主触头超行程如果不借助振动信号将无法求取。灭弧触头超出主触头长度即有效灭弧长度虽然可以通过标定主触头在行程中的位置，用捕获[11] 方法求出，但仍然属于间接求法，无法直接精确求出。
2.1.3 机械特性参数的采集
断路器机械特性参数包括行程、速度和时间三种参量，而行程又为速度和时间的乘积，所以在断路器的参量求取中，我们至少要知道两个量才能得出断路器的机械特性参数。在本设计中我们结合单片机的特点，选用时间和行程（高压断路器主轴连动杆位移量）两个参量。事实上是单片机的定时器配合断路器分、合闸过程中的如下输入信号： （1） （2） （3） （4）
分、合闸命令信号。
分、合闸电磁铁线圈回路电流信号。 高压断路器主轴连杆位移量。
触头分、合状态信号（由主回路电流间接反映）。
（5） 辅助接点状态信号。
根据以上信号，在线状态下求出断路器分、合闸机械特性参数。
断路器的分、合闸过程瞬间即可完成，故此要求系统的实时性极强。以某厂生产的LW25 -126 型SF6高压断路器为例：合闸时间小于150ms、分闸时间小于30ms、全开时间小于60ms。所以，为了提高测量精度和测量结果的有效性，在本设计中，状态量为中断方式输入，没有延时；位移量脉冲记录由高速计数器自动完成；模拟信号的采样频率为6000Hz，
最大延时不超过0.2ms。
a、时间量采集
时间量采集靠单片机的定时器，由分合闸命令信号触发分合闸时间记录序列，记下分合过程中的各个有效参量点，再根据前节的特性参数计算公式，算出各机械参量。 b、位移量采集 [17～19]
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位移量采集是靠光电式行程传感器 来实现的。其工作原理如下： 把旋转光栅安装在断路器操动机构的主轴上，利用光栅和光电断续器的相对运动，经光电转换，将速度、行程信号转换为电信号。光栅移过一个孔距△S，产生一个周期的脉冲信号即为一个周期T(一次光照和一次非光照为一个周期)。由于动触头的运动速度是变化的，所以T是不等的。这样，根据某一行程处的孔距△ｓ和对应的脉冲信号周期T，即可求得该行程处的平均速度V，从累计脉冲数又可求得行程。当断路器在分合闸过程结束之前由于弹力的作用，动触头有弹跳的过程，若不采取措施，必然会将负方向运动的脉冲当作正方向的脉冲进行累加，产生误差。现在一些生产厂家干脆在合闸时只测超程，在分闸时只测开距，以回避弹跳过程。本设计中则是既可根据预知的断路器行程长度设定100％行程位置捕获点，又采用两路相位相差90°的光电断续器构成光电位移传感器，根据两路输出信号的超前滞后关系，决定分、合闸的运动方向。旋转光栅是输入轴角位移传感器，圆光栅在光电断续器中旋转，通过光电转换将轴旋转角位移转换成电脉冲信号。当输入轴转动时，编码器输出A相、B相两路相位差90度的正交脉冲串，经光电隔离和取反后，得到A 、A 、B 、B 四路方波信号，经过单稳态电路处理后，得到上升沿窄脉冲信号A 、A 、B 、B对窄脉冲信号进行运算处理，输出两路加减计数脉冲P +和P - ：
P= A?B+ A?B+ B?A+ B?A (2.1) P= A?B+ A?B+ B?A+ B?A (2.2)
公式（2.1）、（2.2）的目的有两个：1、将计数分辨率提高四倍；2、实现正、反两个方向的计数。P 和P两路计数脉冲经两个计数器TA﹑TB进行计数。其中TA中存放正向移动的位移量，TB中存放反向移动的位移量。所以无论是分闸还是合闸，无论合闸过程中有无弹跳，该位置传感器都可以准确记量位移值。且任一时刻的计数速率就是此时的速度。
?
???
2.1.4 机械特性参数的确定
总体方案确定后，要根据高压断路器机械特性参数定义，确定在本系统中如何根据现有采集量来求取各种机械特性参数的问题。需要计算与转换的有位移量、时间量、速度量，其中首先要确定的是各动作时刻在分、合闸操作时间序列中的位置确定各时间参量，由此配合各序列点位移量确定各位移参量，再由位移量与时间量算出各速度参量。
a、合、分闸时间的确定
首先需确定的时间量为合、分闸时间。合闸时间是从合闸回路有电流开始到所有极触头都接触瞬间为止的时间间隔；分闸时间是从分闸回路有电流开始到所有极触头都分离瞬间为止的时间间隔。所以合、分操作起始瞬间的选择直接影响着高压断路器机械参量的数值。由于起始的依据是判合、分闸电磁铁线圈中有电流通过，所以启动电流的定值（即门坎值）的大小将影响着测量精度，也影响着测量系统稳定度。从起动时刻开始计时，到电气主触头移动到换位点的时间，即是合、分闸时间。关于换位点的确定不同文献有不同的方法。在本设计中合闸换位点取三相有电流时刻，即灭弧触头全合时刻，分闸换位点取辅助接点状态信号变位时刻。
b、行程、超行程的确定
在各点时间量和相对位移量确定的前提下，行程、超行程以及速度参量依次可求出。具体作法为：从合闸前的稳态位置到合闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头合闸行程；
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从分闸前的稳态位置到分闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头分闸行程。且合闸行程和分闸行程是相等的。事实上，当断路器型号选定后，行程参量也就确定了。故此可以 通过捕获得到行程全程中任一行程位置点在分、合闸操作中发生的时刻。超行程有主触头超行程和弧触头超行程两种。主触头超行程几乎没有变化，而灭弧触头超行程则随着开断次数增多而减小。所以，只有测量弧触头超行程才是有意义的，本文也只计算弧触头超行程。弧触头超行程起始于三相弧触头合而止于操作稳态位置。即三相弧触头全接触开始到合闸后的稳态位置的位移量之差。这里的主要问题是如何确定超行程的起始点，即如何有效的提取三相触头全合信号。本文采取的方法是在合闸过程中，从操作机构运动开始判断三相电流采样值大小，如果都曾经大于某一门坎值则认为三相全合，所以门坎值的选取尤为重要。太大则造成起始点选取不精确，太小则降低抗干扰能力。
c、同期性的确定
合闸不同期时间指的是从首相合到三相全合之间的时间，可以由首相有合闸电流到三相有合闸电流之间的时间之差确定。关键问题是：如何有效的提取首相开始有电流和三相全部有电流信号。另外一个问题是同期时间极短，如何在这么短的时间内有效的得到上述数据。我们的采样周期为1/6ms，A/D工作于中断方式，采样到首相合信号后就一直等待记录三相合信号，故可以实现较为准确的测量。以LW25-126 型SF6 高压断路器为例，它的合闸同期时间是小于4ms，分闸同期时间小于2ms。这样长的时间里，必将有几个采样点落在该区间里，故此可以准确测量。由于分闸时的电弧影响，分闸不同期时间很难确定，这里不再讨论。
d、速度的确定
刚合、刚分速度可以由辅助接点变位后10ms 内的平均速度来反映；平均速度在已知行程长度（例如LW25-126 断路器的行程为145mm-152mm[10，11] 情况下，由计数器TA﹑
TB的捕获功能 得到行程的10％和90％位置，算出该段中间的平均速度即为断路器的平均
速度；然而，最大速度在该电路设计情况下无论如何是无法知道的。但我们可以从分、合闸特性曲线图2.1和图2.2可以看出，对LW25-126断路器来讲，中间80％断路器的速度是恒定的，即刚速度、平均速度和最大速度是同一个速度。而我们可以精确测得平均速度，故本在线监测装置只给出平均速度。
2.1.5 机械故障诊断
对于电磁铁操作机构的断路器，线圈电流波形可以反映的状态有铁芯行程、铁芯卡滞、线圈状态(如匝间短路)、分合闸线圈的辅助接点状况与转换时间。通过对分合操作线圈动作电流的监测，运行人员可以大致了解断路器二次控制回路的工作情况及铁芯的运动有无卡滞等，为检修提供一个辅助依据。该诊断过程是由监控计算机完成的。在线监测设备只是提供 数据给监控机，由监控机上运行的专家系统软件来完成分析过程。
对于非电磁操作机构，只有靠机械特性参数来完成诊断工作。分、合闸时间和分、合闸速度参数的变化反映机械机构的卡涩；行程、超行程间接反映断路器机械机构工作情况；灭弧触头的剩余长度反映电磨损；同期反映灭弧触头的平整度及烧损情况。
2.2 触头电寿命在线监测
在触头电寿命监测方面，以往对电磨损的监测是以记录累计开断电流(I)或累计电弧能
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量(I2t)为依据的。事实上，同一断路器在同样的外部条件下先后两次开断同样大小的电流值，其烧损程度也不可能相同，而且，开断电流相差很大时，断路器触头的烧损机理不同，烧损相差更大。因此，用累计开断电流来判断触头烧损量是不够的；另外电磨损虽然取决于电弧能量，但还与触头分断速度等有关，且电磨损与电弧能量没有比例关系。因此要对断路器触头电磨损、电寿命监测作进一步研究，对断路器触头进行电寿命监测需要解决电寿命的概念和工程实施方法问题。另外，大量的试验结果表明，从断路器累计电磨损的角度考虑，虽然燃弧时间的长短对单次开断是随机的，但对多次开断，其平均燃弧时间则是趋近的(20 次开断与30次开断的平均燃弧时间有几乎相同的标准差)。即随机因素对燃弧时间分散性的影响从累计的角度来考虑可以忽略不计，也就是说，断路器的电磨损可以仅用开断电流作参照量。
本文采用触头累积磨损量作为判断电寿命依据的高压断路器触头电寿命监测和诊断方法。基于该方法开发的装置与传统的诊断方法相比，将更能准确地反映高压断路器触头的电寿命，且易于工程实施。
2.2.1 分闸电流数据采集及算法
由于不同开断电流时电磨损的差别很大，因此开断电流值的测量精度直接影响触头电寿命预测准确度。在被开断电流变化范围宽、短路电流含有直流分量、短路电流大到一定程度时CT会出现不同程度的磁饱和等因素的影响下，恰当的选择算法是很困难的。这些因素都直接影响开断电流测量的准确性。
在这种情况下，我们选择了最大斜率算法[20，21]来计算短路电流值。现在就最大斜率算法的推导过程和在频率偏移、直流分量等因素影响下的误差分析作简介如下：
在电路设计中我们使用的A/D 转换器是MSP430 单片机自带的，它是单极性A/D，所以在转换交流信号时，我们将输入的CT交流电流信号i变成交流电压信号u后，并将其基线偏置到0.5Vref处，这样处理的结果最大斜率点并没有发生变化。 a﹑最大斜率算法
设处理后的输入信号为： u =
2U sin（?t +?）+0.5V （2.3）
则求导后则为： u′=
2?U cos（?t +?） （2.4）
由求导结果可以看出，在电路设计上将其基线偏置到0.5V 处的做法将不影响该算法，无需在采样后再做处理。
由上式可知，在?t +?= 2k?时为斜率最大点，此时有：
?ax= um2?U （2.5）
所以有正弦波有效值计算公式： U=
?umax2?=
uk?uk?1max2??T （2.6）
因为上式要求的条件是?t +?= 2k?，而离散采样能够正好采样到?t +?= 2k?的几率
很小，现在仔细分析在这种情况下的算法精度。 设相邻两采样点的表达式为：
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