高压断路器激光测速传感器的设计

引言

高压断路器的分合闸速度是影响断路器开断性能的重要因素之一,分合闸速度过快,会使断路器操作机构及各传动部件承受超过极限的机械力,造成缓冲器损坏,缩短断路器使用寿命:分闸速度过慢,无法快速切断正常运行电流或故障电流,会使触头间燃弧时间延长,出现触头烧损甚至灭弧室爆炸等危害:合闸速度过慢,到断路器合闸于短路故障时,可能无法克服触头关合电动力的作用,从而引发触头振动或运动停滞,继而造成触头烧损或灭弧室爆炸[1-2]。此外,断路器运行时间超过6年后,分合闸弹簧疲软也会导致高压断路器速度特性发生变化。

现有测速传感器均为接触式传感器,主要包括直线电阻传感器、旋转电阻传感器、旋转光栅传感器、加速度传感器等[3-7]。这类接触式传感器的安装条件较为苛刻,极易出现测速不准或无速度曲线等问题。因此,本文设计了一种快拆卸、无接触、效果稳定的激光传感器解决该问题。

1高压断路器激光测速传感器原理

如图1所示,高压断路器激光测速传感器采用的是激光三角漫反射原理。由激光器发出的测量光,经透镜准直后形成一束较细的测量光,投射到被测物体表面6位置,并向各个方向产生漫反射光,一部分漫反射光经接收透镜后在CCD阵列元件上聚焦成像。当被测量表面在竖直方向上发生位移变化至6'时,像点也会随之在CCD阵列元件上发生移动。信号处理单元根据激光发射点、测量点以及光斑在光敏元件上的位置点三者构成的三角关系计算得到被测物体移动的相对距离,再结合运动消耗的时间,即可得到被测物体的平均运动速度。

图1激光传感器原理图

将激光传感器的工作原理转化为如图2所示的等效几何示意图,通过简单计算,即可得到从x点移动到y点的距离。

图2等效几何示意图

图2中水平距离量x、y及角度a、8均为未知量,垂直距离量a、b、L及皿均为已知量,由于测试仪器内部采样直角三角形设计,故不难得到x、y及水平位移距离Ad'的数学表达式:

2激光测速传感器软硬件设计

结合激光传感器测距原理,本文采用现场可编程门阵列(FPGA）芯片作为激光位移传感器的主控模块,分别实现光电检测元件的驱动、数据采集芯片的控制、数据处理、激光器控制和LED显示等功能。

2.1激光器选型

对于激光器的选用,需考虑CCD的灵敏度,即CCD对单位光照积累信号的能力,由CCD与光谱对应的曲线关系可以分析得出,只要保证激光器的波长在600～800nm,就可使CCD光谱响应度保持在较高的数值上。故采用红色半导体激光器,波长650nm、输出功率0～10mw相对比较合适。

2.2CCD接收模块设计

CCD传感器用于接收表面辐射的光信号并转换为相应的电信号,从而换算出最强光压点在CCD阵列中的移动距离。本文采用1L-P3CCD接收模块,其具有体积小、功耗小、效率高、工作电压低等优点,如图3所示。

2.3驱动电路设计

CCD驱动电路选用EL7156高性能三态驱动芯片,信号输出最高频率40MHz,CCD输出信号最高频率亦是40MHz,可以满足CCD对信号驱动的要求。对于驱动高容性负载,其具有3.5A的峰值驱动能力,而CCD驱动的电流最高值为1A,其驱动能力完全满足要求。CCD驱动部分电路图如图4所示。

3现场实测

激光传感器在设计封装完成及性能检测合格后,在变电站现场进行了实测,如图5所示。

由于110kV高压断路器为三相联动的传动形式,一套激光传感器即可完成三相速度的测试,故现场分别选取了两种不同厂家及型号的断路器。测试采用通用测速仪配合激光传感器的组合,在水平移动的三相传动连杆顶端进行多次重复测试,结果如表1所示。

将测试结果与传统旋转传感器进行了对比,充分验证了高压断路器激光测速传感器的准确性,同时在多次反复测试中,试验数据保持稳定,实现了预期的非接触、适应性好、稳定性高的设计初衷。

4结语

本文设计了一款高压开关刚分/刚合测速激光传感器,可以满足电网试验规程中对断路器测速的要求,在一定程度上克服了高压断路器智能化发展的测速瓶颈,并解决了当前高压断路器分合闸速度测试中存在的难题。该激光测速传感器简单实用,能很好地解决传统高压断路器测速传感器安装困难的问题,使得机械特性试验更加简单。与此同时,试验人员可以节省大量操作学习的时间,降低误操作、误设置的概率。经过现场实测验证,该激光传感器针对110kV高压断路器具有良好的测试准确性和重复性。