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)備的機械性能的可靠程度對整套設(shè)備的正常工作具有非常重要的影響，其動作特性的檢測在電力系統(tǒng)預(yù)防性試驗中具有十分重要的地位。 為了有效評估高壓開關(guān)的機械性能，大量高壓開關(guān)動作特性的測試儀器在現(xiàn)場被廣泛地采用。市場上滿足或部分滿足高壓開關(guān)動作特性測試的儀器種類 眾多，測量參數(shù)各異，性能良莠不齊，用戶選型困難[1-3]。國內(nèi)只有少數(shù)幾家機構(gòu) 開展了高壓 開關(guān)動作特性測試儀的校準(zhǔn)檢定工作，但手段相對簡單，大部分的檢驗工作還只是停留在對斷口動作時間的檢定上[4-6]，對包括速度傳感器在內(nèi)的整套測試儀的校準(zhǔn)檢定所作的工作還很少[7-12]。 針對目前高壓開關(guān)動作特性測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，對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的性能進(jìn)行**的檢測。 筆者研制的高壓開關(guān)動作特性測試儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)裝置)針對高壓開關(guān)動作特性測試儀的工作原理設(shè)計，利用該標(biāo)準(zhǔn)裝置可依據(jù) JJG(機械)140—93《高壓開關(guān)機械特性測試儀檢定規(guī)程》[13] 對高壓開關(guān)動作測試儀的分、合閘時間；剛分、剛合速度；行程、開距等測
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)能對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的時間測量功能進(jìn)行校準(zhǔn)。 主要包括：分閘時間、合閘時間、三相同期、彈跳時間、彈跳次數(shù)等。
2)能對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的速度測量功能進(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)能對各種高壓開關(guān)動作特性測試儀的行程測量功能進(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)
為了完成對市場上常見高壓開關(guān)動作特性測試儀的校準(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)裝置原理框圖見圖 1。
標(biāo)準(zhǔn)裝置由上位機和下位機結(jié)構(gòu)組成，標(biāo)準(zhǔn)裝置的上位機軟件包括時間標(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)裝置的下位機由時間標(biāo)準(zhǔn)模塊和行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，時間標(biāo)準(zhǔn)模塊將上位機設(shè)定的時間標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)時間信號 t，標(biāo)準(zhǔn)裝置的時間標(biāo)準(zhǔn)模塊可產(chǎn)生 16 路相互獨立的標(biāo)準(zhǔn)時間信號， 模擬 16 組高壓開關(guān)的分/合閘時間等時間參數(shù)；行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊將上位機設(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)、空接點內(nèi)觸發(fā)、電壓外觸發(fā)、電流外觸發(fā)、空接點外觸發(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)置并啟動開始按鈕后， 標(biāo)準(zhǔn)裝置等待同步觸發(fā)信號，接收到同步觸發(fā)信號后，時間標(biāo)準(zhǔn)模塊和行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊同時開始工作，其中時間標(biāo)準(zhǔn)模塊啟動定時計數(shù)器，定時時間為設(shè)定的時間標(biāo)準(zhǔn)量，定時時間到時控制斷口信號變化；行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊啟動直線電機按照設(shè)定行程和速度參數(shù)運行，電機運行時安裝在電機導(dǎo)軌上的光柵尺會產(chǎn)生正交脈沖，標(biāo)準(zhǔn)裝置采集并儲存此脈沖信號獲得電 機運行的行程—時間曲線，再對行程—時間曲線進(jìn)行微分計算獲得速度—時間曲線，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)測試儀時間測量端口連接于標(biāo)準(zhǔn)裝置時 間標(biāo)準(zhǔn)模塊的輸出端口，測量標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時間量；測試儀的行程/時間傳感器連接于標(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。 通過標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)量和測試儀測量值即可計算獲得測試儀的誤差，實現(xiàn)對測試儀的校準(zhǔn)檢定工作。
2.2 使用方法
標(biāo)準(zhǔn)裝置的 時間標(biāo)準(zhǔn)模 塊上位機操 作界面見圖 2。
操作上位機人機控制界面，可設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，將動作數(shù)據(jù)下傳到標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機。 通過該界面，可以對分、合閘時間、不同期時間、彈跳時間、彈跳次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 時間標(biāo)準(zhǔn)模塊流程圖見圖 3。
時間標(biāo)準(zhǔn)模 塊上位機軟 件設(shè)置所需 要的標(biāo)準(zhǔn)時間量，通過 USB 電纜下傳到標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機。 下位機接收到同步觸發(fā)信號后啟動定時，當(dāng)定時時間達(dá)到設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時間量，控制斷口狀態(tài)變化，模擬高壓開關(guān)分合動作。
標(biāo)準(zhǔn)裝置行 程及速度標(biāo) 準(zhǔn)模塊上位 機操作界面見圖 4。
行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊上位機設(shè)置行程、速度等標(biāo)準(zhǔn)參量，點擊“運行”按鈕，電機將處于等待同步信號狀態(tài)，當(dāng)時間部分收到同步信號時，電機按照設(shè)定參數(shù)運行并帶動測試儀采樣尺運行，使測試儀器測量行程、速度量。 速度標(biāo)準(zhǔn)量定義界面見圖 5，速度標(biāo)準(zhǔn)量顯示界面見圖 6。
電機上安裝有光柵反饋尺，在電機運行的過程中會有正交脈沖輸出，標(biāo)準(zhǔn)裝置采集并儲存反饋信號獲得行程信息，再根據(jù)設(shè)定的速度及行程定義方式，計算獲得相關(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 時間標(biāo)準(zhǔn)模塊
時間標(biāo)準(zhǔn)模塊的原理見圖 7。
時間標(biāo)準(zhǔn)模塊由同步檢測單元、 控制單元、信號產(chǎn)生單元、隔離單元、斷口信號輸出單元組成；標(biāo)準(zhǔn)裝置上位機軟件完成時間標(biāo)準(zhǔn)量的設(shè)置， 通過USB 電纜下傳到標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機的時間標(biāo)準(zhǔn)模塊。同步檢測單元接收到觸發(fā)信號后，控制系統(tǒng)根據(jù)上位機設(shè)置的時間標(biāo)準(zhǔn)量控制信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生 設(shè)置時間長度的高電平或低電平信號；隔壁單元用來實現(xiàn)信號產(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試儀器的時間測量端口連接，輸出標(biāo)準(zhǔn)時間信號，模擬高壓開關(guān)分合閘動作。
控制系統(tǒng)采用 ARM9 為主控制器，F(xiàn)PGA 為從控制器；ARM9 主要完成上位機的配置數(shù)據(jù)接收，定時數(shù)據(jù)下傳到 FPGA，同步的控制與檢測，復(fù)位；FPGA 主要完成斷口定時輸出。 時間標(biāo)準(zhǔn)模塊可產(chǎn)生 16 路相互獨立的標(biāo)準(zhǔn)時間信號， 模擬 16 組高壓開關(guān)的分/合閘時間等時間參數(shù)。
3.2 行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊
行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊原理框圖見圖 8。
行程及速度標(biāo)準(zhǔn)模塊由直線電機、控制單元、驅(qū)動單元、光柵反饋單元組成。 標(biāo)準(zhǔn)裝置上位機軟件設(shè)置速度及行程參數(shù)，上位機通過 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”啟動命令，直線電機的導(dǎo)軌上安裝有光柵尺，直線電機運行時會產(chǎn)生正交脈
沖輸出，驅(qū)動單元采集此反饋脈沖，并用 PID 的方式調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動電壓的大小和相位，控制直線電機按照上位機設(shè)定的行程、速度參數(shù)工作；光柵反饋
單元通過數(shù)據(jù)通道 3 采集反饋脈沖獲得光柵 尺實時行程信息標(biāo)準(zhǔn)裝置采集并儲存此脈沖信號獲得電機運行的行程—時間曲線，再對行程—時間曲線進(jìn)行微分計算獲得速度—時間曲線，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，不確定度主要來源于兩個方面：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； 電機技術(shù)文檔上 行程采樣分辨力為光柵尺一個柵格長度 1.2×10-2 mm，與電機運動行程無關(guān)，均勻分布，電機需通過整個柵格才會產(chǎn)生一個脈沖信號， 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，不確定度主要來源于 3 個方面：即光柵尺誤差不確定度、行程采樣分辨力、FPGA 定時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，
相對不確定度 u1=3.5×10-4 /姨 3 =2.0×10-4；電機技術(shù)文檔上行程采樣分辨力為光柵尺一個柵格長 度1.2×10-2 mm，均勻分布，電機需通過整個柵格才會產(chǎn)生一個脈沖信號，分(合)閘速度的定義為分合閘前 (后)10 mm 的平均速度， 相對不確定度 u2=1.2×10-2 mm/10 mm/姨 3 =6.9×10-4；FPGA 技術(shù)文檔上定時晶振頻率*大允許誤差±3.0×10-5，均勻分布，相對不確定度 u3=3.0×10-5/姨 3 =1.7×10-5。
4.3 時間標(biāo)準(zhǔn)量不確定度分析
根據(jù)時間標(biāo)準(zhǔn)模塊的原理，不確定度主要來源于 3 個方面：即 FPGA 定時晶振頻率誤差不確定度、定時器啟動延時誤差不確定度、同步信號檢測延時誤差不確定度。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； 定時器啟動延時為時間標(biāo)準(zhǔn)模塊接收到同步觸發(fā)信號后到定 時器啟動之間的延時，與標(biāo)準(zhǔn)時間設(shè)定的值沒有關(guān)系，經(jīng)過實際測量為 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；同步信號檢測延時為時間標(biāo)準(zhǔn)模塊檢測同步信號所需要的延時，標(biāo)準(zhǔn)裝置支持電壓同步、電流同步、控接點同步 3 種觸發(fā)方式，通過實際測量采用電壓同步時延時為 5.0×10-3 ms，采用電流同步時延時為 2.0×10-3 ms，采用空接點同步時延時為 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u3=5.0×10-3 ms/姨 3 =2.9×10-3 ms； 采用電流同步時u3=2.0×10-3 ms/姨 3 =1.2×10-3 ms； 采用空接點同步時 u3=5.0×10-4 ms/姨 3 =2.9×10-4 ms。
5 實驗數(shù)據(jù)
該標(biāo)準(zhǔn)裝置的各項功能， 即模擬的標(biāo)準(zhǔn)時間、標(biāo)準(zhǔn)行程及標(biāo)準(zhǔn)速度均在法定計量檢定機構(gòu) (國家高電壓計量站)進(jìn)行過校準(zhǔn)，實際測量結(jié)果符合設(shè)計要求。 校準(zhǔn)點及數(shù)據(jù)較多，僅舉例見表 1。
從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)上可以看出， 該標(biāo)準(zhǔn)裝置的時間、速度、行程的性能均滿足設(shè)計要求。
6 結(jié)語
筆者設(shè)計的高壓開關(guān)動 作特性測試 儀計量標(biāo)準(zhǔn)裝置解決了高壓開關(guān)動作特性測試儀檢測困難的狀況，對測試儀的斷口時間檢驗、速度/行程檢驗、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)動作特性測試設(shè)備的選購提供參考依據(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)備的驗收；還可用于高壓開關(guān)動作特性測試儀生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)過程中的對比校準(zhǔn)，還可以作為產(chǎn)品出廠檢驗的測試儀器，對促使電力測試儀器向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向發(fā)展有積極推動作用。
