0 引言
高压开关是电力系统中 重要的控制 和保护设备。 开关设备的机械性能的可靠程度对整套设备的正常工作具有非常重要的影响，其动作特性的检测在电力系统预防性试验中具有十分重要的地位。 为了有效评估高压开关的机械性能，大量高压开关动作特性的测试仪器在现场被广泛地采用。市场上满足或部分满足高压开关动作特性测试的仪器种类 众多，测量参数各异，性能良莠不齐，用户选型困难[1-3]。国内只有少数几家机构 开展了高压 开关动作特性测试仪的校准检定工作，但手段相对简单，大部分的检验工作还只是停留在对断口动作时间的检定上[4-6]，对包括速度传感器在内的整套测试仪的校准检定所作的工作还很少[7-12]。 针对目前高压开关动作特性测试仪器检定工作中的困难，亟需建立一套行之有效的手段和措施，对各种高压开关动作特性测试仪的性能进行**的检测。 笔者研制的高压开关动作特性测试仪计量标准装置(以下简称标准装置)针对高压开关动作特性测试仪的工作原理设计，利用该标准装置可依据 JJG(机械)140—93《高压开关机械特性测试仪检定规程》[13] 对高压开关动作测试仪的分、合闸时间；刚分、刚合速度；行程、开距等测
量功能进行**检定[14-19]。
1 标准装置的主要功能及技术参数
1.1 标准装置的主要功能
1)能对各种高压开关动作特性测试仪的时间测量功能进行校准。 主要包括：分闸时间、合闸时间、三相同期、弹跳时间、弹跳次数等。
2)能对各种高压开关动作特性测试仪的速度测量功能进行校准。 主要包括：刚分速度、刚合速度、*大分(合)闸速度、平均速度等。
3)能对各种高压开关动作特性测试仪的行程测量功能进行校准。 主要包括：总行程、开距、超程等。
1.2 标准装置的主要技术参数
为了完成对市场上常见高压开关动作特性测试仪的校准检定工作， 该标准装置的主要技术参数：标准时间输出范围为(10~1 000) ms；*大 允许误差：±0.05 ms；标准速度输出范围为(0.2~8) m/s；*大允许误差：±(1%读数+0.01 m/s)；标准行程输出范围为(10~600) mm；*大允许误差：±(0.1%设定值+0.06 mm)。
2 标准装置的工作原理和使用方法
2.1 工作原理
标准装置原理框图见图 1。
标准装置由上位机和下位机结构组成，标准装置的上位机软件包括时间标准量设置界面、速度及行程标准量设置界面， 设定所需的时间标准量、速度标准量和行程标准量。 标准装置的下位机由时间标准模块和行程及速度标准模块组成，时间标准模块将上位机设定的时间标准量转换成标准时间信号 t，标准装置的时间标准模块可产生 16 路相互独立的标准时间信号， 模拟 16 组高压开关的分/合闸时间等时间参数；行程及速度标准模块将上位机设定的行程及速度标准量转换成标准行程量 s、 标准速度量 v，模拟高压开关的开距、超程等行程参量和刚分速度、刚合速度等速度参量。 标准装置能选择电压内触发、电流内触发、空接点内触发、电压外触发、电流外触发、空接点外触发 6 种同步触发方式，标准装置的工作流程为：操作人员完成参数设置并启动开始按钮后， 标准装置等待同步触发信号，接收到同步触发信号后，时间标准模块和行程及速度标准模块同时开始工作，其中时间标准模块启动定时计数器，定时时间为设定的时间标准量，定时时间到时控制断口信号变化；行程及速度标准模块启动直线电机按照设定行程和速度参数运行，电机运行时安装在电机导轨上的光栅尺会产生正交脉冲，标准装置采集并储存此脉冲信号获得电 机运行的行程—时间曲线，再对行程—时间曲线进行微分计算获得速度—时间曲线，并根据高压开关相关行程和速度参数的定义计算得到开距、超程等行程标准量和刚分速度、刚合速度等速度标准量。 被检高压开关测试仪时间测量端口连接于标准装置时 间标准模块的输出端口，测量标准装置产生的标准时间量；测试仪的行程/时间传感器连接于标准装置行程及速度标准模块连接，测量标准装置产生的标准行程量和标准速度量。 通过标准装置的标准量和测试仪测量值即可计算获得测试仪的误差，实现对测试仪的校准检定工作。
2.2 使用方法
标准装置的 时间标准模 块上位机操 作界面见图 2。
操作上位机人机控制界面，可设定相应的参数，将动作数据下传到标准装置下位机。 通过该界面，可以对分、合闸时间、不同期时间、弹跳时间、弹跳次数等参数进行设置。 时间标准模块流程图见图 3。
时间标准模 块上位机软 件设置所需 要的标准时间量，通过 USB 电缆下传到标准装置下位机。 下位机接收到同步触发信号后启动定时，当定时时间达到设置的标准时间量，控制断口状态变化，模拟高压开关分合动作。
标准装置行 程及速度标 准模块上位 机操作界面见图 4。
行程及速度标准模块上位机设置行程、速度等标准参量，点击“运行”按钮，电机将处于等待同步信号状态，当时间部分收到同步信号时，电机按照设定参数运行并带动测试仪采样尺运行，使测试仪器测量行程、速度量。 速度标准量定义界面见图 5，速度标准量显示界面见图 6。
电机上安装有光栅反馈尺，在电机运行的过程中会有正交脉冲输出，标准装置采集并储存反馈信号获得行程信息，再根据设定的速度及行程定义方式，计算获得相关行程标准量和速度标准量。
3 标准装置的核心模块介绍
3.1 时间标准模块
时间标准模块的原理见图 7。
时间标准模块由同步检测单元、 控制单元、信号产生单元、隔离单元、断口信号输出单元组成；标准装置上位机软件完成时间标准量的设置， 通过USB 电缆下传到标准装置下位机的时间标准模块。同步检测单元接收到触发信号后，控制系统根据上位机设置的时间标准量控制信号产生单元产生 设置时间长度的高电平或低电平信号；隔壁单元用来实现信号产生单元和断口输出单元间的电气隔离；断口输出单元与被检测试仪器的时间测量端口连接，输出标准时间信号，模拟高压开关分合闸动作。
控制系统采用 ARM9 为主控制器，FPGA 为从控制器；ARM9 主要完成上位机的配置数据接收，定时数据下传到 FPGA，同步的控制与检测，复位；FPGA 主要完成断口定时输出。 时间标准模块可产生 16 路相互独立的标准时间信号， 模拟 16 组高压开关的分/合闸时间等时间参数。
3.2 行程及速度标准模块
行程及速度标准模块原理框图见图 8。
行程及速度标准模块由直线电机、控制单元、驱动单元、光栅反馈单元组成。 标准装置上位机软件设置速度及行程参数，上位机通过 CAN 卡数据通道1 完成设置参数的配置和下传，数据通道 2(TTL 电平)向控制单元发出“快速”启动命令，直线电机的导轨上安装有光栅尺，直线电机运行时会产生正交脉
冲输出，驱动单元采集此反馈脉冲，并用 PID 的方式调节输出驱动电压的大小和相位，控制直线电机按照上位机设定的行程、速度参数工作；光栅反馈
单元通过数据通道 3 采集反馈脉冲获得光栅 尺实时行程信息标准装置采集并储存此脉冲信号获得电机运行的行程—时间曲线，再对行程—时间曲线进行微分计算获得速度—时间曲线，并根据高压开关相关行程和速度参数的定义计算得到开距、超程等行程标准量和刚分速度、刚合速度等速度标准量。
4 标准装置的不确定度分析
4.1 行程标准量不确定度分析
根据行程标准模块的原理，不确定度主要来源于两个方面：即光栅尺误差引入不确定度、行程采样分辨力引入不确定度。 选择行程 20 mm 处为例进行不
确定度分析。 电机技术文档上光栅尺*大允许误差为±3.5×10-4，均匀分布，在 20 mm 处不确定度 u1=3.5×10-4×20 mm/姨 3 =4.0×10-3 mm； 电机技术文档上 行程采样分辨力为光栅尺一个栅格长度 1.2×10-2 mm，与电机运动行程无关，均匀分布，电机需通过整个栅格才会产生一个脉冲信号， 在 20 mm 处不确定度u2=1.2×10-2 mm/姨 3 =6.9×10-3 mm。
4.2 速度标准量不确定度分析
根据速度标准模块的原理，不确定度主要来源于 3 个方面：即光栅尺误差不确定度、行程采样分辨力、FPGA 定时晶振频率误差不确定度。 选择速度0.2 m/s 处为例进行不确定度分析。 电机技术文档上光栅尺*大允许误差为±3.5×10-4，均匀分布，分(合)闸速度的定义为分合闸前 (后)10 mm 的平均速度，
相对不确定度 u1=3.5×10-4 /姨 3 =2.0×10-4；电机技术文档上行程采样分辨力为光栅尺一个栅格长 度1.2×10-2 mm，均匀分布，电机需通过整个栅格才会产生一个脉冲信号，分(合)闸速度的定义为分合闸前 (后)10 mm 的平均速度， 相对不确定度 u2=1.2×10-2 mm/10 mm/姨 3 =6.9×10-4；FPGA 技术文档上定时晶振频率*大允许误差±3.0×10-5，均匀分布，相对不确定度 u3=3.0×10-5/姨 3 =1.7×10-5。
4.3 时间标准量不确定度分析
根据时间标准模块的原理，不确定度主要来源于 3 个方面：即 FPGA 定时晶振频率误差不确定度、定时器启动延时误差不确定度、同步信号检测延时误差不确定度。选择 999 ms 处为例进行不确定度分析。 FPGA 技术文档上定时晶振频率*大允许误差为±3.0×10-5，均匀分布，在 999 ms 处不确定度为u1=
3.0×10-5×999 ms/姨 3 =1.7×10-2 ms； 定时器启动延时为时间标准模块接收到同步触发信号后到定 时器启动之间的延时，与标准时间设定的值没有关系，经过实际测量为 5.0×10-4 ms，均匀分布，在 999 ms处不确定度 u2=5.0×10-4 ms/姨 3 =2.9×10-4 ms；同步信号检测延时为时间标准模块检测同步信号所需要的延时，标准装置支持电压同步、电流同步、控接点同步 3 种触发方式，通过实际测量采用电压同步时延时为 5.0×10-3 ms，采用电流同步时延时为 2.0×10-3 ms，采用空接点同步时延时为 5.0×10-4 ms，均匀分布， 在 999 ms 处不确定度为： 采用电压同步时u3=5.0×10-3 ms/姨 3 =2.9×10-3 ms； 采用电流同步时u3=2.0×10-3 ms/姨 3 =1.2×10-3 ms； 采用空接点同步时 u3=5.0×10-4 ms/姨 3 =2.9×10-4 ms。
5 实验数据
该标准装置的各项功能， 即模拟的标准时间、标准行程及标准速度均在法定计量检定机构 (国家高电压计量站)进行过校准，实际测量结果符合设计要求。 校准点及数据较多，仅举例见表 1。
从校准数据上可以看出， 该标准装置的时间、速度、行程的性能均满足设计要求。
6 结语
笔者设计的高压开关动 作特性测试 仪计量标准装置解决了高压开关动作特性测试仪检测困难的状况，对测试仪的断口时间检验、速度/行程检验、不同传感器的安装使用等提供了一整套完整、便捷的校准、检定方案。 使用该标准装置能为高压开关动作特性测试设备的选购提供参考依据，也可以作为判断产品合格与否的标准用于仪器设备的验收；还可用于高压开关动作特性测试仪生产厂家的生产过程中的对比校准，还可以作为产品出厂检验的测试仪器，对促使电力测试仪器向标准化、规范化方向发展有积极推动作用。
