周蘭蘭 李 華

高壓斷路器碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周蘭蘭 李 華

（山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261053）

本文設(shè)計(jì)一種高壓斷路器液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)以PIC16F877A單片機(jī)為主控制器，利用拉線式模擬位移傳感器和壓力變送器完成碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓的測(cè)量，結(jié)合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。硬件方面合理地設(shè)計(jì)了調(diào)理電路，并在軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)行數(shù)字濾波處理，軟硬件相結(jié)合，減小了隨機(jī)測(cè)量誤差，提高了測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

高壓斷路器；碟簧特性；測(cè)試系統(tǒng)；單片機(jī)；系統(tǒng)校準(zhǔn)

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，是在正?；蚬收锨闆r下接通或斷開(kāi)高壓電路的專用電器，在保障電力系統(tǒng)的安全方面起關(guān)鍵作用。在高壓斷路器的生產(chǎn)及使用維護(hù)過(guò)程中，對(duì)儲(chǔ)能碟簧的特性進(jìn)行測(cè)量，一方面是為了測(cè)試碟簧的儲(chǔ)能特性，另一方面通過(guò)保壓試驗(yàn)可以間接地測(cè)試液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封效果。因此，有效地進(jìn)行碟簧特性測(cè)試，保證碟簧工作的可靠性，對(duì)于提高液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體性能具有重要意義[1-2]。

液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用碟形彈簧組作為儲(chǔ)能元件，由液壓實(shí)現(xiàn)能量傳遞，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭完成分、合閘動(dòng)作。要保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性，就要求儲(chǔ)能碟簧具有良好的儲(chǔ)能性能；為了使開(kāi)關(guān)能可靠地保持在合閘或分閘狀態(tài)，就要求液壓系統(tǒng)具有良好的內(nèi)部密封性，避免因內(nèi)部泄漏引起系統(tǒng)壓力不足而出現(xiàn)誤操作[3]。碟片彈簧裝置的儲(chǔ)能狀態(tài)可以通過(guò)各個(gè)壓力閉鎖點(diǎn)對(duì)應(yīng)的碟簧壓縮量及系統(tǒng)油壓得到反映，每個(gè)閉鎖點(diǎn)的碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓值必須在規(guī)定的合理范圍內(nèi)，才能保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的性能；液壓系統(tǒng)的內(nèi)部泄漏油情況則通過(guò)保壓試驗(yàn)來(lái)測(cè)試，通過(guò)24h或48h內(nèi)碟簧壓縮量和系統(tǒng)油壓的變化量，判斷系統(tǒng)的內(nèi)部密封性。根據(jù)以上對(duì)液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理及彈簧特性的分析，反映碟簧特性所需的主要參數(shù)有限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻、碟簧的壓縮量和液壓系統(tǒng)的油壓。

目前國(guó)內(nèi)外操動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家在檢測(cè)高壓斷路器儲(chǔ)能彈簧的性能和液壓系統(tǒng)的內(nèi)部密封性時(shí)，都是采用人工手動(dòng)測(cè)量的方式，這不僅會(huì)引入不必要的人為誤差，影響測(cè)試結(jié)果的客觀性，而且人工測(cè)量的效率比較低。對(duì)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，一款操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的碟簧特性測(cè)試設(shè)備，是保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量、提高測(cè)試效率的有力保障，也是后期產(chǎn)品維護(hù)的得力助手[4-5]。因此，設(shè)計(jì)與研制一款便攜式碟簧特性測(cè)試設(shè)備具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值[6-7]。

1 系統(tǒng)方案

根據(jù)用戶的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求，提出高壓斷路器碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）壓力測(cè)量范圍為0～100MPa，測(cè)量不確定度為0.3MPa。

2）壓力測(cè)量響應(yīng)時(shí)間為20ms。

3）位移測(cè)量范圍為0～100mm，測(cè)量不確定度為0.5mm。

4）同時(shí)采集4路限位開(kāi)關(guān)觸頭信號(hào)。

測(cè)試系統(tǒng)的主要功能為：

1）自動(dòng)采集限位開(kāi)關(guān)觸頭信號(hào)。

2）測(cè)量系統(tǒng)油壓。

3）測(cè)量碟簧壓縮量（通過(guò)測(cè)量位移實(shí)現(xiàn)）。

4）能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和測(cè)試結(jié)果輸出。

5）保壓試驗(yàn)時(shí)，自動(dòng)記錄并輸出測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)提出的要求，分析需要實(shí)現(xiàn)的功能，提出測(cè)試系統(tǒng)的主體方案如下：以PIC16F系列單片機(jī)為主控制器，結(jié)合打印、液晶顯示、按鍵等輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)碟簧特性的測(cè)量，其中壓力的測(cè)量采用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，位移測(cè)量采用模擬式位移傳感器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖1中按鍵和液晶顯示部分可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，微型打印機(jī)用于測(cè)試結(jié)果的輸出，F(xiàn)lash則實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的斷電保存，實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于設(shè)置測(cè)試儀的時(shí)間，使其與現(xiàn)實(shí)時(shí)間一致，從而便于測(cè)試結(jié)果的記錄和存檔。

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及人機(jī)交互部分電路、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路、壓力信號(hào)調(diào)理電路、模擬位移采集調(diào)理電路等。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及人機(jī)交互部分電路

設(shè)計(jì)中選用Microchip公司的PIC16F877A作為主控單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理。該部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)（電源、晶振、復(fù)位）電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘、按鍵、LCD顯示、打印、Flash等功能器件的選擇及其與單片機(jī)之間的電路連接。其中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘選擇集成芯片DS1302，顯示用LCD12864液晶顯示器，存儲(chǔ)器選用512×8bit的W29C040 CMOS Flash存儲(chǔ)器。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.2 限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路

測(cè)試中需要同時(shí)采集四路限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，并測(cè)量開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)變化點(diǎn)處的位移和壓力數(shù)據(jù)。限位開(kāi)關(guān)信號(hào)作為開(kāi)關(guān)量，可以直接由單片機(jī)的I/O口進(jìn)行測(cè)量，電路設(shè)計(jì)中只需要在I/O口處作簡(jiǎn)單的RC濾波即可。限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集調(diào)理電路

2.3 壓力信號(hào)調(diào)理電路

壓力測(cè)量選用YMC—4B型壓力變送器，該變送器采用DC 24V供電，測(cè)量范圍為0～100MPa，輸出為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因此調(diào)理電路需要完成電流-電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波，將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)A/D口所需的電壓信號(hào)，完成壓力信號(hào)的采集[8]。壓力信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 壓力信號(hào)調(diào)理電路

圖4中，通過(guò)125Ω精密電阻實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換，將壓力變送器輸出的4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成0.5～2.5V的電壓信號(hào)，經(jīng)RC低通濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)后直接進(jìn)入單片機(jī)的A/D采集通道[9]。

2.4 模擬位移采集調(diào)理電路

位移測(cè)量選用電位器式拉線位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出信號(hào)大、使用方便、價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是易磨損。

設(shè)計(jì)中綜合考慮測(cè)試要求，選擇LXW系列拉線位移傳感器，該設(shè)備采用DC 5V供電，有效測(cè)量范圍為0～120mm，滿足測(cè)量要求（一般測(cè)量時(shí)位移小于100mm）。輸出信號(hào)為1～7mA，線性度優(yōu)于0.8%F.S.。該位移傳感器在10mm處輸出為1mA，因此在安裝時(shí)，其拉繩需要有一定的預(yù)拉伸長(zhǎng)度，保證傳感器工作于線性狀態(tài)[10]。

模擬位移調(diào)理電路如圖5所示。在該電路中，用250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻將位移傳感器輸出的電流信號(hào)變換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)測(cè)量放大器AD623，將電壓信號(hào)變換成單片機(jī)A/D口需要的0～2.5V的電壓。當(dāng)AD623的增益電阻取為180kΩ時(shí)，放大倍數(shù)為

此時(shí)最大輸入電壓對(duì)應(yīng)的位移為118mm，能滿足測(cè)量要求，因此選擇增益調(diào)整電阻為180kΩ。其中，增益的微調(diào)可用RV1實(shí)現(xiàn)。

在保壓測(cè)試時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)微變位移量的測(cè)量，采用分段采樣的方式提高測(cè)試通道的分辨率，即用模擬通道的整個(gè)測(cè)量范圍實(shí)現(xiàn)某一特定區(qū)段位移的測(cè)量。如在本設(shè)計(jì)中，使AD通道滿量程僅完成75～100mm區(qū)段位移的測(cè)量，大大提高了測(cè)量分辨率。電路的原理與圖5所示相同，只是電阻分壓部分的3改為10kΩ，將5改為9.1kΩ，再將反饋電阻7改用13kΩ。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試方法有效提高了測(cè)量分辨率，從原來(lái)的0.03mm提高到0.01mm，可以較好地監(jiān)測(cè)保壓試驗(yàn)中碟簧位移的微量變化。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PIC單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境Maplab進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試功能[11]。軟件設(shè)計(jì)主要包括位移校準(zhǔn)、性能測(cè)試和時(shí)間設(shè)置三個(gè)功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6 所示。

為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性，對(duì)位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，利用初始位移、終止位移及用戶輸入的標(biāo)準(zhǔn)位移值來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算位移校準(zhǔn)系數(shù)，從而可以方便、準(zhǔn)確地對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。性能測(cè)試程序主要由特性測(cè)試和保壓試驗(yàn)兩部分組成，特性測(cè)試過(guò)程中采集限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，并記錄開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)刻碟簧的壓力和位移值，測(cè)試結(jié)束后可根據(jù)用戶要求打印輸出測(cè)試結(jié)果；保壓試驗(yàn)中，主要完成保壓時(shí)間的設(shè)置和測(cè)試結(jié)果的輸出打印及顯示。時(shí)間設(shè)置程序?qū)?shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，使其跟現(xiàn)實(shí)時(shí)間保持一致，便于對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行保存和后續(xù)分析。對(duì)儀器的操作參數(shù)設(shè)置主要通過(guò)按鍵和顯示配合來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

4 測(cè)試結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)通過(guò)應(yīng)變式稱重傳感器與拉線式位移傳感器配合使用，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能液壓機(jī)用彈簧性能的自動(dòng)測(cè)試，并且自動(dòng)打印輸出測(cè)試報(bào)告。

為了校驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的性能要求，首先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)其進(jìn)行重復(fù)性評(píng)定。

4.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

將設(shè)計(jì)完成的碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)在陜西省計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，壓力校準(zhǔn)采用一等標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)，位移校準(zhǔn)采用二等量塊，校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，校準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1的壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，壓力的最大測(cè)量誤差為0.2MPa。表2的位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，模擬位移的最大測(cè)量誤差為0.27mm。

由表1數(shù)據(jù)可得，壓力測(cè)量通道的最大測(cè)量誤差百分比為

圖7 校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 單位: MPa

表2 位移校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 單位: mm

壓力校準(zhǔn)結(jié)果為：壓力測(cè)量通道準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)。

由表2數(shù)據(jù)可得，模擬位移測(cè)量通道的最大測(cè)量誤差百分比為

壓力和位移的測(cè)量誤差均能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需求。

4.2 系統(tǒng)重復(fù)性評(píng)定

為了進(jìn)一步評(píng)定系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試[13]。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得的壓力重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 壓力重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù) 單位: MPa

由表3可得，壓力的A類不確定度為

式中：()為標(biāo)準(zhǔn)差；為測(cè)量次數(shù)。

壓力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，壓力的最大測(cè)量誤差為0.2MPa，則壓力的B類不確定度為

壓力的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得的位移重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

按照上述壓力不確定度的算法，計(jì)算得到位移測(cè)量擴(kuò)展不確定度為

由計(jì)算數(shù)據(jù)可得，壓力和位移的測(cè)量準(zhǔn)確度均能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求。

表4 位移重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù) 單位: mm

測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及測(cè)試報(bào)告如圖8所示。

圖8 測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及測(cè)試報(bào)告

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高壓斷路器碟簧特性測(cè)試系統(tǒng)以PIC16F877A單片機(jī)為核心，結(jié)合顯示、打印等外圍輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓斷路器碟簧特性位移和壓力的測(cè)量。經(jīng)陜西省計(jì)量科學(xué)研究院檢定和校準(zhǔn)，壓力測(cè)量的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)，模擬位移的測(cè)量誤差最大為0.27mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可得，壓力擴(kuò)展不確定度為0.24MPa，位移擴(kuò)展不確定度為0.29mm。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試設(shè)備操作簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定可靠、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，大大提高了碟簧特性的測(cè)試效率，滿足一般的工業(yè)測(cè)量要求。

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Design of disc spring characteristics test system for high voltage circuit breaker

ZHOU Lanlan LI Hua

(Shandong Vocational College of Science and Technology, Weifang, Shandong 261053)

The aim of this article is to propose a method to test the disc spring characteristics of the high voltage circuit breaker. The test system takes PIC16F877A as the main controller. The guyed analog displacement sensor is used to measure the compression of the disc spring and the pressure transmitter is used to measure the hydraulic of the system. Human-computer interaction can be achieved by the combination of printer, LCD, buttons and other input and output devices. The conditioning circuit is reasonably designed and the digital filtering is applied on the software design. The combination of software and hardware reduces the random measurement error and improves the accuracy and stability of the test system. The test system calibration results shows that the system works stably, and the test results are accurate. Therefore, the system meets the requirement of field tests.

high voltage circuit breakers; disc spring characteristics; test system; one-chip computer; system calibration

2022-05-18

2022-06-16

周蘭蘭（1988—），女，山東濰坊人，碩士，主要從事測(cè)控技術(shù)及儀器方面的研究工作。