1 引 言
高压开关是电力系统中的重要设备目前存在的品种有多油、少油、SF6和真空开关等∙在供电线路出现故障时高压开关必须及时对故障电路做出相应的
动作不然故障将扩大∙断路器故障的发生带来的后果是十分严重的∙其直接危害是被断路器所保护的线路、设备受损电量损失；间接的危害则是造成用户大面积停电影响正常的生活、生产∙为了保证高压开关安全运行必须对其机械特性进行测试了解高压开关的各种参数是否正常从而进行相应的维护和检修［1］∙文中设 计 的 高 压 开 关 机 械 特 性 测 试 仪 以ADUC845作为核心控制器能够测量多油、少油、SF6及真空等各类断路器∙
2 需求分析
本测试仪配置形式采用测试仪＋笔记本电脑＋外部存储器工作的工作方式；启动电源与数据测试系统分开测试系统结构采用双 CPU 的单片机组成的数据
采样及处理时间数据采样预留12个采样通道行程采样3个采样通道；所有测试通道可同时测试∙时间通道记录时间为10秒模拟通道记录时间为0∙6秒∙
时间精度均为0∙05％＋1mS、分辨率为0∙1mS∙模拟通道的模拟量综合测试精度为2％；基本功能可满足电力系统各种断路器的测试要求可测量测试时间、同期、弹跳时间、次数、行程、反弹幅值、速度、操作电压、电流、动作电压值、机械操作等各项数据、波形等；机械特性测试仪工作时系统启动采用三种触发方式：手动、外部电压信号、外部接点启动∙时间通道有三种记录方式：带电阻方式、触点方式、电压方式通道间在相同记录方式时可串联可并联；为保证产品的精度采用新技术提高抗干扰能力：时间通道和模拟通道的电源都互相隔离并采用先进的抗干扰技术∙可满足多油、少油、SF6及真空等各类断路器的测试使测试精度高于国内同类产品；为提高数据传输速度：仪器配有 USB 口∙测试数据可通过 USB 接口（或 RS232串口） 传送到微机∙完善测试仪的嵌入式软件功能不仅能灵活设置速度的计算范围还能在现场完成简单的参数设置［2－4］
3 系统设计
本系统通过以单片机 ADUC845为核心通过单片机对数据的采集及直流可调电源的控制来完成各种测量然后单片机与工控板上的 CPU 通讯将采集的数据传到上位机由上位机完成数据的处理和运算∙上位机还负责人机接口 （包括界面显示按键输入测量结果曲线打印输出）［5］∙
3∙1 工作原理说明
测试仪通过键盘输入传感器的参数和其他选择的参数∙仪器用零延时的大功率电子接点启动断路器然后同时对计时通道组计时和对模拟通道组进行采样∙
并存入数据存储器中∙实时的采样给测量结果的正确性提供了基础∙断路器动作完成后经过计算由大屏幕 LCD 显示计时通道和模拟通道的时间和图形并能通过键盘移动图形上的光标实现图形的分析并通过高速打印机随时打印出来∙单片机将采集的数据读出并做相应的处理和运算∙并将结果传给上位机由上位机显示测量结果∙
3∙2 模拟输入通道
模拟输入通道是用来测量断路器行程数据的它使用位移传感器 （直线位移传感器和角度位移传感器）测量传感器的位移和电阻成正比∙在传感器两端加上电压 V输出电压 V0即和传感器的位移 （角度） 成正比∙测试时将传感器的拉杆 （直线传感器） 或转轴 （角度传感器） 与断路器的传动机构固定在一起当断路器动作时带动传感器滑动电压 V0的变化就记录了断路器的动作轨迹∙微处理器控制高速 A/D 转换器经多路选择开关对 V0进行高速采样∙微处理器记录开关动作后的数据通过计算分析在屏幕上显示断路器运动的波形 （并能在屏幕上分析任何一段的行程与速度）所以此波形就描述了断路器的运动状态∙
3∙3 开关量输入输出通道
在设计中需要检测各断口开关量的状态来计算断路器的波∙为了去除干扰信号在开关量输入单片机前增加光电隔离然后进入 Pl 口供单片机判
断各断口的不同期性来调整断口使断口尽量同时合闸∙这样可以保证真空断路器的使用寿命∙其工作原理见图2所示
3∙4 通信
为了把一些重要的数据保存起来可以通过单片机与PC 机进行通讯把数据传给PC 机使数据保存∙而单片机与 PC 机一般采用 Rs 一232c 标准进行通讯连接如图3所示MAX232的逻辑电平端口与单片机的串行口相连∙PC 机 RS232的9针连接器的4脚和6脚、7脚、8脚不用连接∙
3∙5 传感器选择
为了满足不通高压开关的需要我们采用了3种传感器供用户选择：对于行程长的开关采用光电传感器对于行程短且提供了测试点的高压开关采用直线
位移传感器没有提供测试点的采用角位移传感器∙其中直线位移传感器采用 WYD 系列直流位移传感器∙WYD 系列传感器是一种将传感器与电子电路集成一体封装在高导磁精密合金壳体内、由直流电源供电、输出标准直流电流或标准电压的高精度传感器∙可用于测量直线位移∙该传感器不需中间放大器或信号调节器就可以直接与微机数采系统联接∙在使用电流输出方式时可远距离传输信号获得优良的遥测精度∙WYD 系列直流位移传感器可直接与微机数采系统配套使用∙
3∙6 USB 接口设计
机械特性测试仪 USB 口通讯采用的是 Philips 公司的 PDIUSBD12芯片它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口它还支持本地的 DMA 传输∙PDIUSBD12的特性如下：符合通用串行总线 USB1∙1版规范；可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口2M 字节/秒；完全自治的直接内存存取 DMA 操作；主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；在批量模式和同步模式下均可实现1M 字节/秒的数据传输速率；具有良好EMI 特性的总线供电能力；在挂起时可控制 LazyClock 输出；符合ACPI OnNOW 和USB 电源管理的要求；内部上电复位和低电压复位电路；双电源操作3∙3±0∙3V 或扩展的5V 电源范围为3∙6～5∙5V；多中断模式实现批量和同步传输；当 USB 设备接入 PC 系统后执行 USB 连接程序∙
PC 机操作系统接到 USB 口信号后启动 USB 驱动程序然后 USB 设备就可以与 PC 机通讯了∙PC 机应用软件通过 USB 口的4种模式与 USB 设备的调用请求处理程序通讯∙
4 可靠性设计
在硬件的设计中一定要充分考虑抗干扰性的要求避免形成不可预知的错误导致系统功能不能实现∙我们的系统是要用在高压开关上的在高压的环
境下不免要产生很多干扰在设计中不可忽略这些干扰要进行相关的抗干扰设计∙形成干扰的基本要素为干扰源、传播途径、和敏感器件∙在电路抗干扰设计中除了要选择抗干扰能力强的器件外还要在电路的设计和 PCB 的设计中注意很多设计规则∙抑制干扰源是抗干扰*为有效的方法∙
4∙1 主要用以下的方法来抑制干扰源
⑴电路板上每个 CI 要并接一个0∙001pF－0∙1pF高频电容以减小 CI 对电源的影响∙高频电容的布线连线应靠近电源端并尽量粗短∙
⑵布线时避免90度折线减少高频噪声发射∙
⑶在切断干扰传播途径方面主要有以下工作∙
高频干扰噪声可以通过在导线上增加滤波器的方法切断有时也可加隔离光藕来解决∙电源噪声的危害*大要特别注意处理∙辐射干扰一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩∙
4∙2 切断干扰传播途径的方法
⑴MCU 的部分1/0口用来控制高压开关高压开关为噪声器件因此在 I/O 口与开关之间加光祸进行隔离∙
⑵晶振布线十分注意∙晶振与 MCU 引脚尽量靠近用地线把时钟区隔离起来晶振外壳接地并固定∙
⑶把电路板划分为数字区与模拟区数字地与模拟地分离*后分别用光耦与电源地连接∙
⑷可以把终端模块分成两个板子容易产生干扰的三相电采样输入部分为一块板子上通讯和控制模块在另一块板子上∙这样可以很大程度防止高压线路
上的干扰进入通讯和控制模块∙
4∙3 在提高敏感器件的抗干扰性能方面我们的设计使用了下面的方法措施
⑴布线时电源线和地线尽量粗∙这样做除了能减小压降外还可以降低祸合噪声∙
⑵MCU 闲置的 I/O 口不要悬空要接地或接电源∙其它 CI 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源∙
⑶MCU 尽量使用低速晶振∙
⑷采用贴片 CI 器件不用 Cl 座∙
5 软件设计
为了使仪器完成各项功能机械特性测试仪开发了单片机嵌入式软件软件开发采用了混合编程∙基于89C51单片机的程序主要功能是与 ADUC845单片机
的程序配合完成测试断路器断口时间∙基于 ADUC845单片机的程序的主要功能是测试断路器的行程曲线完成参数输入测试结果打印、输出、保存、显示和与 PC 机的通讯功能∙ADUC845软件工作流程见图5所示∙
6 结 论
基于 ADUC845的高压开关机械特性测试仪工作稳定性能良好测量精度高∙时间－行程特性曲线采样频率可达到100KHz幅值精度为16位∙线圈电流波形采样频率100KHz合 （分） 闸时间0～999∙99ms速度测量范围为0～15m/s分辨率为0∙0023m/s行程测量范围0～999mm∙能够实现开关单分、单合、合分、分－合－分、分－合－分－合－分、合－分－合－分等操作可以通过 USB 接口储存所有测试过的数据供后期分析∙测试仪能够测量多油、少油、SF6、真空等各类断路器在高压开关厂和电力部门有着广泛的应用∙
本文作者的**点：使用高性能嵌入式控制器ADUC845其内部有12位 A/D 转换器提高了其抗干扰性能数据采集上具有国内外**优势时间－行
程特性曲线采样频率为100kHz时间－行程特性曲线幅值精度为16位；测试仪既能进行本地操作又可以把测量的数据通过 USB 主口备份到其他存储器上或利用串口直接将数据传到计算机以进行进一步的分析和处理可解决计算机在高压、高频等复杂环境工作不稳定的情况∙
