0 引言

高壓開關(guān)是電力系統(tǒng)中 重要的控制 和保護(hù)設(shè)備。 開關(guān)設(shè)備的機(jī)械性能的可靠程度對(duì)整套設(shè)備的正常工作具有非常重要的影響，其動(dòng)作特性的檢測(cè)在電力系統(tǒng)預(yù)防性試驗(yàn)中具有十分重要的地位。 為了有效評(píng)估高壓開關(guān)的機(jī)械性能，大量高壓開關(guān)動(dòng)作特性的測(cè)試儀器在現(xiàn)場(chǎng)被廣泛地采用。市場(chǎng)上滿足或部分滿足高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試的儀器種類 眾多，測(cè)量參數(shù)各異，性能良莠不齊，用戶選型困難[1-3]。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家機(jī)構(gòu) 開展了高壓 開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的校準(zhǔn)檢定工作，但手段相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分的檢驗(yàn)工作還只是停留在對(duì)斷口動(dòng)作時(shí)間的檢定上[4-6]，對(duì)包括速度傳感器在內(nèi)的整套測(cè)試儀的校準(zhǔn)檢定所作的工作還很少[7-12]。 針對(duì)目前高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)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(duì)各種高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的性能進(jìn)行**的檢測(cè)。 筆者研制的高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)裝置)針對(duì)高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的工作原理設(shè)計(jì)，利用該標(biāo)準(zhǔn)裝置可依據(jù) JJG(機(jī)械)140—93《高壓開關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀檢定規(guī)程》[13] 對(duì)高壓開關(guān)動(dòng)作測(cè)試儀的分、合閘時(shí)間；剛分、剛合速度；行程、開距等測(cè)

量功能進(jìn)行**檢定[14-19]。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要功能及技術(shù)參數(shù)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要功能

1)能對(duì)各種高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的時(shí)間測(cè)量功能進(jìn)行校準(zhǔn)。 主要包括：分閘時(shí)間、合閘時(shí)間、三相同期、彈跳時(shí)間、彈跳次數(shù)等。

2)能對(duì)各種高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的速度測(cè)量功能進(jìn)行校準(zhǔn)。 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(duì)各種高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的行程測(cè)量功能進(jìn)行校準(zhǔn)。 主要包括：總行程、開距、超程等。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)

為了完成對(duì)市場(chǎng)上常見(jiàn)高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀的校準(zhǔn)檢定工作， 該標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間輸出范圍為(10~1 000) ms；*大 允許誤差：±0.05 ms；標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理和使用方法

2.1 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)裝置原理框圖見(jiàn)圖 1。

標(biāo)準(zhǔn)裝置由上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)組成，標(biāo)準(zhǔn)裝置的上位機(jī)軟件包括時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量設(shè)置界面、速度及行程標(biāo)準(zhǔn)量設(shè)置界面， 設(shè)定所需的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量、速度標(biāo)準(zhǔn)量和行程標(biāo)準(zhǔn)量。 標(biāo)準(zhǔn)裝置的下位機(jī)由時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊和行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊將上位機(jī)設(shè)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào) t，標(biāo)準(zhǔn)裝置的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊可產(chǎn)生 16 路相互獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)， 模擬 16 組高壓開關(guān)的分/合閘時(shí)間等時(shí)間參數(shù)；行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊將上位機(jī)設(shè)定的行程及速度標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)行程量 s、 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)裝置能選擇電壓內(nèi)觸發(fā)、電流內(nèi)觸發(fā)、空接點(diǎn)內(nèi)觸發(fā)、電壓外觸發(fā)、電流外觸發(fā)、空接點(diǎn)外觸發(fā) 6 種同步觸發(fā)方式，標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作流程為：操作人員完成參數(shù)設(shè)置并啟動(dòng)開始按鈕后， 標(biāo)準(zhǔn)裝置等待同步觸發(fā)信號(hào)，接收到同步觸發(fā)信號(hào)后，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊和行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊同時(shí)開始工作，其中時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)時(shí)間為設(shè)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量，定時(shí)時(shí)間到時(shí)控制斷口信號(hào)變化；行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊啟動(dòng)直線電機(jī)按照設(shè)定行程和速度參數(shù)運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行時(shí)安裝在電機(jī)導(dǎo)軌上的光柵尺會(huì)產(chǎn)生正交脈沖，標(biāo)準(zhǔn)裝置采集并儲(chǔ)存此脈沖信號(hào)獲得電 機(jī)運(yùn)行的行程—時(shí)間曲線，再對(duì)行程—時(shí)間曲線進(jìn)行微分計(jì)算獲得速度—時(shí)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(jì)算得到開距、超程等行程標(biāo)準(zhǔn)量和剛分速度、剛合速度等速度標(biāo)準(zhǔn)量。 被檢高壓開關(guān)測(cè)試儀時(shí)間測(cè)量端口連接于標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí) 間標(biāo)準(zhǔn)模塊的輸出端口，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間量；測(cè)試儀的行程/時(shí)間傳感器連接于標(biāo)準(zhǔn)裝置行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊連接，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)行程量和標(biāo)準(zhǔn)速度量。 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)量和測(cè)試儀測(cè)量值即可計(jì)算獲得測(cè)試儀的誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試儀的校準(zhǔn)檢定工作。

2.2 使用方法

標(biāo)準(zhǔn)裝置的 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模 塊上位機(jī)操 作界面見(jiàn)圖 2。

操作上位機(jī)人機(jī)控制界面，可設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，將動(dòng)作數(shù)據(jù)下傳到標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機(jī)。 通過(guò)該界面，可以對(duì)分、合閘時(shí)間、不同期時(shí)間、彈跳時(shí)間、彈跳次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊流程圖見(jiàn)圖 3。

時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模 塊上位機(jī)軟 件設(shè)置所需 要的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間量，通過(guò) USB 電纜下傳到標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機(jī)。 下位機(jī)接收到同步觸發(fā)信號(hào)后啟動(dòng)定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間達(dá)到設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間量，控制斷口狀態(tài)變化，模擬高壓開關(guān)分合動(dòng)作。

標(biāo)準(zhǔn)裝置行 程及速度標(biāo) 準(zhǔn)模塊上位 機(jī)操作界面見(jiàn)圖 4。

行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊上位機(jī)設(shè)置行程、速度等標(biāo)準(zhǔn)參量，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，電機(jī)將處于等待同步信號(hào)狀態(tài)，當(dāng)時(shí)間部分收到同步信號(hào)時(shí)，電機(jī)按照設(shè)定參數(shù)運(yùn)行并帶動(dòng)測(cè)試儀采樣尺運(yùn)行，使測(cè)試儀器測(cè)量行程、速度量。 速度標(biāo)準(zhǔn)量定義界面見(jiàn)圖 5，速度標(biāo)準(zhǔn)量顯示界面見(jiàn)圖 6。

電機(jī)上安裝有光柵反饋尺，在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)有正交脈沖輸出，標(biāo)準(zhǔn)裝置采集并儲(chǔ)存反饋信號(hào)獲得行程信息，再根據(jù)設(shè)定的速度及行程定義方式，計(jì)算獲得相關(guān)行程標(biāo)準(zhǔn)量和速度標(biāo)準(zhǔn)量。

3 標(biāo)準(zhǔn)裝置的核心模塊介紹

3.1 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊

時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊的原理見(jiàn)圖 7。

時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊由同步檢測(cè)單元、 控制單元、信號(hào)產(chǎn)生單元、隔離單元、斷口信號(hào)輸出單元組成；標(biāo)準(zhǔn)裝置上位機(jī)軟件完成時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量的設(shè)置， 通過(guò)USB 電纜下傳到標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機(jī)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊。同步檢測(cè)單元接收到觸發(fā)信號(hào)后，控制系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量控制信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生 設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度的高電平或低電平信號(hào)；隔壁單元用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cè)試儀器的時(shí)間測(cè)量端口連接，輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，模擬高壓開關(guān)分合閘動(dòng)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(jī)的配置數(shù)據(jù)接收，定時(shí)數(shù)據(jù)下傳到 FPGA，同步的控制與檢測(cè)，復(fù)位；FPGA 主要完成斷口定時(shí)輸出。 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊可產(chǎn)生 16 路相互獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)， 模擬 16 組高壓開關(guān)的分/合閘時(shí)間等時(shí)間參數(shù)。

3.2 行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊

行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊原理框圖見(jiàn)圖 8。

行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊由直線電機(jī)、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、光柵反饋單元組成。 標(biāo)準(zhǔn)裝置上位機(jī)軟件設(shè)置速度及行程參數(shù)，上位機(jī)通過(guò) 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(dòng)命令，直線電機(jī)的導(dǎo)軌上安裝有光柵尺，直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生正交脈

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

單元通過(guò)數(shù)據(jù)通道 3 采集反饋脈沖獲得光柵 尺實(shí)時(shí)行程信息標(biāo)準(zhǔn)裝置采集并儲(chǔ)存此脈沖信號(hào)獲得電機(jī)運(yùn)行的行程—時(shí)間曲線，再對(duì)行程—時(shí)間曲線進(jìn)行微分計(jì)算獲得速度—時(shí)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(jì)算得到開距、超程等行程標(biāo)準(zhǔn)量和剛分速度、剛合速度等速度標(biāo)準(zhǔn)量。

4 標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度分析

4.1 行程標(biāo)準(zhǔn)量不確定度分析

根據(jù)行程標(biāo)準(zhǔn)模塊的原理，不確定度主要來(lái)源于兩個(gè)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(jìn)行不

確定度分析。 電機(jī)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(jī)技術(shù)文檔上 行程采樣分辨力為光柵尺一個(gè)柵格長(zhǎng)度 1.2×10-2 mm，與電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程無(wú)關(guān)，均勻分布，電機(jī)需通過(guò)整個(gè)柵格才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)， 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(biāo)準(zhǔn)量不確定度分析

根據(jù)速度標(biāo)準(zhǔn)模塊的原理，不確定度主要來(lái)源于 3 個(gè)方面：即光柵尺誤差不確定度、行程采樣分辨力、FPGA 定時(shí)晶振頻率誤差不確定度。 選擇速度0.2 m/s 處為例進(jìn)行不確定度分析。 電機(jī)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(duì)不確定度 u1=3.5×10-4 /姨 3 =2.0×10-4；電機(jī)技術(shù)文檔上行程采樣分辨力為光柵尺一個(gè)柵格長(zhǎng) 度1.2×10-2 mm，均勻分布，電機(jī)需通過(guò)整個(gè)柵格才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，分(合)閘速度的定義為分合閘前 (后)10 mm 的平均速度， 相對(duì)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(shí)晶振頻率*大允許誤差±3.0×10-5，均勻分布，相對(duì)不確定度 u3=3.0×10-5/姨 3 =1.7×10-5。

4.3 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量不確定度分析

根據(jù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊的原理，不確定度主要來(lái)源于 3 個(gè)方面：即 FPGA 定時(shí)晶振頻率誤差不確定度、定時(shí)器啟動(dòng)延時(shí)誤差不確定度、同步信號(hào)檢測(cè)延時(shí)誤差不確定度。選擇 999 ms 處為例進(jìn)行不確定度分析。 FPGA 技術(shù)文檔上定時(shí)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(shí)器啟動(dòng)延時(shí)為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊接收到同步觸發(fā)信號(hào)后到定 時(shí)器啟動(dòng)之間的延時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間設(shè)定的值沒(méi)有關(guān)系，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)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(hào)檢測(cè)延時(shí)為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)模塊檢測(cè)同步信號(hào)所需要的延時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)裝置支持電壓同步、電流同步、控接點(diǎn)同步 3 種觸發(fā)方式，通過(guò)實(shí)際測(cè)量采用電壓同步時(shí)延時(shí)為 5.0×10-3 ms，采用電流同步時(shí)延時(shí)為 2.0×10-3 ms，采用空接點(diǎn)同步時(shí)延時(shí)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(shí)u3=5.0×10-3 ms/姨 3 =2.9×10-3 ms； 采用電流同步時(shí)u3=2.0×10-3 ms/姨 3 =1.2×10-3 ms； 采用空接點(diǎn)同步時(shí) u3=5.0×10-4 ms/姨 3 =2.9×10-4 ms。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該標(biāo)準(zhǔn)裝置的各項(xiàng)功能， 即模擬的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)行程及標(biāo)準(zhǔn)速度均在法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu) (國(guó)家高電壓計(jì)量站)進(jìn)行過(guò)校準(zhǔn)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。 校準(zhǔn)點(diǎn)及數(shù)據(jù)較多，僅舉例見(jiàn)表 1。

從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)上可以看出， 該標(biāo)準(zhǔn)裝置的時(shí)間、速度、行程的性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)動(dòng) 作特性測(cè)試 儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置解決了高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀檢測(cè)困難的狀況，對(duì)測(cè)試儀的斷口時(shí)間檢驗(yàn)、速度/行程檢驗(yàn)、不同傳感器的安裝使用等提供了一整套完整、便捷的校準(zhǔn)、檢定方案。 使用該標(biāo)準(zhǔn)裝置能為高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試設(shè)備的選購(gòu)提供參考依據(jù)，也可以作為判斷產(chǎn)品合格與否的標(biāo)準(zhǔn)用于儀器設(shè)備的驗(yàn)收；還可用于高壓開關(guān)動(dòng)作特性測(cè)試儀生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)過(guò)程中的對(duì)比校準(zhǔn)，還可以作為產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)的測(cè)試儀器，對(duì)促使電力測(cè)試儀器向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向發(fā)展有積極推動(dòng)作用。