可以通过调节控制端子电压的大小调整输出直流电压的大小。

2分合闸线圈供电电路(2)

如图2，分合闸线圈供电电路(2)是由一个电量隔离电压传感器(2.1)、一个电压升降控制电路(2.2)和一个控制开关(2.3)组成。

电量隔离电压传感器(2.1)分别与分合闸线圈供电电源(1)、电压升降控制电路(2.2)和控制开关(2.3)相连；控制开关(2.3)分别与电量隔离电压传感器(2.1)、分合闸线圈相连。

其工作原理是：电量隔离电压传感器(2.1)将分合闸线圈供电电源(1)产生的电压信号转变低电压信号，由电压升降控制电路(2.2)测量该信号的大小，并控制分合闸供电电源(1)电压的升降，根据被测高压开关分合闸线圈所需的分合闸电压大小调整分合闸供电电源(1)输出电压。当分合闸供电电源电压升降完成后，在高压开关分闸操作时，控制开关(2.3)将分合闸供电电源(1)与分闸线圈相连；在高压开关合闸操作时，控制开关(2.3)将分合闸供电电源(1)与合闸线圈相连。

3电流传感器(3)

所述的电流传感器(3)是由一个穿心磁平衡式霍尔电流传感器组成。

其工作原理是：将电流传感器(3)穿心放置在分合闸供电电源(1)的输出端，获取高压开关合闸或分闸时流过分合闸线圈的直流电流。

4线位移传感器(5)

所述的线位移传感器(5)是由一个直线电阻式位移传感器组成，滑动部分的线性位移产生线性输出信号。

其工作原理是：将线位移传感器(5)安装在高压开关上，并将其动触头与线位移传感器(5)的滑动部分牢固相连。设线位移传感器(5)的总长度为1，线位移传感器(5)的供电电压为V_cc，高压开关的动触头移动一段距离s，线位移传感器(5)的滑动部分移动相同的距离s，线位移传感器(5)上对应的输出电压V_out为：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{s}{l}\×V_{\mathrm{cc}}.$

5角位移传感器(7)

所述的角位移传感器(7)是由一个线性转动电阻式角位移传感器组成，转子轴的旋转运动产生线性输出信号。

其工作原理是：将线位移传感器(7)安装在高压开关的转轴上，并将其转动部分的与角位移传感器(7)的旋转部分牢固相连。设角位移传感器(5)旋转的总角度为δ，角移传感器(7)的供电电压为V_cc，高压开关的转轴移动一定的角度α，角位移传感器(7)的旋转部分移动相同的角度δ，线位移传感器(5)上对应的输出电压V_out为：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\δ}}\×V_{\mathrm{cc}.}$

6断口状态测量电路(9)

断口状态测量电路(9)是由两个相互隔离的直流+12V电源Vcc1、Vcc2和12个电阻组成。断口状态测量引线(10)将断口状态测量电路(9)的信号检测点D1、D2、D3、D4、D5、D6与数据高速采集暂存单元(11)相连。

A1、B1、C1、A2、B2、C2为高压开关断口的接入点，若被测高压开关每相只有一个断口，则将图3中的A1、B1、C1与断口相连；若被测高压开关每相有两个断口，刚将图3中的A1、B1、C1分别与高压开关A、B、C三相的第1断口相连，图3中的A2、B2、C2分别与高压开关A、B、C三相的第2断口相连。

其工作原理是：将高压开关的断口通过A1、B1、C1、A2、B2、C2接入断口状态测量电路(9)，数据高速采集暂存单元(11)测量断口状态测量电路(9)的信号检测点D1、D2、D3、D4、D5、D6的电压。当高压开关闭合时，直流电源给电阻分压器供电，信号检测点D1、D2、D3、D4、D5、D6的电压大于0；当高压开关断开时，信号检测点D1、D2、D3、D4、D5、D6的电压为0。

7数据高速采集暂存单元(11)

数据高速采集暂存单元(11)由A/D转换器(11.1)、现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)、单片机(CPU)(11.3)和随机存取存储器(RAM)(11.4)组成。

A/D转换器(11.1)、现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)、单片机(CPU)(11.3)和随机存取存储器(RAM)(11.4)依次相连。

所述的A/D转换器(11.1)由一块8通道14位的A/D转换芯片组成；所述的现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)由一块FPGA芯片及与其相连的片外EPROM组成；所述的单片机(CPU)(11.3)由一片8051系列单片机组成；所述的随机存取存储器(RAM)(11.4)由片外的128K的随机存取存储器(RAM)芯片组成。

其工作原理是：数据高速采集暂存单元(11)进行信号采集时，先由单片机(CPU)(11.3)向现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)发出开始采集命令，现场可编程门阵列(FPGA)(11.2)控制A/D转换器(11.1)开始进行模数转换，A/D转换器(11.1)所得到的数据(数字量)，经过现场可编程门阵列(FPGA)暂存到随机存取存储器(RAM)(11.4)中。

5工控机(13)

工控机(13)由工业控制计算机组成。工控机(13)分别与PC104总线接口(12)、液晶显示器(14)、键盘(15)和鼠标(16)相连。

其工作原理是：通过PC104总线接口与数据高速采集暂存单元(11)的单片机(11.3)和随机存取存储器(RAM)(11.4)相连。由PC104总线接口将暂存的数据快速传入工控机(13)，工控机(13)将该组数据保存；接着高速采集暂存单元(11)再进行采集、暂存，再转入工控机(13)存储。工控机(13)将各组数据分别存储，从而实现多路数据的高速采集、存储、分析、计算及结果显示等。

Claims (6)

1.一种高压开关动特性测试仪，它由分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈供电电路(2)、电流传感器(3)电流传感器引线(4)、线位移传感器(5)、线位移传感器引线(6)、角位移传感器(7)、角位移传感器引线(8)、断口状态测量电路(9)、断口状态测量引线(10)、数据高速采集暂存单元(11)、PC104总线接口(12)、工控机(13)、液晶显示器(14)、键盘(15)和鼠标(16)组成；其特征在于：所述分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈供电电路(2)、电流传感器(3)电流传感器引线(4)依次相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；线位移传感器(5)、线位移传感器引线(6)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；角位移传感器(7)、角位移传感器引线(8)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；断口状态测量电路(9)、断口状态测量引线(10)相连，再与数据高速采集暂存单元(11)相连；数据高速采集暂存单元(11)、PC104总线接口(12)、工控机(13)依次相连；工控机(13)再分别与液晶显示器(14)、键盘(15)和鼠标(16)相连。

2.按权利要求1所述的一种高压开关动特性测试仪，其特征在于：所述分合闸线圈供电电源(1)输出直流电压为0～220V可调的开关电源。

3.按权利要求1所述的一种高压开关动特性测试仪，其特征在于：所述分合闸线圈供电电路(2)是由一个电量隔离电压传感器(2.1)、一个电压升降控制电路(2.2)和一个控制开关(2.3)组成，其电量隔离电压传感器(2.1)分别与分合闸线圈供电电源(1)、电压升降控制电路(2.2)和控制开关(2.3)相连；控制开关(2.3)分别与分合闸线圈供电电源(1)、分合闸线圈相连；所述的控制开关(2.4)采用单刀双掷开关。

4.按权利要求1所述的一种高压开关动特性测试仪，其特征在于：所述电流传感器(3)是由一个穿心磁平衡式霍尔电流传感器组成。

5.按权利要求1所述的一种高压开关动特性测试仪，其特征在于：所述断口状态测量电路(9)是由两个相互隔离的直流+12V电源Vcc1、Vcc2和12个电阻组成，断口状态测量引线(10)将断口状态测量电路(9)的信号检测点D1、D2、D3、D4、D5、D6与数据高速采集暂存单元(11)相连。

6.按权利要求1所述的一种高压开关动特性测试仪，其特征在于：所述数据高速采集暂存单元(11)由A/D转换器(11.1)、现场可编程门阵列FPGA(11.2)、单片机CPU(11.3)和随机存取存储器RAM(11.4)组成，A/D转换器(11.1)、现场可编程门阵列FPGA(11.2)、单片机CPU(11.3)和随机存取存储器RAM(11.4)依次相连。

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