断路器机械特性及参数检测装置

断路器机械特性及参数检测装置

曲兴华，陈勇，杨晓军，钱小龙

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精密测试技术及仪器国家重点实验室（天津大学） 天津 300072

摘 要：本文介绍了所研制的断路器三相同步性检测装置，以国产DBA、DBG、DBB等九种断路器为研究对象，选用工控机、伺服电机、力传感器和高速数据采集卡设计了一套数据采集、处理系统，完成对其分合闸机械特性参数、力变化曲线和过程曲线的自动测量、显示、存储查询及打印，检测功能全、速度快、精度高，可以将断路器诸多机械特性的测量集于一体，大大简化了测量过程，节省人力物力。最后对其测量结果及适用性作了分析和评议。

关键词：断路器 伺服电机 光电编码器 力传感器 高速数据采集卡

引言

随着电力应用的广泛深入，飞机、舰船等大型机动设备对电力的需求也不断增大，对安全用电提出了更高的要求，各种新型的保险装置也应运而生，断路器就是其中应用最广泛的一种，其质量好坏直接关系到能否安全用电。而断路器的可靠性在很大程度上取决于其机械操作系统的可靠性。统计表明，运行中的故障大部分是机械操作系统故障，出厂成品检验成为断路器质量保证的重要方法。目前，国内外对断路器机械性能的测量主要以人工方式进行测量，一般有两种方式，一是对未密封或开放式断路器，将传感器直接安装在外露的触头上进行测量；另外一种是采用振动式传感器进行测量，两种方法测量参数都极为有限、效率低。因此，必须设计一种高精度、多参数和全自动的测量仪器以满足断路器机械性能的测量要求，而大规模集成电路、计算机技术和现代精密测试技术的迅速发展，为此提供了技术基础。

断路器机械性能参数 （1）断路器的备用行程

从断路器的触点开始接触到断路器完全锁定，触点所经过的长度，不同型号的断路器对备用行程的要求不同，精度一般为0.01mm； （2）三相断路器的同步性

三相断路器每相的接通同步性，也就是每相的备用行程之差，对三相断路器的同步性通常不能超过0.3mm； （3）断路器的分合闸动态曲线

断路器的分合闸时的接通曲线，可以比较直观的反应断路器的每个触点在接通、断开始的动态过程；

（4）断路器的分合闸力过程曲线

断路器的分合闸时触点的接通、断开时力的动态过程，可以反映断路器里的簧片在断路器分合闸时的动态受力的变化过程； （5）显示、存储及打印

本装置可以将测量的以上各个参数、动态曲线和过程曲线显示、存储和打印。

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本项目受教育部博士点基金资助（20020056002）

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测量原理

光电编码器在实际测量中应用较多，安装在电机的引出轴上，可以反馈电机的旋转速度；安装在丝杠上，可以将丝杠的导程进一步细分。如果光电编码器的输出为N=2500个脉冲/转，精密线性模组的导程为m=5mm，光电编码器的每个脉冲对应的单位进给为

k=

m5mm==2µm N2500

工控机的计数器读到光电编码器的脉冲数为Q，则伺服电机的理论进给为

L=Q×k=kQ

当开始测量时，伺服电机转动，测量工作台前进，工控机的数据采集卡开始采集力传感器和断路器的负载信号，同时数据采集卡的计数器开始计数光电编码器的脉冲输出；当程序检测到有一相接通时，记下此时的脉冲输出数下此时的脉冲输出数

N1；当程序检测到第二项接通时，再记

N2；当程序检测到第三相接通时，记下此时的脉冲输出数N3；最后，

当断路器锁定时，力传感器会有一个跳变输出，当测量程序检测到这一跳变时，工控机停止向伺服系统发脉冲，伺服电机停止转动，测量工作台停止前进，同时记下此时计数器的脉冲数

N4。

这样就可以实现断路器机械特性参数自动测量，得到断路器的接通过程曲线、接通力的大小、接通的力变化过程曲线和测量断路器三相同步性的所需测量参数。

断路器的第一相备用行程：断路器的第二相备用行程：断路器的第三相备用行程：

H1=(N4−N1)×k=k(N4−N1) H2=(N4−N2)×k=k(N4−N2) H3=(N4−N3)×k=k(N4−N3)

断路器断开时的测量过程类似于接通时的测量过程，只是此时的测量参数变成了时间。

装置总体设计

研华工控机控制PCI-6143数据采集卡的一个I/O口发一定频率控制脉冲给伺服电机的驱动器，控制伺服电机转动；伺服电机的转动会驱动精密线性模组上的工作台运动，安装在移动工作台上的力传感器通过测杆与被测断路器连接，可以在工作台行进过程中，动态测出断路器接通/断开过程中的力学变化特性和机械参数。同时，伺服电机的光电编码器会根据旋转的角度大小发出相对应的脉冲，工控机从数据采集卡的计数器上读出光电编码器的脉冲数，最后根据光电编码器每个脉冲对应的精密线性模组的单位进给，计算出传动机构的实际进给距离。其测量过程如图1所示。

工控机控制脉冲 伺服驱动器 细分脉冲伺服电机

数据采集卡 整形及光电耦合电路图1

光电编码器 -2-

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（1）力传感器

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，它有敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。本装置所采用的力传感器是中国航天科技集团公司第七0一研究所的BK-3型生产的

电阻式传感器，它结构简单，性能稳定，灵敏度高，同时还适合动态测量。电阻式传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物体变形转换成电阻变化的传感器，已被广泛应用于实际工程测量和科学实验中。

（2）伺服系统

伺服系统的模块性和紧凑性带来了更大的机器灵活性，缩短了准备时间，减少了相应的浪费，并且通过消除机械元件的缺陷改进了质量。伺服系统的长周期、可靠和可重复特性可以提高许多动作控制应用的处理量和处理速度，大大提高了生产率和精确度；另外，伺服系统的操作性好，同时可以提供多种网络协议的网络选项，伺服系统还可以提供有价值的诊断功能，帮助排除故障，大大缩短了维修时间，多数配有PC接口和HMI(人—机界面)选项。本装置采用的伺服系统是松下伺服系统，它使用方便，外围电路简单。

（3）断路器装卡和精密线性模组

断路器装卡部分实现断路器的安装和断路器的接通/断开信号供电，是自行设计加工；精密线性模组是HIWIN生产的KK60系列，它给本装置提供可靠的精度保障，其导程为5mm，重复定位重现性达到±0.003mm。

（4）信号采集和运动控制

用PCI-6143多功能高速数据采集卡采集信号和实现伺服系统的运动控制。所要采集的信号有力传感器的输出、三相断路器每相的接通/断开信号和伺服电机的光电编码器输出；同时，PCI-6143多功能高速数据采集卡也是运动控制的核心，它向伺服电机发出执行指示，通过它的I/O口发给伺服驱动器一定频率的控制脉冲控制着伺服电机的转速、方向；伺服电机是动作控制系统的动力，它将运动控制系统的电能转化为使机器动作的机械能，实现伺服传动机构的自由进给、灵活运动；伺服传动机构将伺服电机发出的初始机械能转换为合适的机械能，大幅度地增强动力或者减小动力，让机构根据实际测量需要运动。

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软件测量及数据查询界面

脉冲数Ｎ２断路器第二相接通否伺服电机自动退回脉冲数Ｎ1断路器第一相接通 否开始

否

断路器第三相接通 脉冲数Ｎ３力的跳边 否脉冲数Ｎ４和力的大小结果显示 结束 图2 软件测量流程图

为了本装置使用更加方便，软件界面非常简洁明了（如图3），所要检测的各种参数、过程曲线和动态曲线在同一界面上显示，而且还可以很方便地显示伺服电机的运动状态及其运动量。在数据查询方面（如图4），可以根据产品型号、产品编号和测试日期任意查询断路器的检测结果。

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图3 图4 标定

用一级百分表、表架和标准量块检验本装置的误差，结果如下表。 序号

1

2 2

3 5

4 10

5 15

6 20

7 25

8 30

9 40

10 50

量块（mm） 1

结果（mm） 0.995 1.997 5.00310.00315.00219.99625.00530.004 40.003 49.996

从结果可以看出，测量误差在0.01mm之内，满足测量的技术要求。 测量结果

对一台DBG-20型号的三相断路器用本装置连续进行了三次测量，结果如下表。

序号 1 2 3 序号 1

A相行程 B相行程1.25mm 1.23mm 1.24mm

1.29mm 1.28mm 1.29mm

C相行程1.34mm 1.30mm 1.32mm C相行程1.40mm

接通力 40N 40N 41N 接通力 43N

断开力 21N 21N 21N 断开力 20N

本台三相断路器手工测量结果如下表。

A相行程 B相行程1.25mm

1.27mm

结论

断路器机械特性直接影响其开断与关合性能以及使用寿命，是其重要的技术参数。在设计、安装及维修调试中，均要对这些参数进行测试。利用光电传感器原理进行动态特性的测试，具有较好的动态响应特性和较高的测试精度，并且易与微机一起进行自动控制、测试、数据处理及显示与记录等，具有较好的应用前景。

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参考文献

[1] 宋世通，浅谈真空断路器机械参数的选择，电气开关，2003 No.2，39～40

[2] 宋建新、刘凤丽，真空断路器机械特性参数测量及验证，沈阳农业大学学报，2002年5期，380～382 [3] 殷际英、林宋、方建军编著，光电机一体化实用技术，北京：化学工业出版社，2003年 [4] 郭庆鼎、王成元著，交流伺服系统，北京：机械工业出版社，1994年 [5] 杨乐平编著，LabView 高级程序设计，北京：清华大学出版社，2004年 [6] 雷振山编著，LabView7 Express实用技术教程，北京：中国铁道出版社，2004年

Measurement and Detection Device of Circuit Breaker’s

Mechanical Parameter and Characteristic

QU Xing-hua, CHEN Yong, YANG Xiao-jun, QIAN Xiao-long, YE Sheng-hua

(State Key Laboratory of Prcision Measuring Technology and Instrument, Tianjin

University,Tianjin 300072, China)

Abstract

This paper presents a measurement and detection device of circuit breaker’s mechanical parameter and characteristic. It emphasizes on homemade DBA, DBG, DBB etc. nine types circuit breakers as research objects, designing a data acquiring and processing system by selecting industry computer, servo motor, force sensor, high speed DAQ card. It can auto measure, display, save and print such parameters as switching mechanical characteristic, force changing curve and circuit breaker’s process curve. Its multifunction, high speed and precision measurement and detection can integrate so much circuit breaker’s mechanical parameter and characteristic into only one device. It simplifies the measurement process and saves much manpower and material resources. At last, it analyses and comments its measuring results and its application.

Keywords: Circuit Breaker; Servo Motor; Optical Encoder; Force Sensor; High Speed DAQ Card.

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