1 概述
高壓斷路器機(jī)械特性測試是開關(guān)生產(chǎn)、安裝、調(diào)試過程中不可缺少的一項內(nèi)容，對于檢測、鑒定斷路器的機(jī)械特性有重要的意義。固有分（合）閘時間、速度和行程、操作電源質(zhì)量（操動繞組的I—U曲線）是高壓斷路器能否可靠工作的重要參數(shù)。由于高壓斷路器的動作時間短，動作時振動大，早期的檢測裝置由于采樣技術(shù)和傳感器技術(shù)的水平所限，對于這些瞬變參數(shù)的檢測，尤其是對速度和位移的檢測缺乏可信的檢測手段；隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，目前出品的新型斷路器開距小、速度快，對高壓斷路器機(jī)械特性測試儀的要求更加苛刻。因此，市場迫切需要一種具有先進(jìn)測試原理、現(xiàn)場操作方便、測量數(shù)據(jù)可靠的新型高壓斷路器測試儀器。
隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，為基于過程測量的非接觸高壓斷路器機(jī)械特性測試儀的實現(xiàn)提供了可能。經(jīng)過反復(fù)的市場調(diào)研和對位移傳感器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的長期跟蹤，北京合智誠技術(shù)有限公司、西安高壓供電局變電修試所、焦作電廠檢修分廠聯(lián)合提出了基于過程測試的非接觸式高壓斷路器機(jī)械特性測試儀的實施方案，并經(jīng)過近一年的研制、試驗取得了令人滿意的效果。該儀器根據(jù)國標(biāo)GB 3309—1989和GB 1984—1989標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)檢測項目和術(shù)語定義進(jìn)行設(shè)計制造，它所能檢測的項目和數(shù)據(jù)的處理均優(yōu)于有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對速度和位移的測量方法獨特，傳感器不必與斷路器的動作連桿接觸，使得現(xiàn)場測量既方便又可靠，并且可實現(xiàn)過程測量，改變了以往狀態(tài)測量法的不足。
2 基于特征狀態(tài)測量法
狀態(tài)測量是指檢測裝置對被測參數(shù)的分析、處理和判斷只能基于一些特定的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而對其他非特征狀態(tài)數(shù)據(jù)不作記錄和響應(yīng)。目前對高壓斷路器機(jī)械特性的測試，普遍采用的是這種基于特征狀態(tài)數(shù)據(jù)的接觸式測試儀。這種測試儀原理簡單，易于實現(xiàn)，但卻只能對設(shè)備被測參數(shù)的粗略情況作出定性的判斷。它除了在固有分合閘的測量上能夠讓人接受外，在區(qū)分機(jī)械動作時間、電氣響應(yīng)時間方面無能為力，對其他類參數(shù)的測試也不盡人意。
雖然隨著計算機(jī)技術(shù)的普及，目前許多電氣測量設(shè)備都已數(shù)字化，但是限于當(dāng)時儀器開發(fā)時計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的水平，許多測量設(shè)備的測試原理基本是從數(shù)字化的角度對傳統(tǒng)模擬測試方法進(jìn)行簡單的重新解釋，并沒有充分挖掘數(shù)字測量方式在數(shù)據(jù)存儲、處理方面的優(yōu)勢而作出適當(dāng)?shù)耐庋雍凸δ軘U(kuò)充，傳統(tǒng)高壓斷路器機(jī)械特性測試儀也不例外。
基于狀態(tài)測量的高壓斷路器機(jī)械特性測試儀對一些動態(tài)特性測試、擾動頻繁、多參數(shù)聯(lián)合衡量的測試不能很好地滿足要求。
（1） 對斷路器固有時間的測試。從定義上看，固有時間是指斷路器從發(fā)出動作命令到第一個斷口分開或接觸之間的時間，其曲線見圖1，對于電路響應(yīng)時間和裝置本身的固有動作時間不作區(qū)分。固有時間的計時起點由操作指令觸發(fā)，計時停止由第一個狀態(tài)改變的斷口信號觸發(fā)，即固有時間T=t1+t2，從操作繞組的電壓曲線看，時間t1是電路響應(yīng)時間，合理的講，斷路器的固有動作時間應(yīng)該以最后一個斷口的位置改變?yōu)榻Y(jié)束，由于狀態(tài)測試的局限性，迫使我們在該測試中忽略了電路的響應(yīng)時間和斷口不同期時間，這其實是一個折中的妥協(xié)方案。
圖1 固有時間曲線
圖1 固有時間曲線
圖2 位移—時間曲線
(2) 對速度測試。速度是個時刻量，目前多采用走完固定位移花掉多少時間的方式獲得一個平均值，位移—時間曲線見圖2。由于采用狀態(tài)測試需要明確的狀態(tài)標(biāo)志，因此指令發(fā)出時刻自然成了位移運動的起點，而速度只能通過V=S1/（t1+t2）的方式獲得。因為，在狀態(tài)測試中，t1時刻或者說動作原點時刻的特征不明顯，無法捕捉到；另外，在S1對應(yīng)的t2時間內(nèi)缺乏狀態(tài)測試需要給出的狀態(tài)標(biāo)志。所以，只好通過平均值獲得速度，這與以運動時刻為基準(zhǔn)定義的剛分/剛合速度的定義是相違背的。
(3) 對操作電源的性能測試。斷路器是否能夠正確動作，既有來自其自身的原因，也有來自操作電源的原因（如操作電源容量不足、蓄電池老化或?qū)Ь€截面小等）。如何判斷原因來自哪個因素，用狀態(tài)測量不可能對操作電源的性能作出測試，因為在狀態(tài)測試思維中根本不考慮操作中發(fā)生了什么事情，但是如果我們能夠基于過程測試的思維將操作過程中操動繞組的I—U曲線記錄下來.
3 基于過程測量法
3.1 過程測量
所謂過程測量是相對于狀態(tài)測量而言的，其核心有2個:①對被測參數(shù)作全過程記錄；②所有被測參數(shù)基于同一參考系，可以實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的互相關(guān)聯(lián)。在過程測量的思維里，放棄了傳統(tǒng)的事件標(biāo)定方法（特征狀態(tài)或特征數(shù)據(jù)），所有被測量基于同一個參考系（多為時間參考系），所有事件的處理都基于這個參考系，并且同等持續(xù)地對待整個測試中的所有狀態(tài)或數(shù)據(jù)，這即簡化了測試邏輯，也為相關(guān)量之間的互相標(biāo)定創(chuàng)造了可能。用過程測量的思維處理上述三個問題顯得十分簡單。
（1） 在斷路器固有時間的測試中，由于我們同時全過程記錄了斷口的狀態(tài)轉(zhuǎn)變和操作繞組電壓的變化曲線，且這兩個量有統(tǒng)一的時間坐標(biāo)，因此，很容易精確獲得電路響應(yīng)時間和斷路器自身的動作時間。
（２）在速度測試中，我們能夠精確地把計時時間起點和位移時刻原點統(tǒng)一在一起，不必象狀態(tài)測試中那樣把計時時間起點定義在操作指令發(fā)出時刻，更為重要的是可以通過位移時間曲線切線斜率的方式求出任意時刻的即時速度，而不再是平均速度。另外，觸頭的彈跳情況也能在位移—時間曲線中再現(xiàn)出來。
(3) 通過對操作繞組上電壓、電流曲線的全過程記錄及其他參數(shù)的關(guān)聯(lián)記錄，可以明確區(qū)分到底是操作電源問題還是操作機(jī)構(gòu)問題，并且還能對繞組的電氣特性和操作電源的性能作出科學(xué)的評價。
其實，電氣設(shè)備在激勵源的激勵下達(dá)到某個狀態(tài)的過渡過程中會表現(xiàn)出很多有價值的信息，這些信息往往比穩(wěn)定的狀態(tài)信息更有價值，以前限于測試手段、技術(shù)水平的原因，沒有對過渡信息進(jìn)行記錄和利用，隨著技術(shù)的發(fā)展，對過渡信息進(jìn)行記錄已經(jīng)變成可能。
3.2 非接觸方式
利用過程測量方式，高壓斷路器機(jī)械特性測試儀不僅可實現(xiàn)對參數(shù)的科學(xué)精確測試，還可實現(xiàn)對高壓斷路器機(jī)械特性中位移、速度的非接觸測試。
目前，高壓斷路器機(jī)械特性測試儀在位移、速度的測試方面基本都采用接觸方式來獲得高壓斷路器的位移、速度信息，也就是必須將位移傳感器接觸安裝在斷路器的聯(lián)動部分，通過接觸斷路器的運動來感受其運動信息。由于高壓斷路器的結(jié)構(gòu)和形狀各異，因此該方式在現(xiàn)場的測試中十分困難，甚至不可能實現(xiàn)。
利用光反射偏移原理可實現(xiàn)對高壓斷路器速度、位移的非接觸測試。光電測量位移、速度原理圖見圖4。
圖4 光電測量位移、速度原理圖
從圖4中可以看出，被測物體在從位置h2運動到位置h1時，通過被測物體反射到測試平面的光線從S2運行到S1 ，通過幾何關(guān)系很容易算出被測物體的位移h=h1-h2與測試平面的感受位移S=S1-S2之間的關(guān)系h=S/(2tgθ)由于θ值是已知的，S是可測量的，所以，可以通過反射光的偏移位移得到被測物體本身的位移h。由于光的速度很快，只要測試平面的掃描速度足夠快（20 kHz即50μs）即能夠?qū)\動物體的位移、速度實現(xiàn)非接觸測試。
實現(xiàn)位移、速度非接觸測試的好處:①不需現(xiàn)場煩瑣的安裝；②適應(yīng)所有的結(jié)構(gòu)（不包括沒有外露聯(lián)動機(jī)構(gòu)的）；③免受劇烈震動的干擾；④不對斷路器的動作造成任何障礙。
4 過程測量儀的組成
（1） 電源單元：交流電源輸入，操作電源為交直流48～250 V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流可達(dá)20 A，當(dāng)被測斷路器分合閘回路的電流超過此電流值時可外接操作電源。穩(wěn)壓電源(恒壓源)具有體積小、質(zhì)量輕、輸出電流大、精度高及穩(wěn)定性能好等特點。由于操作電源與特性參數(shù)測量溶為一體，可直接控制斷路器合閘、分閘，同時將所有特性參數(shù)一并測出，并顯示或打印測量結(jié)果。
（2） 測量單元：測量單元包括行程（或位移）測量回路、計時回路、開關(guān)量（斷口分合）接入回路，斷路器只需動作一次就可獲得相應(yīng)操作的所有測量數(shù)據(jù)。
（3） 中央處理單元：將各測量參數(shù)按照預(yù)先輸入的程序進(jìn)行運算，判斷，并負(fù)責(zé)儀器內(nèi)各單元之間的通信、聯(lián)系、協(xié)調(diào)，故障診斷，接受和發(fā)出指令。
（4） 輸出單元：具有大屏幕顯示器，可用漢字顯示全部機(jī)械特性參數(shù)，打印機(jī)直接鑲?cè)朊姘澹梢员砀裥问綕h字打印全部合分參數(shù)；可漢字顯示接線出錯、拒合和拒分、數(shù)據(jù)溢出等各種故障。
5 主要技術(shù)指標(biāo)
掃描時間范圍0～1000ms，精度80μs；位移范圍0～400mm（100～500 mm），精度0.01mm；操作電壓輸入范圍DC-400～+400V，精度0.5V；操作電流輸入范圍0～120A，精度0.02A；采樣頻率大于10kHz ；數(shù)據(jù)存儲空間6MB（可擴(kuò)充至14～30 MB）；模擬量通道8路（4～20mA、0～5V、0～10V可選）；開關(guān)量通道8路開入，6路開出；工作電源電壓AC220±10%；儀器最大功耗150W；工作環(huán)境溫度 -20～+85℃；相對濕度不大于80%。
6 結(jié)束語
由于基于過程測試的非接觸高壓斷路器機(jī)械特性測試儀，掃描、跟蹤、記錄了開關(guān)動作的全部過程，并將相關(guān)參數(shù)統(tǒng)一在同一參考系（時間）下，不僅可以對開關(guān)的控制回路、操作機(jī)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果作出判斷，還可以對過渡過程進(jìn)行再現(xiàn)，這對于深入、全面地研究開關(guān)的動作性能有著重要的意義，同時由于實現(xiàn)了速度、位移的非接觸測量，為現(xiàn)場高壓斷路器的速度、位移測試提供了簡單、實用、科學(xué)的測試手段。