基于光纤位移传感器的断路器机械特性测试仪

刘卫荣 姚朝辉 梁灵娇 谈利兵 袁涛

（1.北京京东方真空电器有限责任公司 2.江苏森博传感技术有限公司）

基于光纤位移传感器的断路器机械特性测试仪

刘卫荣1 姚朝辉2 梁灵娇2 谈利兵2 袁涛2

（1.北京京东方真空电器有限责任公司 2.江苏森博传感技术有限公司）

目前市场上断路器机械特性测试仪所采用的位移传感器存在测量误差大、噪声严重、重复性差、寿命短等问题，本文介绍了一种新型的断路器机械特性测试仪，该测试仪采用基于反射式光栅编码原理、非接触、数字式光纤直线位移传感器，其位移测量精度高、数字化输出、重复性好、寿命长，从根本上解决了现有断路器机械特性测试中的关键问题，具有良好的市场应用前景。文章还具体分析了该机械特性测试仪的工作原理及实现方案。

真空断路器；机械特性；数字式光纤位移传感器

0 引言

高压断路器运行的可靠性对电网安全运行具有重大影响，作为一种依靠开关触头机械位移实现电路开断和闭合的高压电器设备，高压断路器的机械故障是高压断路器失效的主要原因。相关统计表明，80%的高压断路器机械故障是由于操作机构的机械特性不良引起的拒分、拒合或误动作等，因此，高压断路器的机械特性的检测与状态监测对其安全运行、维护具有重要意义，断路器机械特性测试仪成为必备的检测设备。

高压断路器操动机构的操动机械性能评价目前依据其机械特性参数，研究表明机械特性参数是表征断路器操动机构动作性能的有效、关键依据。根据电力设备预防性实验规程DL/T596—1996、高压交流断路器国标GB1984—2003，断路器在型式试验、出厂检验、现场运行检修时都必须对机械特性进行严格的测试。高压断路器机械特性测量主要包括以下参数：合（分）闸电流波形；触头行程、开距、超行程；合（分）闸平均速度；刚分（合）速度；刚分(合)位置；合（分）闸不同期；弹跳时间和幅值等。这些机械特性参数的获取基于机械行程—时间分析法，必须采用机械特性测试仪快速、高精度采集断路器的机械行程—时间曲线，位移传感器是核心关键器件。由于断路器开断/闭合时，触头的运动速度非常快、时间很短、冲击力大，同时位移测量必须高精度、良好重复性和低成本，对所采用的位移传感器提出了很高的技术和成本要求，因此，位移传感器成为开发断路器机械特性检测仪的难点和关键技术。

1 断路器机械特性测试用位移传感器发展历史

早期传统的断路器机械特性测试方法中,检修试验人员通常使用振荡器和转鼓测速仪等试验设备进行测试，即将记录笔固定在动触头拉杆上，当拉杆运动时带动记录笔在平面坐标纸，或记录在匀速转动鼓面的坐标纸上。随着电测试技术的发展，通过电子示波器记录滑线变阻器动触点上的电信号波形曲线对断路器触头行程进行分析记录，其缺点是调整麻烦、精度低、重复性差。

现阶段断路器机械特性测试仪普遍采用的是光电编码器或电阻式位移传感器。光电编码器的精度相对以前的检测方法有了很大的提高，但光电编码器成本高，体积大，受安装空间狭小的限制，且安装困难，因此其应用受到了很大的限制。为了光电编码器安装方便，一般会采用旋转式光电编码器，将其安装到断路器操动机构拐背的主轴上，通过测得主轴的角位移—时间特性曲线，再通过计算得到断路器触头的行程—时间特性曲线。这种位移测量方法实际是一种间接测量，直线位移测试数据的准确性会受到光电编码器安装精度的影响。旋转式光电编码器体积也较大，在断路器上的安装仍然较烦琐，难以适应断路器生产流水线上或现场测试快速传感器安装的要求。

电阻式位移传感器为直线位移测量，可以直接安装在断路器动触头拉杆上，直接测量断路器触头的直线位移，易于传感器的安装。但其输出信号为模拟信号，抗电磁干扰能力差。同时，由于断路器触头运动速度高，其基于电阻值测量原理的接触式位移测量带来了位移测量的不稳定、信号输出跳动与噪声、重复性差，而且反复高速摩擦、冲击而导致测量精度、重复性下降甚至损坏。目前市面上的电阻式位移传感器移动拉杆质量过大，在安装结构上极易由于断路器开断的冲击而引入位移测量抖动，引入新的位移测量误差。

本文采用基于光栅编码原理、非接触、数字式光纤直线位移传感器，其位移测量精度高、数字化输出、重复性好、寿命长，从根本上解决了现有真空断路器机械特性测试中的关键问题，具有良好的市场应用前景。

2 新型光纤位移传感器

本文介绍了一种新型数字光纤位移传感器，如图1所示，其体积很小、容易安装、测量运动部件总质量小于6g。该位移传感器采用高钢性精密滚珠直线滑轨设计，运动平滑、无跳动、响应速度快，可以满足对高速运动物体直线位移的测量。该传感器由于运动质量小、运动阻力小，可以极大地减轻对被测物体运动的影响，从而提高测量精度。同时，该传感器通过合理的安装结构设计，可以消除振动对位移测试的影响。

图1 SFD1020数字光纤位移传感器外形图

图2 SFD1020实测分合闸位移曲线

图2为采用SFD1020数字光纤位移传感器的机械特性测试仪测试的某型号断路器分合闸位移曲线，曲线光滑，重复性极佳，表明了位移传感器具有良好的精度和重复性，非常适合于断路器机械特性测试仪的需要。

图3 分合闸仿真与实测曲线

图3为文献对比曲线，文献中的实测机械行程—时间特性曲线存在由于断路器开闭高速冲击而产生的弹跳曲线异常，影响了位移测试精度。

SFD1020数字光纤位移传感器使用了光学信号进行非接触式位移测量，测量精度高，重复性好，不易损坏，有效解决了目前机械特性测量的瓶颈问题。由于位移码盘采用MEMS技术制造，码盘精度达0.025mm，完全满足断路器机械特性测试的精度要求。

SFD1020数字光纤位移传感器的技术原理：MEMS数字型位移编码器工作原理如图4所示，将MEMS数字型位移编码器芯片安装在直线滑轨的表面，由连杆与断路器绝缘拉杆连接并一起运动，半导体激光通过单模光分束器的光纤束输入口到达光纤阵列（FA）探头，通过一极小气隙入射到反射式MEMS数字型位移编码器芯片，其反射光信号反射回光纤阵列探头从而获取一组包含位移信息的光编码信号。当被测物体通过连接杆带动反射式数字编码器运动时，光纤阵列探头从反射式数字编码器上读取不同的位置编码信息，从而得到被测物体不同的位置信息，进而得到被测物体的位移信息。

3 基于光纤位移传感器SFD1020的断路器机械特性测试仪

图4 MEMS数字型位移编码器工作原理图

3.1 断路器机械特性测试仪总体结构

高压真空断路器机械特性测试仪的总体结构见图5，主要由上位机、下位机和传感器三大部分组成。 其中上位机管理系统软件由C++开发，主要完成断路器开关的机械特性测试、开关寿命测试；测试数据、参考曲线数据管理；产品型号管理等。下位机采用STM32F407+ EΡM570T100C5的架构完成对光信号的解码、存储，并实现与上位机的通讯。其中，EΡM570T100C5负责位移信号解码，STM32F407则负责从EΡM570T100C5读取解码后的位移信号，并完成信号的存储以及与上位机的通讯。其外围硬件电路主要完成光信号的放大处理，刚分/合点信号的读取，储能电机和分合闸线圈的供电等等。

图5 机械特性测试仪总体结构

3.2 机械测试仪硬件设计

（1）电源电路

该系统需要提供的主电源有四个，分别是储能电机、分合闸线圈、继电器驱动模组和测试仪内部电源。这里使用大功率开关电源模块降低测试设备功耗并减小系统发热。储能电机电源设计为0～300V可调输出的直流电压，并可通过测试仪上的转换开关切换到外置电源。分合闸线圈用电源设计为0～250V输出，也可根据需要通过转换开关切换到外置电源进行测试。继电器驱动模组及测试内部供电电压分别为12V和5V。

（2）开关信号采集模块

该电路是用来采集断路器的开关信号的。因该测试端口需要测试人员连接到真空断路器，可能因为测试人员或断路器上存在的静电导致测试仪的芯片损坏，所以这里使用光电隔离模块将真空断路器的开关信号进行采集再送至MCU，并在端口设计了防静电模块。

（3）驱动控制模块

储能电机及分合闸线圈功率较大，使用大容量的继电器模组来进行驱动。该模块同样使用光电隔离模块和达林顿驱动模组来实现驱动继电器的功能。

（4）电流检测电路

电流检测电路使用霍尔元件测试电流，隔离高压和取样电路。防止直接电阻取样电路造成的干扰以及降低的由输出短路造成取样电阻烧毁的故障率。

（5）光驱动电路

使用高精度运放组成恒流驱动电源，驱动激光二极管产生激光源。确保任何环境下，激光功率保持相对稳定，确保产品的测量精度。

（6）光放大电路

使用高精度运放及比较器组成光信号的检测电路，并通过合理设计的低通滤波器滤除高频噪声。

3.3 下位机软件设计

断路器机械特性测试仪下位机完成位移传感器信息的采集与处理，实现与上位机的通信，其软件程序结构如图6所示。

当断路器工作时，光栅产生运动，通过波形的跳变沿触发，下位机进行中断处理，实现位移的信号处理，其中断流程图如图7所示。

3.4 上位机软件设计

图7 下位机中断处理流程图

断路器机械特性测试仪上位机完成包括完成断路器的机械特性测试、开关寿命测试；测试数据、参考曲线数据管理；产品型号管理等诸多实用功能，其软件程序结构如图8所示。

图8 断路器机械特性测试仪上位机程序结构图

4 结束语

本文介绍了采用数字式光纤直线位移传感器的断路器机械特性测试仪。该位移传感器是基于光栅编码原理，实现了非接触、数字式光纤直线位移测量，具有精度高、数字化输出、重复性好、寿命长等诸多优点，从根本上解决了现有断路器机械特性测试中的关键技术问题，非常适合断路器机械特性测试仪应用需求。测试结果表明，基于数字式光纤直线位移传感器的断路器机械特性测试仪具有高位移测量精度，良好的测量重复性，具有良好的市场前景。

2015-10-11）