高壓斷路器激光測(cè)速傳感器的設(shè)計(jì)

引言

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

現(xiàn)有測(cè)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(cè)速不準(zhǔn)或無(wú)速度曲線等問(wèn)題。因此,本文設(shè)計(jì)了一種快拆卸、無(wú)接觸、效果穩(wěn)定的激光傳感器解決該問(wèn)題。

1高壓斷路器激光測(cè)速傳感器原理

如圖1所示,高壓斷路器激光測(cè)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(cè)量光,經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后形成一束較細(xì)的測(cè)量光,投射到被測(cè)物體表面6位置,并向各個(gè)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(dāng)被測(cè)量表面在豎直方向上發(fā)生位移變化至6'時(shí),像點(diǎn)也會(huì)隨之在CCD陣列元件上發(fā)生移動(dòng)。信號(hào)處理單元根據(jù)激光發(fā)射點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)以及光斑在光敏元件上的位置點(diǎn)三者構(gòu)成的三角關(guān)系計(jì)算得到被測(cè)物體移動(dòng)的相對(duì)距離,再結(jié)合運(yùn)動(dòng)消耗的時(shí)間,即可得到被測(cè)物體的平均運(yùn)動(dòng)速度。

圖1激光傳感器原理圖

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(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,即可得到從x點(diǎn)移動(dòng)到y(tǒng)點(diǎn)的距離。

圖2等效幾何示意圖

圖2中水平距離量x、y及角度a、8均為未知量,垂直距離量a、b、L及皿均為已知量,由于測(cè)試儀器內(nèi)部采樣直角三角形設(shè)計(jì),故不難得到x、y及水平位移距離Ad'的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

2激光測(cè)速傳感器軟硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合激光傳感器測(cè)距原理,本文采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA）芯片作為激光位移傳感器的主控模塊,分別實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)元件的驅(qū)動(dòng)、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(duì)于激光器的選用,需考慮CCD的靈敏度,即CCD對(duì)單位光照積累信號(hào)的能力,由CCD與光譜對(duì)應(yīng)的曲線關(guān)系可以分析得出,只要保證激光器的波長(zhǎng)在600～800nm,就可使CCD光譜響應(yīng)度保持在較高的數(shù)值上。故采用紅色半導(dǎo)體激光器,波長(zhǎng)650nm、輸出功率0～10mw相對(duì)比較合適。

2.2CCD接收模塊設(shè)計(jì)

CCD傳感器用于接收表面輻射的光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào),從而換算出最強(qiáng)光壓點(diǎn)在CCD陣列中的移動(dòng)距離。本文采用1L-P3CCD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(diǎn),如圖3所示。

2.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

CCD驅(qū)動(dòng)電路選用EL7156高性能三態(tài)驅(qū)動(dòng)芯片,信號(hào)輸出最高頻率40MHz,CCD輸出信號(hào)最高頻率亦是40MHz,可以滿足CCD對(duì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的要求。對(duì)于驅(qū)動(dòng)高容性負(fù)載,其具有3.5A的峰值驅(qū)動(dòng)能力,而CCD驅(qū)動(dòng)的電流最高值為1A,其驅(qū)動(dòng)能力完全滿足要求。CCD驅(qū)動(dòng)部分電路圖如圖4所示。

3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

激光傳感器在設(shè)計(jì)封裝完成及性能檢測(cè)合格后,在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)測(cè),如圖5所示。

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

將測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳感器進(jìn)行了對(duì)比,充分驗(yàn)證了高壓斷路器激光測(cè)速傳感器的準(zhǔn)確性,同時(shí)在多次反復(fù)測(cè)試中,試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的非接觸、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性高的設(shè)計(jì)初衷。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款高壓開(kāi)關(guān)剛分/剛合測(cè)速激光傳感器,可以滿足電網(wǎng)試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)斷路器測(cè)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(cè)速瓶頸,并解決了當(dāng)前高壓斷路器分合閘速度測(cè)試中存在的難題。該激光測(cè)速傳感器簡(jiǎn)單實(shí)用,能很好地解決傳統(tǒng)高壓斷路器測(cè)速傳感器安裝困難的問(wèn)題,使得機(jī)械特性試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單。與此同時(shí),試驗(yàn)人員可以節(jié)省大量操作學(xué)習(xí)的時(shí)間,降低誤操作、誤設(shè)置的概率。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證,該激光傳感器針對(duì)110kV高壓斷路器具有良好的測(cè)試準(zhǔn)確性和重復(fù)性。