1 引 言
高壓開關是電力系統中的重要設備?目前存在的品種有多油、少油、SF6和真空開關等?在供電線路出現故障時?高壓開關必須及時對故障電路做出相應的
動作?不然故障將擴大?斷路器故障的發生?帶來的后果是十分嚴重的?其直接危害是被斷路器所保護的線路、設備受損電量損失；間接的危害則是造成用戶大面積停電?影響正常的生活、生產?為了保證高壓開關安全運行?必須對其機械特性進行測試?了解高壓開關的各種參數是否正常?從而進行相應的維護和檢修［1］?文中設 計 的 高 壓 開 關 機 械 特 性 測 試 儀 以ADUC845作為核心控制器?能夠測量多油、少油、SF6及真空等各類斷路器?
2 需求分析
本測試儀配置形式采用測試儀＋筆記本電腦＋外部存儲器工作的工作方式；啟動電源與數據測試系統分開?測試系統結構采用雙 CPU 的單片機組成的數據
采樣及處理?時間數據采樣預留12個采樣通道?行程采樣3個采樣通道；所有測試通道可同時測試?時間通道記錄時間為10秒?模擬通道記錄時間為0?6秒?
時間精度均為0?05％＋1mS、分辨率為0?1mS?模擬通道的模擬量綜合測試精度為2％；基本功能可滿足電力系統各種斷路器的測試要求?可測量測試時間、同期、彈跳時間、次數、行程、反彈幅值、速度、操作電壓、電流、動作電壓值、機械操作等各項數據、波形等；機械特性測試儀工作時系統啟動采用三種觸發方式：手動、外部電壓信號、外部接點啟動?時間通道有三種記錄方式：帶電阻方式、觸點方式、電壓方式?通道間在相同記錄方式時可串聯?可并聯；為保證產品的精度采用新技術提高抗干擾能力：時間通道和模擬通道的電源都互相隔離?并采用先進的抗干擾技術?可滿足多油、少油、SF6及真空等各類斷路器的測試?使測試精度高于國內同類產品；為提高數據傳輸速度：儀器配有 USB 口?測試數據可通過 USB 接口（或 RS232串口） 傳送到微機?完善測試儀的嵌入式軟件功能?不僅能靈活設置速度的計算范圍?還能在現場完成簡單的參數設置［2－4］
3 系統設計
本系統通過以單片機 ADUC845為核心?通過單片機對數據的采集及直流可調電源的控制來完成各種測量?然后單片機與工控板上的 CPU 通訊?將采集的數據傳到上位機?由上位機完成數據的處理和運算?上位機還負責人機接口 （包括界面顯示?按鍵輸入?測量結果?曲線打印輸出）［5］?
3?1 工作原理說明
測試儀通過鍵盤輸入傳感器的參數和其他選擇的參數?儀器用零延時的大功率電子接點啟動斷路器?然后同時對計時通道組計時和對模擬通道組進行采樣?
并存入數據存儲器中?實時的采樣?給測量結果的正確性提供了基礎?斷路器動作完成后?經過計算由大屏幕 LCD 顯示計時通道和模擬通道的時間和圖形?并能通過鍵盤移動圖形上的光標?實現圖形的分析?并通過高速打印機隨時打印出來?單片機將采集的數據讀出并做相應的處理和運算?并將結果傳給上位機?由上位機顯示測量結果?
3?2 模擬輸入通道
模擬輸入通道是用來測量斷路器行程數據的?它使用位移傳感器 （直線位移傳感器和角度位移傳感器）測量?傳感器的位移和電阻成正比?在傳感器兩端加上電壓 V?輸出電壓 V0即和傳感器的位移 （角度） 成正比?測試時?將傳感器的拉桿 （直線傳感器） 或轉軸 （角度傳感器） 與斷路器的傳動機構固定在一起?當斷路器動作時帶動傳感器滑動?電壓 V0的變化就記錄了斷路器的動作軌跡?微處理器控制高速 A/D 轉換器經多路選擇開關對 V0進行高速采樣?微處理器記錄開關動作后的數據?通過計算分析在屏幕上顯示斷路器運動的波形 （并能在屏幕上分析任何一段的行程與速度）?所以此波形就描述了斷路器的運動狀態?
3?3 開關量輸入輸出通道
在設計中?需要檢測各斷口開關量的狀態?來計算斷路器的波?為了去除干擾信號?在開關量輸入單片機前?增加光電隔離?然后進入 Pl 口?供單片機判
斷各斷口的不同期性?來調整斷口?使斷口盡量同時合閘?這樣可以保證真空斷路器的使用壽命?其工作原理見圖2所示
3?4 通信
為了把一些重要的數據保存起來?可以通過單片機與PC 機進行通訊?把數據傳給PC 機?使數據保存?而單片機與 PC 機一般采用 Rs 一232c 標準進行通訊連接?如圖3所示?MAX232的邏輯電平端口與單片機的串行口相連?PC 機 RS232的9針連接器的4腳和6腳、7腳、8腳不用連接?
3?5 傳感器選擇
為了滿足不通高壓開關的需要?我們采用了3種傳感器供用戶選擇：對于行程長的開關采用光電傳感器?對于行程短且提供了測試點的高壓開關采用直線
位移傳感器?沒有提供測試點的采用角位移傳感器?其中直線位移傳感器采用 WYD 系列直流位移傳感器?WYD 系列傳感器是一種將傳感器與電子電路集成一體?封裝在高導磁精密合金殼體內、由直流電源供電、輸出標準直流電流或標準電壓的高精度傳感器?可用于測量直線位移?該傳感器不需中間放大器或信號調節器就可以直接與微機數采系統聯接?在使用電流輸出方式時?可遠距離傳輸信號?獲得優良的遙測精度?WYD 系列直流位移傳感器可直接與微機數采系統配套使用?
3?6 USB 接口設計
機械特性測試儀 USB 口通訊采用的是 Philips 公司的 PDIUSBD12芯片?它通常用作微控制器系統中實現與微控制器進行通信的高速通用并行接口?它還支持本地的 DMA 傳輸?PDIUSBD12的特性如下：符合通用串行總線 USB1?1版規范；可與任何外部微控制器/微處理實現高速并行接口2M 字節/秒；完全自治的直接內存存取 DMA 操作；主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳輸；在批量模式和同步模式下均可實現1M 字節/秒的數據傳輸速率；具有良好EMI 特性的總線供電能力；在掛起時可控制 LazyClock 輸出；符合ACPI OnNOW 和USB 電源管理的要求；內部上電復位和低電壓復位電路；雙電源操作3?3±0?3V 或擴展的5V 電源?范圍為3?6～5?5V；多中斷模式實現批量和同步傳輸；當 USB 設備接入 PC 系統后?執行 USB 連接程序?
PC 機操作系統接到 USB 口信號后?啟動 USB 驅動程序?然后 USB 設備就可以與 PC 機通訊了?PC 機應用軟件通過 USB 口的4種模式與 USB 設備的調用請求處理程序通訊?
4 可靠性設計
在硬件的設計中?一定要充分考慮抗干擾性的要求?避免形成不可預知的錯誤?導致系統功能不能實現?我們的系統是要用在高壓開關上的?在高壓的環
境下?不免要產生很多干擾?在設計中不可忽略這些干擾?要進行相關的抗干擾設計?形成干擾的基本要素為干擾源、傳播途徑、和敏感器件?在電路抗干擾設計中?除了要選擇抗干擾能力強的器件外?還要在電路的設計和 PCB 的設計中注意很多設計規則?抑制干擾源是抗干擾*為有效的方法?
4?1 主要用以下的方法來抑制干擾源
⑴電路板上每個 CI 要并接一個0?001pF－0?1pF高頻電容?以減小 CI 對電源的影響?高頻電容的布線?連線應靠近電源端并盡量粗短?
⑵布線時避免90度折線?減少高頻噪聲發射?
⑶在切斷干擾傳播途徑方面?主要有以下工作?
高頻干擾噪聲可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷?有時也可加隔離光藕來解決?電源噪聲的危害*大?要特別注意處理?輻射干擾一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離?用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩?
4?2 切斷干擾傳播途徑的方法
⑴MCU 的部分1/0口用來控制高壓開關?高壓開關為噪聲器件?因此在 I/O 口與開關之間加光禍進行隔離?
⑵晶振布線十分注意?晶振與 MCU 引腳盡量靠近?用地線把時鐘區隔離起來?晶振外殼接地并固定?
⑶把電路板劃分為數字區與模擬區?數字地與模擬地分離?*后分別用光耦與電源地連接?
⑷可以把終端模塊分成兩個板子?容易產生干擾的三相電采樣輸入部分為一塊板子上?通訊和控制模塊在另一塊板子上?這樣可以很大程度防止高壓線路
上的干擾進入通訊和控制模塊?
4?3 在提高敏感器件的抗干擾性能方面?我們的設計使用了下面的方法措施
⑴布線時?電源線和地線盡量粗?這樣做除了能減小壓降外?還可以降低禍合噪聲?
⑵MCU 閑置的 I/O 口?不要懸空?要接地或接電源?其它 CI 的閑置端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源?
⑶MCU 盡量使用低速晶振?
⑷采用貼片 CI 器件?不用 Cl 座?
5 軟件設計
為了使儀器完成各項功能?機械特性測試儀開發了單片機嵌入式軟件?軟件開發采用了混合編程?基于89C51單片機的程序主要功能是與 ADUC845單片機
的程序配合完成測試斷路器斷口時間?基于 ADUC845單片機的程序的主要功能是測試斷路器的行程曲線?完成參數輸入?測試結果打印、輸出、保存、顯示和與 PC 機的通訊功能?ADUC845軟件工作流程見圖5所示?
6 結 論
基于 ADUC845的高壓開關機械特性測試儀工作穩定?性能良好?測量精度高?時間－行程特性曲線采樣頻率可達到100KHz?幅值精度為16位?線圈電流波形采樣頻率100KHz?合 （分） 閘時間0～999?99ms?速度測量范圍為0～15m/s?分辨率為0?0023m/s?行程測量范圍0～999mm?能夠實現開關單分、單合、合分、分－合－分、分－合－分－合－分、合－分－合－分等操作?可以通過 USB 接口儲存所有測試過的數據?供后期分析?測試儀能夠測量多油、少油、SF6、真空等各類斷路器?在高壓開關廠和電力部門有著廣泛的應用?
本文作者的**點：使用高性能嵌入式控制器ADUC845?其內部有12位 A/D 轉換器?提高了其抗干擾性能?數據采集上具有國內外**優勢?時間－行
程特性曲線采樣頻率為100kHz?時間－行程特性曲線幅值精度為16位；測試儀既能進行本地操作?又可以把測量的數據通過 USB 主口備份到其他存儲器上或利用串口直接將數據傳到計算機?以進行進一步的分析和處理?可解決計算機在高壓、高頻等復雜環境工作不穩定的情況?