專利名稱：高壓開關動特性測試儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對電力系統(tǒng)中重要的控制與保護設備高壓開關(也叫高壓斷路器)的機械動作特性進行校驗的儀器，尤其涉及一種采用多路傳感器獲取測量信號、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和工控機實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的快速采集和數(shù)據(jù)處理的方法。

背景技術：
高壓開關(也叫高壓斷路器)是電力系統(tǒng)中重要的控制與保護設備，對電網(wǎng)的安全運行起著至關重要的作用。高壓開關的可靠性在很大程度上取決于其機械操作系統(tǒng)的可靠性。按照國標和規(guī)程規(guī)范要求，必須定期進行機械動作特性參數(shù)校驗。
現(xiàn)有的高壓開關機械特性檢測所需測量的數(shù)據(jù)量比較多，所需要的采集速率比較大，數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理相對比較麻煩。有些采用減小采集速率來減小存儲和處理的數(shù)據(jù)量的方法，無法細致反應開關觸頭機械動作過程，造成測量結果誤判。目前尚無方便有效的機械特性檢測儀器。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺點和不足，提供一種高壓開關動特性測試儀，采用多路傳感器獲取測量信號、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和工控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和數(shù)據(jù)處理，并完成各種數(shù)據(jù)的測量和顯示。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 本發(fā)明包括分合閘線圈供電電源、分合閘線圈供電電路、電流傳感器、電流傳感器引線、線位移傳感器、線位移傳感器引線、角位移傳感器、角位移傳感器引線、斷口狀態(tài)測量電路、斷口狀態(tài)測量引線、數(shù)據(jù)高速采集暫存單元、PC104總線接口、工控機、液晶顯示器、鍵盤和鼠標等組件，其供電電源采用自帶分合閘線圈供電電源，其分別給分閘線圈和合閘線圈供電，通過多路傳感器分別獲取信號，并用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和工控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集和數(shù)據(jù)處理，完成各種數(shù)據(jù)的測量、處理和顯示。
分合閘線圈供電電路由電量隔離電壓傳感器、電壓升降控制電路和控制開關組成，電量隔離電壓傳感器分別與分合閘線圈供電電源、電壓升降控制電路和控制開關相連。由電量隔離電壓傳感器將分合閘線圈供電電源產(chǎn)生的電壓信號轉變低電壓信號，由電壓升降控制電路測量該信號的大小，并控制分合閘供電電源電壓的升降。當分合閘供電電源電壓升降完成后，由控制開關將分合閘線圈供電電源輸出到分閘線圈或合閘線圈。
斷口狀態(tài)測量電路由兩個相互隔離的直流電源和12個電阻組成，通過電阻分壓器低壓側上電壓的高低來判斷高壓開關斷口狀態(tài)。
通過電流傳感器、線位移傳感器、角位移傳感器及6路斷口狀態(tài)測量電路得到的測量信號，引入到數(shù)據(jù)高速采集暫存單元，通過A/D轉換，再由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)將各路數(shù)據(jù)高速采集，并暫存入隨機存取存儲器(RAM)中，由PC104總線接口將暫存的數(shù)據(jù)快速傳入工控機，由工控機分析、計算及結果顯示等。
本發(fā)明結構的連接特征在于 所述分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈供電電路(2)、電流傳感器(3)電流傳感器引線(4)依次相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；線位移傳感器(5)、線位移傳感器引線(6)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；角位移傳感器(7)、角位移傳感器引線(8)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；斷口狀態(tài)測量電路(9)、斷口狀態(tài)測量引線(10)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)、PC104總線接口(12)、工控機(13)依次相連；工控機(13)再分別與液晶顯示器(14)、鍵盤(15)和鼠標(16)相連。
所述分合閘線圈供電電源(1)輸出直流電壓為0～220V可調(diào)的開關電源。
所述分合閘線圈供電電路(2)是由一個電量隔離電壓傳感器(2.1)、一個電壓升降控制電路(2.2)和一個控制開關(2.3)組成，其電量隔離電壓傳感器(2.1)分別與分合閘線圈供電電源(1)、電壓升降控制電路(2.2)和控制開關(2.3)相連；控制開關(2.3)分別與分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈相連；所述的控制開關(2.4)采用單刀雙擲開關。
所述電流傳感器(3)是由一個穿心磁平衡式霍爾電流傳感器組成。
所述斷口狀態(tài)測量電路(9)是由兩個相互隔離的直流+12V電源Vcc1、Vcc2和12個電阻組成，斷口狀態(tài)測量引線(10)將斷口狀態(tài)測量電路(9)的信號檢測點D1、D2、D3、D4、D5、D6與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連。
所述數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)由A/D轉換器(11.1)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)、單片機(CPU)(11.3)和隨機存取存儲器(RAM)(11.4)組成，A/D轉換器(11.1)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)、單片機(CPU)(11.3)和隨機存取存儲器(RAM)(11.4)依次相連。
由上述技術方案可知，將分合閘線圈接入分合閘線圈供電電路，并將各傳感器和斷口狀態(tài)測量引線接入被測高壓開關相應的位置。根據(jù)被測高壓開關分合閘線圈所需的分合閘電壓大小預置輸出電壓的大小，按下“開始”試驗按鈕后，高壓開關動特性測試儀自動輸出電壓使高壓開關分閘或合閘，在高壓開關分閘或合閘的過程中，自動測試高壓開關各種機械特性參數(shù)。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果 ①通過在高壓開關上安裝多路傳感器，提高了高壓開關的機械特性檢測信號提取的精度； ②通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和工控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集，提高了高壓開關的機械特性檢測信號測量的精度； ③采用一套完整的數(shù)據(jù)采集處理和完全自動化控制技術，保證整個測量過程自動完成；通過上位機實現(xiàn)人機交互，操作方便簡單； ④本發(fā)明適用于規(guī)程要求定期對已投入使用的高壓開關進行機械特性檢測，主要包括開關分(合)閘時間、分(合)閘不同期時間、觸頭行程、開距、超行程、分(合)閘平均速度、剛分(合)速度、分(合)閘最大速度等，校核高壓開關的運行性能。



圖1是本發(fā)明方框圖； 圖2是分合閘線圈供電電路(2)的結構方框圖； 圖3是斷口狀態(tài)測量電路(9)的電路原理圖； 圖4是數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(6)的結構方框圖； 其中 1-分合閘線圈供電電源； 2-分合閘線圈供電電路， 2.1-電量隔離電壓傳感器， 2.2-電壓升降控制電路， 2.3-控制開關； 3-電流傳感器； 4-電流傳感器引線； 5-線位移傳感器； 6-線位移傳感器引線； 7-角位移傳感器； 8-角位移傳感器引線； 9-斷口狀態(tài)測量電路， Vcc1-第1斷口狀態(tài)測量直流電源， Vcc2-第2斷口狀態(tài)測量直流電源， A1-A相第1斷口， B1-B相第1斷口， C1-C相第1斷口， A2-A相第2斷口， B2-B相第2斷口， C2-C相第2斷口， R11-第1采樣電阻分壓器高壓臂， R12-第1采樣電阻分壓器低壓臂， R21-第2采樣電阻分壓器高壓臂， R22-第2采樣電阻分壓器低壓臂， R31-第3采樣電阻分壓器高壓臂， R32-第3采樣電阻分壓器低壓臂， R41-第4采樣電阻分壓器高壓臂， R42-第4采樣電阻分壓器低壓臂， R51-第5采樣電阻分壓器高壓臂， R52-第5采樣電阻分壓器低壓臂， R61-第6采樣電阻分壓器高壓臂， R62-第6采樣電阻分壓器低壓臂， D1-第1斷口信號檢測點， D2-第2斷口信號檢測點， D3-第3斷口信號檢測點， D4-第4斷口信號檢測點， D5-第5斷口信號檢測點， D6-第6斷口信號檢測點； 10-斷口狀態(tài)測量引線； 11-數(shù)據(jù)高速采集暫存單元， 11.1-A/D轉換器， 11.2-現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)， 11.3-單片機(CPU)， 11.4-隨機存取存儲器(RAM)； 12-PC104總線接口； 13-工控機； 14-液晶顯示器； 15-鍵盤； 16-鼠標；
具體實施例方式 下面結合附圖和實例詳細說明 一總體結構 如圖1，包括分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈供電電路(2)、電流傳感器(3)電流傳感器引線(4)、線位移傳感器(5)、線位移傳感器引線(6)、角位移傳感器(7)、角位移傳感器引線(8)、斷口狀態(tài)測量電路(9)、斷口狀態(tài)測量引線(10)、數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)、PC104總線接口(12)、工控機(13)、液晶顯示器(14)、鍵盤(15)和鼠標(16)； 分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈供電電路(2)、電流傳感器(3)電流傳感器引線(4)依次相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；線位移傳感器(5)、線位移傳感器引線(6)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；角位移傳感器(7)、角位移傳感器引線(8)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；斷口狀態(tài)測量電路(9)、斷口狀態(tài)測量引線(10)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連； 數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)、PC104總線接口(12)、工控機(13)依次相連；工控機(13)再分別與液晶顯示器(14)、鍵盤(15)和鼠標(16)相連。
本發(fā)明的工作原理是 分合閘線圈供電電源(1)由一個輸出直流電壓為0～220V可調(diào)的開關電源組成，其最大輸出電流為20A。通過分合閘線圈供電電路(2)可將分合閘線圈供電電源(1)接入被測高壓開關的分合閘線圈，控制高壓開關分閘或合閘。
高壓開關進行機械特性測試時，將分合閘線圈接入分合閘線圈供電電路(2)，再將線位移傳感器(5)、角位移傳感器(7)、斷口狀態(tài)測量電路(9)分別接入高壓開關相應的位置。電壓升降控制電路(2.2)根據(jù)預置的被測高壓開關分合閘線圈分合閘所需的電壓大小控制分合閘線圈供電電源(1)輸出直流電壓。按下“開始”試驗按鈕，被測高壓開關分閘或合閘，各傳感器和斷口狀態(tài)測量電路(9)獲取測量信號，引入到數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)，通過A/D轉換，再由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)將各路數(shù)據(jù)高速采集，每組數(shù)據(jù)暫存在隨機存取存儲器(RAM)(11.4)中，由PC104總線接口將暫存的數(shù)據(jù)快速傳入工控機(13)，工控機(13)將該組數(shù)據(jù)保存；接著高速采集暫存單元(11)再進行采集、暫存，再轉入工控機(13)存儲。工控機(13)將各組數(shù)據(jù)分別存儲，從而實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的高速采集、存儲、分析、計算及結果顯示等。
二各功能塊結構 1分合閘線圈供電電源(1) 分合閘線圈供電電源(1)是一個輸出直流電壓為0～220V可調(diào)的開關電源組成，其輸出電流最大為20A，并且可以通過調(diào)節(jié)控制端子電壓的大小調(diào)整輸出直流電壓的大小。
2分合閘線圈供電電路(2) 如圖2，分合閘線圈供電電路(2)是由一個電量隔離電壓傳感器(2.1)、一個電壓升降控制電路(2.2)和一個控制開關(2.3)組成。
電量隔離電壓傳感器(2.1)分別與分合閘線圈供電電源(1)、電壓升降控制電路(2.2)和控制開關(2.3)相連；控制開關(2.3)分別與電量隔離電壓傳感器(2.1)、分合閘線圈相連。
其工作原理是電量隔離電壓傳感器(2.1)將分合閘線圈供電電源(1)產(chǎn)生的電壓信號轉變低電壓信號，由電壓升降控制電路(2.2)測量該信號的大小，并控制分合閘供電電源(1)電壓的升降，根據(jù)被測高壓開關分合閘線圈所需的分合閘電壓大小調(diào)整分合閘供電電源(1)輸出電壓。當分合閘供電電源電壓升降完成后，在高壓開關分閘操作時，控制開關(2.3)將分合閘供電電源(1)與分閘線圈相連；在高壓開關合閘操作時，控制開關(2.3)將分合閘供電電源(1)與合閘線圈相連。
3電流傳感器(3) 所述的電流傳感器(3)是由一個穿心磁平衡式霍爾電流傳感器組成。
其工作原理是將電流傳感器(3)穿心放置在分合閘供電電源(1)的輸出端，獲取高壓開關合閘或分閘時流過分合閘線圈的直流電流。
4線位移傳感器(5) 所述的線位移傳感器(5)是由一個直線電阻式位移傳感器組成，滑動部分的線性位移產(chǎn)生線性輸出信號。
其工作原理是將線位移傳感器(5)安裝在高壓開關上，并將其動觸頭與線位移傳感器(5)的滑動部分牢固相連。設線位移傳感器(5)的總長度為1，線位移傳感器(5)的供電電壓為Vcc，高壓開關的動觸頭移動一段距離s，線位移傳感器(5)的滑動部分移動相同的距離s，線位移傳感器(5)上對應的輸出電壓Vout為 5角位移傳感器(7) 所述的角位移傳感器(7)是由一個線性轉動電阻式角位移傳感器組成，轉子軸的旋轉運動產(chǎn)生線性輸出信號。
其工作原理是將線位移傳感器(7)安裝在高壓開關的轉軸上，并將其轉動部分的與角位移傳感器(7)的旋轉部分牢固相連。設角位移傳感器(5)旋轉的總角度為δ，角移傳感器(7)的供電電壓為Vcc，高壓開關的轉軸移動一定的角度α，角位移傳感器(7)的旋轉部分移動相同的角度δ，線位移傳感器(5)上對應的輸出電壓Vout為 6斷口狀態(tài)測量電路(9) 斷口狀態(tài)測量電路(9)是由兩個相互隔離的直流+12V電源Vcc1、Vcc2和12個電阻組成。斷口狀態(tài)測量引線(10)將斷口狀態(tài)測量電路(9)的信號檢測點D1、D2、D3、D4、D5、D6與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連。
A1、B1、C1、A2、B2、C2為高壓開關斷口的接入點，若被測高壓開關每相只有一個斷口，則將圖3中的A1、B1、C1與斷口相連；若被測高壓開關每相有兩個斷口，剛將圖3中的A1、B1、C1分別與高壓開關A、B、C三相的第1斷口相連，圖3中的A2、B2、C2分別與高壓開關A、B、C三相的第2斷口相連。
其工作原理是將高壓開關的斷口通過A1、B1、C1、A2、B2、C2接入斷口狀態(tài)測量電路(9)，數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)測量斷口狀態(tài)測量電路(9)的信號檢測點D1、D2、D3、D4、D5、D6的電壓。當高壓開關閉合時，直流電源給電阻分壓器供電，信號檢測點D1、D2、D3、D4、D5、D6的電壓大于0；當高壓開關斷開時，信號檢測點D1、D2、D3、D4、D5、D6的電壓為0。
7數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11) 數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)由A/D轉換器(11.1)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)、單片機(CPU)(11.3)和隨機存取存儲器(RAM)(11.4)組成。
A/D轉換器(11.1)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)、單片機(CPU)(11.3)和隨機存取存儲器(RAM)(11.4)依次相連。
所述的A/D轉換器(11.1)由一塊8通道14位的A/D轉換芯片組成；所述的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)由一塊FPGA芯片及與其相連的片外EPROM組成；所述的單片機(CPU)(11.3)由一片8051系列單片機組成；所述的隨機存取存儲器(RAM)(11.4)由片外的128K的隨機存取存儲器(RAM)芯片組成。
其工作原理是數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)進行信號采集時，先由單片機(CPU)(11.3)向現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)發(fā)出開始采集命令，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)(11.2)控制A/D轉換器(11.1)開始進行模數(shù)轉換，A/D轉換器(11.1)所得到的數(shù)據(jù)(數(shù)字量)，經(jīng)過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)暫存到隨機存取存儲器(RAM)(11.4)中。
5工控機(13) 工控機(13)由工業(yè)控制計算機組成。工控機(13)分別與PC104總線接口(12)、液晶顯示器(14)、鍵盤(15)和鼠標(16)相連。
其工作原理是通過PC104總線接口與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)的單片機(11.3)和隨機存取存儲器(RAM)(11.4)相連。由PC104總線接口將暫存的數(shù)據(jù)快速傳入工控機(13)，工控機(13)將該組數(shù)據(jù)保存；接著高速采集暫存單元(11)再進行采集、暫存，再轉入工控機(13)存儲。工控機(13)將各組數(shù)據(jù)分別存儲，從而實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的高速采集、存儲、分析、計算及結果顯示等。
權利要求
1.一種高壓開關動特性測試儀，它由分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈供電電路(2)、電流傳感器(3)電流傳感器引線(4)、線位移傳感器(5)、線位移傳感器引線(6)、角位移傳感器(7)、角位移傳感器引線(8)、斷口狀態(tài)測量電路(9)、斷口狀態(tài)測量引線(10)、數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)、PC104總線接口(12)、工控機(13)、液晶顯示器(14)、鍵盤(15)和鼠標(16)組成；其特征在于所述分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈供電電路(2)、電流傳感器(3)電流傳感器引線(4)依次相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；線位移傳感器(5)、線位移傳感器引線(6)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；角位移傳感器(7)、角位移傳感器引線(8)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；斷口狀態(tài)測量電路(9)、斷口狀態(tài)測量引線(10)相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連；數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)、PC104總線接口(12)、工控機(13)依次相連；工控機(13)再分別與液晶顯示器(14)、鍵盤(15)和鼠標(16)相連。
2.按權利要求1所述的一種高壓開關動特性測試儀，其特征在于所述分合閘線圈供電電源(1)輸出直流電壓為0～220V可調(diào)的開關電源。
3.按權利要求1所述的一種高壓開關動特性測試儀，其特征在于所述分合閘線圈供電電路(2)是由一個電量隔離電壓傳感器(2.1)、一個電壓升降控制電路(2.2)和一個控制開關(2.3)組成，其電量隔離電壓傳感器(2.1)分別與分合閘線圈供電電源(1)、電壓升降控制電路(2.2)和控制開關(2.3)相連；控制開關(2.3)分別與分合閘線圈供電電源(1)、分合閘線圈相連；所述的控制開關(2.4)采用單刀雙擲開關。
4.按權利要求1所述的一種高壓開關動特性測試儀，其特征在于所述電流傳感器(3)是由一個穿心磁平衡式霍爾電流傳感器組成。
5.按權利要求1所述的一種高壓開關動特性測試儀，其特征在于所述斷口狀態(tài)測量電路(9)是由兩個相互隔離的直流+12V電源Vcc1、Vcc2和12個電阻組成，斷口狀態(tài)測量引線(10)將斷口狀態(tài)測量電路(9)的信號檢測點D1、D2、D3、D4、D5、D6與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)相連。
6.按權利要求1所述的一種高壓開關動特性測試儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)高速采集暫存單元(11)由A/D轉換器(11.1)、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(11.2)、單片機CPU(11.3)和隨機存取存儲器RAM(11.4)組成，A/D轉換器(11.1)、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(11.2)、單片機CPU(11.3)和隨機存取存儲器RAM(11.4)依次相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高壓開關動特性測試儀，涉及一種對電力系統(tǒng)中控制與保護設備高壓開關的機械動作特性進行校驗的儀器。本發(fā)明所述分合閘線圈供電電源、分合閘線圈供電電路、電流傳感器電流傳感器引線依次相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元相連；線位移傳感器、線位移傳感器引線相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元相連；角位移傳感器、角位移傳感器引線相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元相連；斷口狀態(tài)測量電路、斷口狀態(tài)測量引線相連，再與數(shù)據(jù)高速采集暫存單元相連；數(shù)據(jù)高速采集暫存單元、PC104總線接口、工控機依次相連；工控機再分別與液晶顯示器、鍵盤和鼠標相連。
文檔編號G01R31/327GK101813752SQ20101015471
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權日2010年4月20日
發(fā)明者邱凌, 程保勝, 龍超, 程行斌 申請人:武漢新電電氣技術有限責任公司