高壓斷路器激光測速傳感器的設計

陳沛龍 文峰 許逵 符玉珊 史純清

摘要：高壓斷路器速度特性測試一直被視為行業(yè)難題，隨著斷路器本體的體積縮小，接觸式傳感器安裝空間也越來越小，導致測試困難，且存在磕碰本體的風險。鑒于此，設計了一種非接觸式激光測速傳感器，安裝簡易且安全性極高。傳感器樣機在110 kV高壓斷路器上進行了驗證測試，可快速、穩(wěn)定、準確地得到剛分速度、剛合速度、平均速度等數(shù)據(jù)，極大地提升了試驗效率。

關(guān)鍵詞：斷路器;激光傳感器;速度特性

中圖分類號：TM561;TP212.1? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0035-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.010

0? ? 引言

高壓斷路器的分合閘速度是影響斷路器開斷性能的重要因素之一，分合閘速度過快，會使斷路器操作機構(gòu)及各傳動部件承受超過極限的機械力，造成緩沖器損壞，縮短斷路器使用壽命;分閘速度過慢，無法快速切斷正常運行電流或故障電流，會使觸頭間燃弧時間延長，出現(xiàn)觸頭燒損甚至滅弧室爆炸等危害;合閘速度過慢，到斷路器合閘于短路故障時，可能無法克服觸頭關(guān)合電動力的作用，從而引發(fā)觸頭振動或運動停滯，繼而造成觸頭燒損或滅弧室爆炸[1-2]。此外，斷路器運行時間超過6年后，分合閘彈簧疲軟也會導致高壓斷路器速度特性發(fā)生變化。

現(xiàn)有測速傳感器均為接觸式傳感器，主要包括直線電阻傳感器、旋轉(zhuǎn)電阻傳感器、旋轉(zhuǎn)光柵傳感器、加速度傳感器等[3-7]。這類接觸式傳感器的安裝條件較為苛刻，極易出現(xiàn)測速不準或無速度曲線等問題。因此，本文設計了一種快拆卸、無接觸、效果穩(wěn)定的激光傳感器解決該問題。

1? ? 高壓斷路器激光測速傳感器原理

如圖1所示，高壓斷路器激光測速傳感器采用的是激光三角漫反射原理。由激光器發(fā)出的測量光，經(jīng)透鏡準直后形成一束較細的測量光，投射到被測物體表面6位置，并向各個方向產(chǎn)生漫反射光，一部分漫反射光經(jīng)接收透鏡后在CCD陣列元件上聚焦成像。當被測量表面在豎直方向上發(fā)生位移變化至6′時，像點也會隨之在CCD陣列元件上發(fā)生移動。信號處理單元根據(jù)激光發(fā)射點、測量點以及光斑在光敏元件上的位置點三者構(gòu)成的三角關(guān)系計算得到被測物體移動的相對距離，再結(jié)合運動消耗的時間，即可得到被測物體的平均運動速度。

將激光傳感器的工作原理轉(zhuǎn)化為如圖2所示的等效幾何示意圖，通過簡單計算，即可得到從x點移動到y(tǒng)點的距離。

圖2中水平距離量x、y及角度α、β均為未知量，垂直距離量a、b、L及M均為已知量，由于測試儀器內(nèi)部采樣為直角三角形設計，故不難得到x、y及水平位移距離Δd′的數(shù)學表達式：

2? ? 激光測速傳感器軟硬件設計

結(jié)合激光傳感器測距原理，本文采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片作為激光位移傳感器的主控模塊，分別實現(xiàn)光電檢測元件的驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集芯片的控制、數(shù)據(jù)處理、激光器控制和LED顯示等功能。

2.1? ? 激光器選型

對于激光器的選用，需考慮CCD的靈敏度，即CCD對單位光照積累信號的能力，由CCD與光譜對應的曲線關(guān)系可以分析得出，只要保證激光器的波長在600～800 nm，就可使CCD光譜響應度保持在較高的數(shù)值上。故采用紅色半導體激光器，波長650 nm、輸出功率0～10 mW相對比較合適。

2.2? ? CCD接收模塊設計

CCD傳感器用于接收表面輻射的光信號并轉(zhuǎn)換為相應的電信號，從而換算出最強光壓點在CCD陣列中的移動距離。本文采用IL-P3 CCD接收模塊，其具有體積小、功耗小、效率高、工作電壓低等優(yōu)點，如圖3所示。

2.3? ? 驅(qū)動電路設計

CCD驅(qū)動電路選用EL7156高性能三態(tài)驅(qū)動芯片，信號輸出最高頻率40 MHz，CCD輸出信號最高頻率亦是40 MHz，可以滿足CCD對信號驅(qū)動的要求。對于驅(qū)動高容性負載，其具有3.5 A的峰值驅(qū)動能力，而CCD驅(qū)動的電流最高值為1 A，其驅(qū)動能力完全滿足要求。CCD驅(qū)動部分電路圖如圖4所示。

3? ? 現(xiàn)場實測

激光傳感器在設計封裝完成及性能檢測合格后，在變電站現(xiàn)場進行了實測，如圖5所示。

由于110 kV高壓斷路器為三相聯(lián)動的傳動形式，一套激光傳感器即可完成三相速度的測試，故現(xiàn)場分別選取了兩種不同廠家及型號的斷路器。測試采用通用測速儀配合激光傳感器的組合，在水平移動的三相傳動連桿頂端進行多次重復測試，結(jié)果如表1所示。

將測試結(jié)果與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳感器進行了對比，充分驗證了高壓斷路器激光測速傳感器的準確性，同時在多次反復測試中，試驗數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，實現(xiàn)了預期的非接觸、適應性好、穩(wěn)定性高的設計初衷。

4? ? 結(jié)語

本文設計了一款高壓開關(guān)剛分/剛合測速激光傳感器，可以滿足電網(wǎng)試驗規(guī)程中對斷路器測速的要求，在一定程度上克服了高壓斷路器智能化發(fā)展的測速瓶頸，并解決了當前高壓斷路器分合閘速度測試中存在的難題。該激光測速傳感器簡單實用，能很好地解決傳統(tǒng)高壓斷路器測速傳感器安裝困難的問題，使得機械特性試驗更加簡單。與此同時，試驗人員可以節(jié)省大量操作學習的時間，降低誤操作、誤設置的概率。經(jīng)過現(xiàn)場實測驗證，該激光傳感器針對110 kV高壓斷路器具有良好的測試準確性和重復性。

[參考文獻]

[1] 鄧金秋，張國鋼，耿英三，等.基于機器視覺的高壓斷路器速度特性測量方法研究[J].高壓電器，2018，54（7）：189-194.

[2] 馬存樂，楊得泉.基于加速度傳感器測量高壓斷路器速度、位移特性的研究[J].電氣技術(shù)，2019，20（1）：58-62.

[3] 黃帥姣，趙智忠，王春麗.10 kV真空斷路器磁電速度傳感器的設計[J].高壓電器，2016，52（7）：143-149.

[4] 岳剛，彭晶，鄒德旭，等.斷路器速度特性測試的差異性分析[J].云南電力技術(shù)，2018，46（6）：87-89.

[5] 王焱源，張國清.斷路器動作特性測量系統(tǒng)的研制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007（S2）：62-64.

[6] 胡曉光，王芳.高壓斷路器機械狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電工技術(shù)雜志，2003（1）：36-38.

[7] CHAN S X，ZHOU X L，HUANG C B，et al.An improved method for fisheye camera calibration and distortion correction[C]// 2016 International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics（ICARM），2016：579-584.

收稿日期：2021-11-12

作者簡介：陳沛龍（1985—），男，貴州貴陽人，碩士，高級工程師，從事高壓電氣設備技術(shù)研究及管理工作。

文峰（1980—），男，貴州興義人，高級工程師，高級技師，主要從事高壓電氣試驗工作。

許逵（1984—），男，貴州貴陽人，碩士，高級工程師，從事高壓電氣設備技術(shù)研究及管理工作。