断路器机械特性测试方法和选择

电工电气 (2010 No.6)

检验与测试

作者简介：周庆清(1975- )，男，工程师，本科，从事高压电器产品设计和开发工作； 宁茂亮(1961- )，男，高级工程师，本科，从事SF 6电器产品设计和工艺工作； 苏伟民(1966- )，男，高级工程师，本科，从事高压电器产品设计和开发工作。

GB 1984—2003明确规定，断路器在型式试验、出厂或交接试验前，须建立机械行程特性，测试空载行程曲线，记录时间、位移、速度等参数[1]。另外，断路器在投运使用过程中，用户也须按照技术要求和试验规程，定期进行机械特性测试，以便预防或发现断路器故障和异常。所以，机械特性测试是衡量和保障断路器质量状况及性能指标的重要手段。下面对几种常见的机械特性测试方法作一简单介绍，提出使用传感器应注意的几个问题，并举出一种使用直线传感器的高精度机械特性测试方法的例子加以说明。

1 机械特性测试的几种方法

1)采用电磁振荡器或转鼓仪。早期的油开关进行特性测试时，用电磁振荡器连接到固定在动触头拉杆上的铅笔上，驱动其以100H z频率的水平摆

动，在开关分合闸过程中，随着拉杆的运动，在固定的带坐标纸板上勾画出行程时间的振荡波。另外，也有用转鼓仪进行测试的，其原理是将转鼓仪设计为转鼓面上每旋转1mm的距离用1ms时间，测量时开关动触头带动记录笔上下运动所画出的合闸或分闸曲线[2]。这两种方法所用的记号笔本质上就相当于一种位移传感器，其特点是简单、方便，但受各种因素影响多，容易造成较大的测量误差。

2)利用滑线变阻器配合光线示波器进行特性测试。滑线变阻器由线绕电阻和滑动触头组成，滑动触头固定在动触头拉杆上，线绕电阻两端施加一定电压，通过对与动触头拉杆一起运动的滑线电阻电压的记录，配合示波器得到行程时间的波形曲线和相关行程、速度数据。这种方法的缺点是调整较麻烦，且缺乏对扩展分析机械特性曲线的充分支持。

3)采用光栅式位移传感器(光栅尺)作为位移传感器的智能式综合测试手段。随着计算机技术和传感器技术水平的不断进步，断路器机械特性测试设

断路器机械特性测试方法和选择

周庆清，宁茂亮，苏伟民

(浙江开关厂有限公司，浙江 衢州 324000)

Abstract: Introduction was made to several mechanical characteristics test methods of circuit-breaker, together with installation method, test accuracy, parameter input etc noticeable issues in sensor use process. A kind of high accuracy mechanical characteristics test method us-ing dynamic contact in analog of sliding block to connect liner sensor was given. This test method shows that the movement state of circuit-breaker dynamic contacts is more visual, test value more accurate, meeting dynamic contacts actual moving tracks. Key words: circuit-breaker; mechanical characteristics; sensor

ZHOU Qing-qing, NING Mao-liang, SU Wei-min

（Zhejiang Switchgear Factory Co., Ltd, Quzhou 324000, China ）

Circuit-Breaker Mechanical Characteristics Test Methods and Selection

摘 要：介绍了断路器的几种机械特性测试方法及传感器使用过程中应注意的安装方式、测试精度、参数输入等问题。给出一种利用动触头模拟滑块连接直线传感器的高精度机械特性测试方法，按该方法测试，断路器动触头的运动状态更直观，测试值更准确，符合动触头实际运动轨迹。

关键词：断路器；机械特性；传感器

中图分类号：TM561 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2010)06-0051-03

断路器机械特性测试方法和选择

电工电气 (2010 No.6)备已逐渐发展为智能化、数字化、图形化的综合性测试工具，而此时传感器也大多采用了光栅尺。光栅尺一般是利用刻在某种载体(如玻璃、晶态陶瓷或钢带等)上的隔栅，作为测量的基准，其工作原理是利用感知光度变化的光电池扫描的方法进行测量[3]。光栅尺抗干扰强，灵敏度很高，但在测试或存放过程中很容易损坏，很多用户逐渐改用直线或角度传感器。

4)目前，用直线传感器(滑线变阻器)或角度传感器(转角电位器)，配合微电脑式开关特性测试仪进行智能化特性检测已成为最为普及的测试手段，其测试的直观性、准确性、可操作性均远远优于前期阶段的非电气型传感器。目前国内厂家如石家庄汉迪的GKCHD400系列、西安博能的SWT 系列等开关特性测试仪均属此种类型。

除了上述较为成熟的测试方法之外，一些专业人员还在探索一些新的检测手段，如激光红外测距，超声波场、加速度传感器[4]的检测等以及利用光反射偏移原理进行的非接触式测试方式。

2 传感器使用中应注意的若干问题

近年来，中高压断路器市场已被真空和SF 6

断路器所占领。其中，真空断路器多用于10kV、35kV 等级，其行程开距小，适合频繁操作。而110kV 以上电压等级几乎全是SF 6断路器，由于开断后恢复电压高，要求开距大。这两类断路器中，部分(如VS1系列等)可以直接利用动触头进行位移时间测量，另外很多都难以将传感器固定在动触头连杆上，而是安装在动触头与操作机构的中间运动部件(如机构连杆或旋转主轴)上，通过特性测试仪计算机构连杆运动行程(或主轴转动角度)与时间的关系来间接测得灭弧室动触头(动导电杆)的运动行程曲线。即所谓的“体外测速法”[2]。

现在的多数开关特性测试仪，根据断路器结构的不同，都可配用直线传感器或角度传感器。但基于上述特点的断路器，选择使用传感器过程中都存在一些问题。一是机构或主轴拐臂往往是通过很多的连杆才最终将动力传输至动触头，传感器与动触头实际工况会存在传动环节的间隙差，从而产生测量误差，影响测量精度。二是高压S F 6断路器一般工作行程较长，通常需要较大行程的直线传感器匹配，若将其直接装于拐臂上，往往会出现安装位置紧张的局面。特别是一些三相共箱式G I S中的断路器，其机构箱的空间小，结构非常紧凑，很难提供传感器的直接安装位置，此时往往只能使用角度传感器进行特性测试。

如图1所示，一般测试仪在使用角度传感器时，要求先给出拐臂ON 长度a ，连杆NP 长度b ，L 1的端点P 的延长线与主轴的中心O 点的距离c ，ONP 夹角φ，以及拐臂RQ 的长度L 2与PQ 的长度L 1的比值K (K =L 2/L 1)。注意当角度传感器安装的位置不同，则所需的前提参数也不尽相同。图1中的角度传感器固定在左边转动副中心O 点。另外，对于事先所输入参数，需严格按测试仪的技术要求进行比对，否则会因参数对应错误而引起测量结果出入太大，失去测试意义。

由上可知，使用角度传感器也是一种间接测试方法，其原理是根据连杆机构角速度与线速度的关系，通过换算得出测量结果。因此其测量结果与动触头运动轨迹的对应关系是“分段式”线性的，当要求的测试精度越高，则采样的分段数也越细，对测试分析的硬件要求也越高。

3 一种使用直线传感器的高精度机械特性测试方法

以ZFW-126型GIS中的断路器为例。其灭弧室三相共箱，直立布置，操动机构位于拐臂盒底部，传动结构如图2所示。由于在密封的S F 6断路器中，难以将直线传感器直接固定在动触头拉杆(8)上。故可考虑根据主轴(4)上输入拐臂(5)至灭弧室内动触头拉杆(8)的实际传动环节，“移植”其结构至密封壳体外，并设计一动触头的模拟滑块，最后再连接至直线传感器，实现与动触头实际运动过程1:1匹配的高精度特性测试。

图1 使用角度传感器时所需的参数图解

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分别略大于动触头分合闸过冲幅度，以避免在运动过程中打坏滑块。

最终的效果图见图5。机械特性测试时，直线传感器连接于滑块，其中心应与滑块中心在同一直线上。另外，拐臂、滑块与连杆的连接还应注意销、套与轴孔的配合间隙，其尺寸公差应与原传动

按以上的方法测试，不仅将断路器动触头分合闸运动状态“可视化”，更直观且测试值更准确，因测试结果为全过程线性，较之角度传感器所测试的特性曲线更精确符合动触头实际运动轨迹。

4 结语

断路器机械特性测试方法众多，适应于不同的

图3a)为图2的简易示意图，其中，输入拐臂(5)长a (有效长度，下同)，主轴拐臂(3)长b ，断路器分别在分闸和合闸时，输入拐臂(5)的夹角为2θ。为了安装方便，可将“移植”出的结构旋转90°，变为水平布置，如图3b)所示。

动触头总行程L =2b s i n θ。主轴(4)至动触头运动方向的水平距离为d ，按常规设计，d 应等于主轴拐臂(3)在分合闸过程中转动至两水平极限位置的中点到主轴(4)的距离，d =(b +b cos θ)/2=

b (1+cos θ)/2。

动触头模拟滑块结构如图4所示，其中，连杆一端接滑块，另一端则接于测试拐臂上。滑块在滑槽中滑动的轨迹即为动触头分合闸的行程L 。图

4b)中，Δm 、

Δn 为预留的滑动空间，且Δm 、Δn 需图2 断路器传动结构图

图3 传动结构简化

图4 模拟动触头滑块

1—连杆

2—滑轨3—滑块4—滑动销与套

4

321a)b)

图5 使用滑块效果图

1—测试拐臂2—连杆3—滑块4—直线传感器

a)1—操动机构传动拐臂 2—连杆 3—主轴拐臂(拐臂盒内)

4—主轴 5—输入拐臂 6—绝缘拉杆7—关节轴承及圆柱销 8—拉杆(连接动触头)

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3.3 结果讨论

1)从3.1和3.2节可以看出，无论是电压暂降还是周期脉冲扰动，其开始点、结束点以及持续时间在相应小波变换的模极大值上都可清晰地检测到。正是其模极大值与信号突变点的这种对应关系，使小波变换在信号突变点检测方面具有传统方法无法比拟的优越性。尽管这里仅仅讨论了两种典型的扰动信号，但实际上，小波变换模极大值对各种扰动都能获得令人满意的检测结果。

2)表1和表2给出的结果，进一步验证了小波变换对扰动检测的有效性。它不仅能检测到突变点，而且可以准确定位。最大相对误差不超过0.8%，这完全能满足实际工程要求。

3)小波变换与传统Fourier变换不同点之一就是其没有固定的核函数。因此在利用它分析时，选择不同的小波在分析结果上会有较大的差异，如在3.1节中电压暂降的定位时，对开始点和结束点来说，相同算法下选用db8小波比选用db4小波相对理论值多了14个采样点的偏差(db4小波为6个采样点的偏差)，而采用db40小波的偏差分别达到78和73个采样点，这是因序号较高的Daubechies 小波，其对应滤波器的长度也较长，相应小波的光滑性也更好。尽管小波的光滑性是小波性能很重要的指标，但在突变点定位时，这种高的光滑性在对扰动信号平滑的过程中也会造成突变点的偏移，在实际工作中需特别注意。针对特殊的扰动，还可构造相应的小波，以求获得更好的检测和定位结果。

4 结语

小波变换是近年来在调和分析的基础上发展起来的新兴学科，是调和分析这一数学领域半个世纪以来的工作结晶，它很好地克服了传统Fourier变换、窗口Fourier变换的不足，在时频两域同时具有良好的局部化性质，从而在信号处理、故障诊断等许多方面获得了广泛的应用。而利用小波变换模极大值与信号突变点的对应关系，可以有效地对电网的各种电能质量扰动进行检测和定位，为进一步提高电能质量提供依据。

参考文献

[1] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力

出版社，2004.

[2] 胡铭，陈衍.基于小波变换模极大值的电能质量扰动

检测与定位[J].电网技术，2001，25(3)：12-16.

[3] 彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京：科学出版

社，2003.

[4] 郑岗，石梅香，刘丁，等.基于时域、多分辨率

分析和规则基的电能质量扰动分类[J].电网技术，2004，28(3)：65-68.

[5] 陈祥训.采用小波技术的几种电能质量扰动的

测量与分类方法[J].中国电机工程学报，2002，22(10)：2-7.

[6] 陈淑珍，石波.小波变换在奇变信号检测中的应用[J].

武汉大学学报：自然科学版，2000，46(1)：119-122.

收稿日期：2010-01-29

表2 周期脉冲扰动的理论值与实测定位值

扰动点理论值/s实测值/s误差/%开始点0.5000.4990.2

结束点 1.000 1.0020.2持续时间0.5000.5030.6

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