基于光纖位移傳感器的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀

劉衛(wèi)榮 姚朝輝 梁靈嬌 談利兵 袁濤

（1.北京京東方真空電器有限責(zé)任公司 2.江蘇森博傳感技術(shù)有限公司）

基于光纖位移傳感器的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀

劉衛(wèi)榮1 姚朝輝2 梁靈嬌2 談利兵2 袁濤2

（1.北京京東方真空電器有限責(zé)任公司 2.江蘇森博傳感技術(shù)有限公司）

目前市場(chǎng)上斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀所采用的位移傳感器存在測(cè)量誤差大、噪聲嚴(yán)重、重復(fù)性差、壽命短等問題，本文介紹了一種新型的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀，該測(cè)試儀采用基于反射式光柵編碼原理、非接觸、數(shù)字式光纖直線位移傳感器，其位移測(cè)量精度高、數(shù)字化輸出、重復(fù)性好、壽命長，從根本上解決了現(xiàn)有斷路器機(jī)械特性測(cè)試中的關(guān)鍵問題，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。文章還具體分析了該機(jī)械特性測(cè)試儀的工作原理及實(shí)現(xiàn)方案。

真空斷路器；機(jī)械特性；數(shù)字式光纖位移傳感器

0 引言

高壓斷路器運(yùn)行的可靠性對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重大影響，作為一種依靠開關(guān)觸頭機(jī)械位移實(shí)現(xiàn)電路開斷和閉合的高壓電器設(shè)備，高壓斷路器的機(jī)械故障是高壓斷路器失效的主要原因。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，80%的高壓斷路器機(jī)械故障是由于操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性不良引起的拒分、拒合或誤動(dòng)作等，因此，高壓斷路器的機(jī)械特性的檢測(cè)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)其安全運(yùn)行、維護(hù)具有重要意義，斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀成為必備的檢測(cè)設(shè)備。

高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的操動(dòng)機(jī)械性能評(píng)價(jià)目前依據(jù)其機(jī)械特性參數(shù)，研究表明機(jī)械特性參數(shù)是表征斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能的有效、關(guān)鍵依據(jù)。根據(jù)電力設(shè)備預(yù)防性實(shí)驗(yàn)規(guī)程DL/T596—1996、高壓交流斷路器國標(biāo)GB1984—2003，斷路器在型式試驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢修時(shí)都必須對(duì)機(jī)械特性進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)量主要包括以下參數(shù)：合（分）閘電流波形；觸頭行程、開距、超行程；合（分）閘平均速度；剛分（合）速度；剛分(合)位置；合（分）閘不同期；彈跳時(shí)間和幅值等。這些機(jī)械特性參數(shù)的獲取基于機(jī)械行程—時(shí)間分析法，必須采用機(jī)械特性測(cè)試儀快速、高精度采集斷路器的機(jī)械行程—時(shí)間曲線，位移傳感器是核心關(guān)鍵器件。由于斷路器開斷/閉合時(shí)，觸頭的運(yùn)動(dòng)速度非常快、時(shí)間很短、沖擊力大，同時(shí)位移測(cè)量必須高精度、良好重復(fù)性和低成本，對(duì)所采用的位移傳感器提出了很高的技術(shù)和成本要求，因此，位移傳感器成為開發(fā)斷路器機(jī)械特性檢測(cè)儀的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。

1 斷路器機(jī)械特性測(cè)試用位移傳感器發(fā)展歷史

早期傳統(tǒng)的斷路器機(jī)械特性測(cè)試方法中,檢修試驗(yàn)人員通常使用振蕩器和轉(zhuǎn)鼓測(cè)速儀等試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，即將記錄筆固定在動(dòng)觸頭拉桿上，當(dāng)拉桿運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)記錄筆在平面坐標(biāo)紙，或記錄在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)鼓面的坐標(biāo)紙上。隨著電測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，通過電子示波器記錄滑線變阻器動(dòng)觸點(diǎn)上的電信號(hào)波形曲線對(duì)斷路器觸頭行程進(jìn)行分析記錄，其缺點(diǎn)是調(diào)整麻煩、精度低、重復(fù)性差。

現(xiàn)階段斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀普遍采用的是光電編碼器或電阻式位移傳感器。光電編碼器的精度相對(duì)以前的檢測(cè)方法有了很大的提高，但光電編碼器成本高，體積大，受安裝空間狹小的限制，且安裝困難，因此其應(yīng)用受到了很大的限制。為了光電編碼器安裝方便，一般會(huì)采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，將其安裝到斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)拐背的主軸上，通過測(cè)得主軸的角位移—時(shí)間特性曲線，再通過計(jì)算得到斷路器觸頭的行程—時(shí)間特性曲線。這種位移測(cè)量方法實(shí)際是一種間接測(cè)量，直線位移測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)受到光電編碼器安裝精度的影響。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器體積也較大，在斷路器上的安裝仍然較煩瑣，難以適應(yīng)斷路器生產(chǎn)流水線上或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試快速傳感器安裝的要求。

電阻式位移傳感器為直線位移測(cè)量，可以直接安裝在斷路器動(dòng)觸頭拉桿上，直接測(cè)量斷路器觸頭的直線位移，易于傳感器的安裝。但其輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，抗電磁干擾能力差。同時(shí)，由于斷路器觸頭運(yùn)動(dòng)速度高，其基于電阻值測(cè)量原理的接觸式位移測(cè)量帶來了位移測(cè)量的不穩(wěn)定、信號(hào)輸出跳動(dòng)與噪聲、重復(fù)性差，而且反復(fù)高速摩擦、沖擊而導(dǎo)致測(cè)量精度、重復(fù)性下降甚至損壞。目前市面上的電阻式位移傳感器移動(dòng)拉桿質(zhì)量過大，在安裝結(jié)構(gòu)上極易由于斷路器開斷的沖擊而引入位移測(cè)量抖動(dòng)，引入新的位移測(cè)量誤差。

本文采用基于光柵編碼原理、非接觸、數(shù)字式光纖直線位移傳感器，其位移測(cè)量精度高、數(shù)字化輸出、重復(fù)性好、壽命長，從根本上解決了現(xiàn)有真空斷路器機(jī)械特性測(cè)試中的關(guān)鍵問題，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 新型光纖位移傳感器

本文介紹了一種新型數(shù)字光纖位移傳感器，如圖1所示，其體積很小、容易安裝、測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量小于6g。該位移傳感器采用高鋼性精密滾珠直線滑軌設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)平滑、無跳動(dòng)、響應(yīng)速度快，可以滿足對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體直線位移的測(cè)量。該傳感器由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)阻力小，可以極大地減輕對(duì)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的影響，從而提高測(cè)量精度。同時(shí)，該傳感器通過合理的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以消除振動(dòng)對(duì)位移測(cè)試的影響。

圖1 SFD1020數(shù)字光纖位移傳感器外形圖

圖2 SFD1020實(shí)測(cè)分合閘位移曲線

圖2為采用SFD1020數(shù)字光纖位移傳感器的機(jī)械特性測(cè)試儀測(cè)試的某型號(hào)斷路器分合閘位移曲線，曲線光滑，重復(fù)性極佳，表明了位移傳感器具有良好的精度和重復(fù)性，非常適合于斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀的需要。

圖3 分合閘仿真與實(shí)測(cè)曲線

圖3為文獻(xiàn)對(duì)比曲線，文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)機(jī)械行程—時(shí)間特性曲線存在由于斷路器開閉高速?zèng)_擊而產(chǎn)生的彈跳曲線異常，影響了位移測(cè)試精度。

SFD1020數(shù)字光纖位移傳感器使用了光學(xué)信號(hào)進(jìn)行非接觸式位移測(cè)量，測(cè)量精度高，重復(fù)性好，不易損壞，有效解決了目前機(jī)械特性測(cè)量的瓶頸問題。由于位移碼盤采用MEMS技術(shù)制造，碼盤精度達(dá)0.025mm，完全滿足斷路器機(jī)械特性測(cè)試的精度要求。

SFD1020數(shù)字光纖位移傳感器的技術(shù)原理：MEMS數(shù)字型位移編碼器工作原理如圖4所示，將MEMS數(shù)字型位移編碼器芯片安裝在直線滑軌的表面，由連桿與斷路器絕緣拉桿連接并一起運(yùn)動(dòng)，半導(dǎo)體激光通過單模光分束器的光纖束輸入口到達(dá)光纖陣列（FA）探頭，通過一極小氣隙入射到反射式MEMS數(shù)字型位移編碼器芯片，其反射光信號(hào)反射回光纖陣列探頭從而獲取一組包含位移信息的光編碼信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物體通過連接桿帶動(dòng)反射式數(shù)字編碼器運(yùn)動(dòng)時(shí)，光纖陣列探頭從反射式數(shù)字編碼器上讀取不同的位置編碼信息，從而得到被測(cè)物體不同的位置信息，進(jìn)而得到被測(cè)物體的位移信息。

3 基于光纖位移傳感器SFD1020的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀

圖4 MEMS數(shù)字型位移編碼器工作原理圖

3.1 斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

高壓真空斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)見圖5，主要由上位機(jī)、下位機(jī)和傳感器三大部分組成。 其中上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件由C++開發(fā)，主要完成斷路器開關(guān)的機(jī)械特性測(cè)試、開關(guān)壽命測(cè)試；測(cè)試數(shù)據(jù)、參考曲線數(shù)據(jù)管理；產(chǎn)品型號(hào)管理等。下位機(jī)采用STM32F407+ EΡM570T100C5的架構(gòu)完成對(duì)光信號(hào)的解碼、存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。其中，EΡM570T100C5負(fù)責(zé)位移信號(hào)解碼，STM32F407則負(fù)責(zé)從EΡM570T100C5讀取解碼后的位移信號(hào)，并完成信號(hào)的存儲(chǔ)以及與上位機(jī)的通訊。其外圍硬件電路主要完成光信號(hào)的放大處理，剛分/合點(diǎn)信號(hào)的讀取，儲(chǔ)能電機(jī)和分合閘線圈的供電等等。

圖5 機(jī)械特性測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)

3.2 機(jī)械測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

（1）電源電路

該系統(tǒng)需要提供的主電源有四個(gè)，分別是儲(chǔ)能電機(jī)、分合閘線圈、繼電器驅(qū)動(dòng)模組和測(cè)試儀內(nèi)部電源。這里使用大功率開關(guān)電源模塊降低測(cè)試設(shè)備功耗并減小系統(tǒng)發(fā)熱。儲(chǔ)能電機(jī)電源設(shè)計(jì)為0～300V可調(diào)輸出的直流電壓，并可通過測(cè)試儀上的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到外置電源。分合閘線圈用電源設(shè)計(jì)為0～250V輸出，也可根據(jù)需要通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到外置電源進(jìn)行測(cè)試。繼電器驅(qū)動(dòng)模組及測(cè)試內(nèi)部供電電壓分別為12V和5V。

（2）開關(guān)信號(hào)采集模塊

該電路是用來采集斷路器的開關(guān)信號(hào)的。因該測(cè)試端口需要測(cè)試人員連接到真空斷路器，可能因?yàn)闇y(cè)試人員或斷路器上存在的靜電導(dǎo)致測(cè)試儀的芯片損壞，所以這里使用光電隔離模塊將真空斷路器的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集再送至MCU，并在端口設(shè)計(jì)了防靜電模塊。

（3）驅(qū)動(dòng)控制模塊

儲(chǔ)能電機(jī)及分合閘線圈功率較大，使用大容量的繼電器模組來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該模塊同樣使用光電隔離模塊和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)模組來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)繼電器的功能。

（4）電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路使用霍爾元件測(cè)試電流，隔離高壓和取樣電路。防止直接電阻取樣電路造成的干擾以及降低的由輸出短路造成取樣電阻燒毀的故障率。

（5）光驅(qū)動(dòng)電路

使用高精度運(yùn)放組成恒流驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)激光二極管產(chǎn)生激光源。確保任何環(huán)境下，激光功率保持相對(duì)穩(wěn)定，確保產(chǎn)品的測(cè)量精度。

（6）光放大電路

使用高精度運(yùn)放及比較器組成光信號(hào)的檢測(cè)電路，并通過合理設(shè)計(jì)的低通濾波器濾除高頻噪聲。

3.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀下位機(jī)完成位移傳感器信息的采集與處理，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，其軟件程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)斷路器工作時(shí)，光柵產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，通過波形的跳變沿觸發(fā)，下位機(jī)進(jìn)行中斷處理，實(shí)現(xiàn)位移的信號(hào)處理，其中斷流程圖如圖7所示。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖7 下位機(jī)中斷處理流程圖

斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀上位機(jī)完成包括完成斷路器的機(jī)械特性測(cè)試、開關(guān)壽命測(cè)試；測(cè)試數(shù)據(jù)、參考曲線數(shù)據(jù)管理；產(chǎn)品型號(hào)管理等諸多實(shí)用功能，其軟件程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

本文介紹了采用數(shù)字式光纖直線位移傳感器的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀。該位移傳感器是基于光柵編碼原理，實(shí)現(xiàn)了非接觸、數(shù)字式光纖直線位移測(cè)量，具有精度高、數(shù)字化輸出、重復(fù)性好、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，從根本上解決了現(xiàn)有斷路器機(jī)械特性測(cè)試中的關(guān)鍵技術(shù)問題，非常適合斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀應(yīng)用需求。測(cè)試結(jié)果表明，基于數(shù)字式光纖直線位移傳感器的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀具有高位移測(cè)量精度，良好的測(cè)量重復(fù)性，具有良好的市場(chǎng)前景。

2015-10-11）