基于加速度传感器测量高压断路器速度、位移特性的研究
西安中洲电力设备有限公司、比亚迪汽车有限公司的研究人员马存乐、杨得泉，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，高压断路器测量速度和位移普遍使用直线传感器和旋转传感器，有时候要特别定制一种安装夹具。另外，在处理数据时必须要知道断路器的固有机械特性参数。
针对以上两种问题，本文利用加速度与速度、位移之间的关系，先对采样后的加速度信号采用时域数值积分，得到含有趋势项的速度信号及位移信号，再采用拟合多项式极值的方法，消除积分过程中产生的趋势项，从而得到更为精确的速度和位移信号，有效解决了常用的直线传感器和旋转传感器安装困难的问题。
高压断路器是高压电路中重要电器元件之一[1]。当高压电路中发生故障时，通过继电器保护装置将故障电流从高压电路中快速切断，从而确保高压电路无故障部分正常运行[2]。国际大电网会议13.06工作组的国际调查结果表明，高压断路器的故障大部分是机械系统故障[3]。因此，对高压断路器的机械故障进行诊断是非常有必要的，同时也是保证电力系统安全运行的重要措施。
测量断路器的机械特性是了解断路器机械故障的重要诊断方法[4]。关于断路器机械特性的测量方法有直线电位器测速法、角度传感器测速法、光电编码器测速法等[5]。这些方法使用起来非常困难，安装麻烦（需要特别定制的支架才可安装）、数据可靠性不高、测量精度难以满足要求。即使使用高精密仪器测量，仍存在费用过高等问题[6]。
本文主要在前人的研究基础之上引入了一种新的测量方法，利用加速度传感器进行测量，加速度信号积分得到速度、位移。该方法是一种行之有效地方法，使得测量断路器机械特性故障更加准确、简便。
1 硬件设计
1.1 硬件工作原理
高压断路器机械特性测试装置结构框图如图1所示，包括加速度传感器、霍尔电流传感器、信号处理电路、AD采集、MCU及人机交互式显示部分。
图1 断路器机械特性测试装置结构框图
通过测量断路器分、合闸动作时，动触头加速度的变化来间接测量断路器的机械特性。在断路器分、合闸动作过程中，断路器的动触头移动与动触头速度、位移等之间有一定的联系，本测量装置就是根据此原理进行设计的。
加速度传感器将检测到的动触头移动信号后，经过信号处理电路后，将信号调理到A/D转换器的输入范围之内，经过A/D转换，MCU对转换后的信号进行处理就可得断路器动触头的电流曲线、速度曲线和位移曲线[7]。
1.2 加速度传感器的选择与安装
现有技术中的高压断路器机械特性测试仪大多采用直线位移传感器来测量动触头与静触头之间的距离，判断断路器的分、合状态，计算出动触头的速度和位移。而直线位移传感器对安装精度要求非常高，角度容许误差和平行度容许误差越小越好。利用专用支架将直线位移传感器的本体可靠的固定在断路器的本体上，直线位移传感器滑杆头部与动触头部分连接，直线位移传感器滑动应与动触头同步并与动触头的运动保持平行。
如果滑杆与断路器本体装成歪斜，就会造成测量数据不准，故必须定制一整套复杂的安装工具，并且不同等级的断路器的安装工具大小不一。另外，还需要知道断路器机械结构的一些联动变比值，提前输入到测试仪器中，才能正确计算出来结果。
面对每个厂家每种断路器来说，将这些数据录入到测试仪器中是一个很大的工作量。如果录入数据稍有不慎，就将直接造成测量的不准确。
现将加速度测量技术应用到断路器测速中，解决了断路器现场直线位移传感器安装难、配合难、测试难的技术难题。将加速度传感器直接紧固安装于断路器的主轴或动触头连接杆上，而安装加速度传感器应该根据动触头或动触头连接杆粗细不同选用相应半径的卡件，使传感器很牢固的卡在动触头或动触头连接杆上，不能晃动。
断路器动作时，传感器应紧随动触头或动触头连接杆一起运动，不可与动触头或动触头连接杆之间有相对晃动，否则可致测试数据不准。测量得到动触头的加速度曲线，即可间接测量得到动触头的直线位移曲线，这种测量方式对多种型号的断路器均适用。
根据以上分析，选用加速度传感器，其安装如图2所示。图中所示，1为动触头或动触头连接杆，2为内衬套，3为夹具，4为加速度传感器，5为传感器引线[8]。
图2 加速度传感器安装图
该传感器为我公司自主研发生产的加速度传感器，±250g的测量范围，满量程误差率为0.2%[9]。
1.3 调理电路设计
加速度传感器采用+5V供电，其输出是0.825～4.175V；A/D转换器采用ADI公司生产的AD7656，其输入电压为±10V；需要将0.825～4.175V变换成±10V。调理电路如图3所示。
图3 加速度传感器信号调理电路
信号调理电路主要作用如下。
滤波。采用低通滤波器滤除高频信号，防止干扰信号，提高采样精度。
隔离。采用ISO 124进行高精密隔离。将外围的大电流信号隔离，防止烧毁芯片。
放大。采用TL 082运算放大器不仅能增大电路的输入阻抗，而且最主要将信号放大到A/D转换器件的允许输入电压范围内。
加速度信号经过低通滤波后输入至ISO 124进行隔离，R24、R25、R26、R27、U8A构成差分电路，将0.825～4.175V电压信号转换为1.675～1.675V电压信号。再经过一级放大，放大倍数约为5.88倍。1.675～1.675V电压信号转换为9.85～9.85V电压信号，满足AD芯片的输入范围±10V，信号也不至于失真。
1.4 A/D转换电路
AD7656可实现6路同步转换，双极性模拟输入，转换速率可达250ksps[10]。本文中AD7656与MCU处理器采用高速串行接口设计。单片采集3路模拟信号，分别为电压信号、电流信号、加速度信号。在电路设计时将AD7656的“H/S SEL”引脚接高电平设置为硬件启动转换方式；采用非菊花链 “DCEN”引脚接地，“DCINA”、“DCINB”、“DCINC”引脚同时接地；由于只有一路输出，故将“SELA”引脚接高电平，“SELB”、“SELC”引脚接地；输入信号范围为±10V，“RAGNE”引脚接高电平；“SER/PARSEL”引脚接高电平设置为串行接口方式。
转换时同时控制“CONVSTA”、“CONVSTB”、“CONVSTC”引脚从低电平变为高电平时，所选ADC通道的取样保持开关从采样切换到保持，然后便启动转换。“BUSY”引脚变为高电平，表明已经开始转换，3s后，当“BUSY”引脚变为低电平时表示转化结束。
读取时，将“CS”引脚拉低，“SCLK”引脚发送96个脉冲信号，就可从输出寄存器中读出6路采集数据。本文只采集3路信号，故“SCLK”引脚发送48个脉冲信号即可，每路信号将占2个字节[11]。完成对加速度信号、电流信号、电压信号的采集。AD转换电路如图4所示。
图4 A/D转换电路
2 软件设计
2.1 软件整体设计
MCU处理器主要的外围硬件电路包括A/D采集芯片、SD卡、打印机、液晶屏、USB、网口、数字I/O口、SRAM、EEPROM、FLASH等电路。MCU处理器上电后首先对外围设备进行初始化，初始化完毕后，等待中断操作命令，判断是否为分闸、合闸命令，然后进行AD采集程序，对加速度、电压、电流信号进行一次采集，采集完毕交给MCU处理器进行数据分析计算处理。图5为系统主程序流程图。
图5 主程序流程图
2.2 数据处理（略）
高压断路器在分、合闸的过程中动触头由静止到运动的过程中会有加速度的变化。将这种加速度变化经过低通滤波、隔离、放大采集后为一组加速度信号数据，然后交给MCU处理器进行数据分析计算处理，从而得出在分、合闸过程中动触头的速度、位移等变化的数据。
3 实验结果及分析（略）
为了验证加速度传感器测量的精确性，将在高压断路器上同时安装直线位移传感器和加速度传感器进行了对比测量，得到一组直线位移传感器和加速度传感器测量数据。
表1为断路器SN1010少油断路器说明书中给出的固有机械参数。根据多次实验样本采集后统计，加速度传感器在测量精度上远高于传统的直线电位器式传感器。
表1 固有机械特性参数和两种传感器比较
本测试仪采用加速度传感器检测断路器分、合闸动作时动触头的加速度信号，经过两次积分便可得到动触头的位移测量，很好解决了断路器机械特性检测传感器不易安装及传统传感器测量精度不高的问题。采用该方法安装方便，结构简单小巧，成本低廉，具有很广泛的商业应用价值。