高壓斷路器操動機構在線監測用角位移傳感器*

黃采倫,王安琪,王 靖,2,南茂元,田勇軍

(1.湖南科技大學信息與電氣工程學院,湖南 湘潭 411201;2.礦山安全預警技術與裝備湖南省工程實驗室,湖南 湘潭 411201)

高壓斷路器在電力系統中起著重要的控制和保護作用,關合正常電路使其投入電網運行,當線路出現故障時它能及時切斷電路,以免給電網帶來危害[1]。高壓斷路器分室內型、戶外型及封閉式等多種類型,連接于電網與負荷系統之間,工作在高電壓、大電流、封閉狀態環境下,隨著運行時間加長和一些環境因素影響,伴有各種故障發生,其中機械故障是最常見且最多的[2-5]。操動機構是高壓斷路器的重要組成部分,它由能量轉換、聯動、保持、釋放等單元組成,能按指定操作順序和方式實現合閘、保持合閘、分閘、重合閘、合分、自由脫扣、防止跳躍、復位、緩沖和連鎖等功能。為此,高壓斷路器操動機構的在線監測是目前電網發展的一項重要工作。

角位移是表征高壓斷路器操動機構運行狀態的主要參數,其測量方式有磁電轉換、光電轉換等多種[6]。以真空高壓斷路器為例,斷路器實際工作時本體部分的滅弧室、杠桿機構和觸頭彈簧等部分都是密封,從靈敏度和精確度方面來看,光電轉換的使用達不到預期效果[7-11],磁電轉換要比光電轉換適于高壓斷路器角位移監測。磁敏元件在均勻梯度的磁場中移動時,輸出與磁場具有線性關系,通過其輸出的變化可以測量磁敏元件或者磁鋼的位移量[12];測量線位移時,選用霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管和磁敏電阻均可;在角位移測量時,除了以上的磁敏元件外,還可以選擇強磁體,因為其輸出特性比較特殊,當磁場達到一定幅值后,輸出只與被測磁場和磁敏元件的表面所成的角度相關,利用該特點來測量角位移具有其特殊的優點。現有高壓斷路器機械監測中所采用的角位移傳感器大都來源于旋轉機械的位移檢測,而這類傳感器一般是單端輸出信號方式,輸出精確度低、抗干擾能力差且結構復雜,難以滿足高壓斷路器運行工況要求,常因高壓斷路器運行工況下的復雜電磁干擾而出現誤診、漏診。因此,論文選用磁敏元件作為敏感材料,開發一種滿足高壓斷路器運行工況要求、監測準確可靠、可適應不同操動機構連接軸的數字輸出角位移監測傳感器,以滿足高壓斷路器操動機構在線監測的實際需要。

1 高壓斷路器操動機構角位移監測原理

高壓斷路器的機械特性參數眾多,一般在獲取采集量后,將位移量、時間量、速度量進行計算與轉換得到所需要的信息。論文僅考慮基于磁敏元件的高壓斷路器操動機構角位移監測,磁敏元件是特性參數隨外界磁性量變化而明顯變化的一種敏感元件[13],論文中的傳感器主要選用霍爾元件和磁敏電阻。

1.1 霍爾元件檢測原理

霍爾元件是一種利用霍爾效應來工作的半導體電磁器件[14-16]。去掉外殼的霍爾元件一般稱為霍爾片,是用不同半導體材料制成的、如圖1所示的矩形薄片,在霍爾片長度方向的兩端面上焊接引線并通以電流I,并在霍爾片法線方向(與薄片垂直的方向)上加上磁場B,則由霍爾效應可知在霍爾片寬度方向的兩個端面上產生電勢差EH,EH與所通電流I和磁感強度B乘積成正比,霍爾電勢EH可用式(1)表示:

圖1 霍爾元件的檢測原理

(1)

式(1)中,RH為霍爾常數,d為霍爾元件的厚度。電流I恒定時,作用在半導體薄片上的磁場強度B越強,霍爾電勢也就越高。

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件,而是與其法線成某一角度θ時,實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向的分量,即Bcosθ,這時的霍爾電勢EH為:

(2)

因此,霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比,且B的方向改變時,霍爾電勢EH的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場,則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

1.2 磁敏電阻檢測原理

與霍爾元件不同,磁敏電阻是利用半導體物理磁阻效應和幾何磁敏效應制成的,主要分為半導體型、金屬薄膜型兩類,是一種純電阻性的二端元件,它的電阻值隨磁場強弱而變化[17-18]。

圖2 磁敏電阻的檢測原理

如圖2所示,磁敏電阻MR1與MR2組成的串聯結構元件,在1端、3端之間加工作電壓U,2端輸出檢測信號,其實質是一個輸出信號隨磁場強弱變化的分壓電路,兩個磁敏電阻上的電壓對應為:

(3)

(4)

無論是移動的被測物體與固定的磁鋼還是移動的磁鋼固定的被測物體,結果都是磁敏電阻所處位置的磁場強度發生了變化,而使磁敏電阻的阻值隨之改變。以旋轉齒輪測速為例,在齒輪旋轉時,其中一個磁敏電阻就會被齒輪的齒部覆蓋,另一磁敏電阻則處在齒輪的凹部,從而引起兩個磁敏電阻的阻值發生變化;假設MR1與MR2的磁阻效應相同,當齒輪的齒部完全覆蓋在MR1上時,1端與2端之間的電壓UMR1的電壓最大,2端與3端之間的電壓UMR2的電壓最小;當齒輪的齒部完全覆蓋在MR2上時,1端與2端之間的電壓UMR1的電壓最小,2端與3端之間的電壓UMR2的電壓最大;當齒輪的齒部覆蓋在中央位置上時,UMR1=UMR2,即MR1與MR2各覆蓋一半時,輸出電壓為U/2。

1.3 基于磁敏元件的操動機構角位移監測

根據霍爾元件和磁敏電阻的檢測原理,它們均可用于高壓斷路器操動機構的角位移監測。為滿足高壓斷路器操動機構角位移監測的靈敏度和線性度要求,綜合考慮高壓斷路器運行工況下的強電磁干擾和振動、潮濕、灰塵或油膜等環境因素的影響,選擇線性霍爾器件來實現高壓斷路器操動機構的角位移監測。

將兩組線性霍爾元件以正交相關方式置于一個由圓形徑向磁鋼產生的磁場中,如圖3所示。

圖3 基于線性霍爾元件的角位移監測

圖3中,一組線性霍爾元件A+、A-用于以差分方式檢測Y軸方向上的磁場變化,一組線性霍爾元件B+、B-用于以差分方式檢測X軸方向上的磁場變化,當磁鋼旋轉時,X、Y方向上的兩個霍爾電壓分別為:

VX=VB+-VB-=kVcosθ

(5)

VY=VA+-VA-=kVsinθ

(6)

式中:k是與徑向磁鐵、霍爾元件、運動半徑和高度相關的常數,V是圓形徑向磁鋼在霍爾元件所處平面形成的總霍爾電壓,差分信號VA+-VA-是圓形徑向磁鋼磁場的正弦向量形成的霍爾電壓,差分信號VB+-VB-是圓形徑向磁鋼磁場的正交相關余弦向量形成的霍爾電壓,θ為圓形徑向磁鋼磁源相對于霍爾元件陣列的角度偏移。在不考慮各種因工藝、機械加工等引起的誤差時,可得到與圓形徑向磁鋼連接旋轉體的角位移信息θ,即:

θ=arctan[(VA+-VA-)/(VB+-VB-)=arctan(VY/VX)

(7)

這樣,只要將高壓斷路器操動機構的旋轉軸與圓形徑向磁鋼連接一體,便可實現對操動機構角位移的監測。線性霍爾元件擁有很寬的磁場工作范圍,在其規定的工作溫度范圍內靈敏度高、線性度好,且幾乎不受振動、潮濕、灰塵或油膜等環境因素的影響;采用差分方式檢測X、Y方向上的霍爾電壓,可以有效抑制高壓斷路器運行工況下的共模干擾、消除機械安裝偏差和零點漂移所帶來的測量誤差,并使輸出幅度增加了一倍。

2 高壓斷路器操動機構監測用角位移傳感器設計

基于以上的工作原理,研發一種基于磁敏元件非接觸測量、結構簡單、適應高壓斷路器惡劣工況且成本低的角位移傳感器具有廣闊的應用前景。

圖4 角位移傳感器的結構示意圖

2.1 傳感器的總體結構設計

針對目前高壓斷路器狀態監測中所采用角位移傳感器存在的不足,研發一種高壓斷路器操動機構在線監測用角位移傳感器,總體結構示意如圖4所示。傳感器主要由永久磁鐵1、磁敏元件與檢測電路板2、聯軸器及連接軸3、信號輸出插座4、傳感器底座5、傳感器上蓋6、半開口彈性金屬卡環7、傳感器固定螺釘8、電路板固定螺釘9、磁鐵固定螺釘10組成。

進行檢測安裝時,首先根據高壓斷路器操動機構的被測轉軸大小,通過調節聯軸器及連接軸3上的可調節聯軸器,使高壓斷路器操動機構的被測轉軸與聯軸器及連接軸3可靠連接;接著在高壓斷路器被測轉軸周邊的殼體對應位置通過攻絲或點焊螺帽,再由傳感器固定螺釘8將傳感器底座5固定于高壓斷路器的被測位置殼體上,使傳感器外殼與高壓斷路器殼體之間形成可靠的電連接以用于傳感器的屏蔽接地。連接軸的一端(小端)通過螺紋與可調節聯軸器連接,另一端(大端)由磁鐵固定螺釘10將永久磁鐵1固定于連接軸端以保證永久磁鐵1的轉動與被測轉軸同步;連接軸經過盈裝配方式穿過傳感器底座5上的中心孔并由半開口彈性金屬卡環7徑向鎖緊,裝配時應在中心孔內添加潤滑劑以減少連接軸與底座之間的滑動摩擦。以上將被測軸的轉動轉換為永久磁鐵1的轉動,而永久磁鐵1轉動所引起的磁場變化可由磁敏元件非接觸地轉換為電信號;基于這一檢測原理,被測軸轉動的角位移信息經由電路板固定螺釘9固定于傳感器底座5內的磁敏元件與檢測電路板2檢測并轉換為數字信號后通過固定于傳感器上蓋6內的信號輸出插座4輸出。該角位移傳感器非接觸檢測角位移信息的磁敏元件、檢測電路均安裝在螺紋連接的傳感器底座與傳感器上蓋形成的圓柱形密封金屬殼體內,可以有效抑制高壓斷路器監測現場的強電磁干擾,使監測結果更加準確可靠。

圖5 角位移檢測電路原理圖

2.2 角位移檢測電路設計

角位移傳感器的檢測電路原理如圖5所示,電路由磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2,電阻R1～R11,電容C1～C4,雙運放IC1,具有ADC和PWM功能的單片機IC2,輸出連接件JK1組成。電路板結構及磁敏元件安裝位置如圖6所示,磁敏元件HX1、HX2分別安裝在磁敏感點分布參考圓X方向的左、右,用于檢測永久磁鐵1的磁場垂直向量在X方向的分量;磁敏元件HY1、HY2分別安裝在磁敏感點分布參考圓Y方向的上、下,用于檢測永久磁鐵1的磁場垂直向量在Y方向的分量;HX1、HX2、HY1、HY2的4個磁敏感點均勻分布在直徑為D1的參考圓周上,且參考圓的中心在永久磁鐵1的中心軸線上,通過調節磁敏元件安裝電路板與永久磁鐵1之間的間距以保證HX1、HX2、HY1、HY2 4個磁敏元件能可靠檢測永久磁鐵1在電路板表面分布的磁場垂直向量。

圖6 電路板結構及磁敏元件安裝位置圖

電路中HX1、HX2、HY1、HY2為4個特征參數相同的線性霍爾元件,可選型號有CS3503、CS49E、SS496A、UGN3503等;以UGN3503LT(SOT-89/TO-243AA表貼封裝)為例,其內部集成了霍爾傳感元件、線性放大器和發射極跟隨器輸出級,可準確跟蹤磁通極微小的變化,工作電壓范圍:4.5 V～6.0 V,工作電流范圍:9 mA～13 mA,典型靜態輸出電壓VOUT=2.50 V(磁感應強度為零高斯,VCC=5.0 V),典型敏感度ΔVOUT=1.30 mV/G(B=0 G到±900 G),-3 dB帶寬23 kHz,寬帶內(10 Hz至10 kHz)輸出噪聲90 μV。檢測電路中的單片機IC2為具有ADC和PWM功能的通用單片機,選用ATMEL公司的8引腳封裝的8位高性能低功耗AVR單片機ATtiny13,片內含有4路10位ADC和兩個8位PWM通道(ADC輸入電壓范圍0～VCC),可通過SPI端口在系統可編程,滿足本角位移傳感器的功能要求。運放IC1B、電阻R1～R4組成一個減法電路用于對X方向的正交相關分量進行差分放大,運放IC1A、電阻R5～R8組成一個減法電路用于對Y方向的正交相關分量進行差分放大,令輸入電阻R1=R2=R5=R6=RI、反饋電阻R3=R4=R7=R8=RF,則差分放大的增益為:

A=RF/RI

(8)

RI、RF的取值范圍取決于磁敏元件HX1與HX2、HY1與HY2在最強磁場位置輸出電壓差的大小和單片機ADC輸入電壓范圍大小,以保證在整個測量范圍內檢測信號不失真,同時充分利用ADC的轉換分辨率。R12、R13是用于設置信號參考電壓VREF的分壓電阻,設X、Y方向的磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2的輸出分別為:VHX1、VHX2、VHY1、VHY2;實際應用中,由于元器件參數存在一定的差異,會造成兩個差分電路的輸出不一致,兩個差分電路的輸出為:

(9)

圖5所示電路中,R10為上拉電阻,電容C1解耦電容,C2旁路電容,電阻R9與電容C3、電阻R10與電容C4分別組成一個一階低通濾波器用于濾出X方向、Y方向差分檢測信號上的高頻干擾,取R9=R10=R、C3=C4=C,該低通濾波器的截止頻率為:

(10)

X、Y方向的檢測信號經低通濾波后分別送單片機IC2的兩個ADC輸入端,單片機IC2對輸入信號VX1-X2、VY1-Y2進行采樣、抗混疊處理后計算得到被測轉軸的角位移量為:

θ=arctan(VY1-Y2/VX1-X2)

(11)

為進一步提高傳感器輸出信號的抗干擾能力,單片機IC2將角位移θ轉換成兩路互補的PWM格式的數字信號通過連接件JK1的引腳3和引腳4輸出。

圖7 永久磁鐵結構圖

2.3 永久磁鐵結構設計

永久磁鐵是一個直徑為D、厚度為H的徑向磁化的(俯視:左側→右側)雙極圓形磁鐵,其結構如圖7所示。永久磁鐵的磁性材料優選稀土AlNiCo/SmCo5或NdFeB;厚度H≥2.5 mm,HX1、HX2、HY1、HY2的4個磁敏感點分布參考圓直徑D1≤直徑D≤磁鐵最大可旋轉參考圓直徑D2;安裝時,圓形磁鐵的中心軸線要對準磁敏感點分布參考圓的圓心。取D1=8 mm、D2=14 mm,則永久磁鐵的直徑:8 mm≤D≤14 mm;磁敏元件感應的是永久磁鐵的磁場垂直向量,磁鐵表面與各磁敏元件表面之間的間距應根據磁敏元件的線性敏感度、永久磁鐵的磁場強度等參數來選取,建議采用間距在0.3 mm至3.0 mm之間;若所要求的磁場強度能夠保持在磁敏元件的線性敏感范圍以內,盡可能采用更大的間距以減少制造誤差、安裝誤差、使用誤差等因素帶來的影響。

2.4 傳感器與被測件的連接體設計

傳感器的聯軸器及連接軸包括通過螺紋連接在一起的可調節聯軸器和連接軸兩部分,可調節聯軸器由連接高壓斷路器操動機構轉軸的聯軸器輸入端①、通過螺紋與連接軸連接的聯軸器輸出端②、適應不同大小被測軸的調節螺孔③、用于被測軸鎖緊的可伸縮夾片④組成,連接軸由一根整軸通過機加工出與可調節聯軸器連接的連接螺紋⑤、徑向固定連接軸于傳感器底座⑤的徑向固定卡口⑥、用于固定永久磁鐵的磁鐵固定螺孔⑦而成。為適應高壓斷路器操動機構不同大小被測軸的監測,角位移傳感器選用了三爪卡盤式聯軸器,圖8所示為聯軸器及連接軸結構示意圖。

圖8 聯軸器及連接軸結構圖

圖9 傳感器輸出連接示意圖

2.5 傳感器輸出連接定義

傳感器輸出連接如圖9所示,信號輸出插座4是一個通過外螺帽固定于傳感器上蓋6的金屬外殼五芯航空插座,五芯的信號定義分別是VCC、PWMA/MOSI、SCK、PWMB/MISO、GND,其中VCC、GND用于向傳感器提供電源,工作電源的電壓范圍:4.5 V～5.5 V,通過五芯屏蔽電纜與監測裝置或仿真器連接。信號輸出插座4具有兩方面的用途:①傳感器的仿真、調試與編程,在該狀態下,SCK為SPI接口的同步時鐘,PWMA/MOSI為SPI接口的主輸出從輸入數據線,可通過上位機軟件對傳感器進行仿真、調試、參數設置、工作程序下載等操作;②傳感器的供電與信號輸出,在該狀態下,SCK為無用,由PWMA/MOSI、PWMB/MISO輸出一對互補的占空比與實時檢測角位移θ成正比的PWM波形,以提高輸出信號的抗干擾能力。

3 操動機構監測用角位移傳感器的實現與測試

3.1 傳感器電路調試

按照上述設計完成角位移傳感器的制作,在無永久磁鐵的情況下對圖5所示電路進行測試。測試時,電路工作電壓VCC=5.0 V,輸入電阻R1=R2=R5=R6=300 kΩ,反饋電阻R3=R4=R7=R8=430 kΩ,取R12=R13=10 kΩ,則VREF=VCC/2=2.50 V;經多次測量并綜合得到磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2的輸出電壓分別為VHX1=2.518 V、VHX2=2.491 V、VHY1=2.496 V、VHY2=2.509 V、VIC1A=2.495 V、VIC1B=2.537 V,按照電路參數和式(9)計算得兩個差分電路的輸出應為:

可見,實際測量值與式(9)的理論計算值基本一致。實際應用中,由于元器件參數存在一定的差異,會造成兩個差分電路的輸出不一致;調試時,需要根據測試結果來分別調整兩個差分電路的輸入電阻、反饋電阻的取值,以使其輸出基本一致。圖5所示電路中,按精度為1%的金屬膜電阻標稱值取電阻R1=R5=R6=300 kΩ、R3=422 kΩ、R4=R8=430 kΩ、R7=432 kΩ,實際測得VIC1A=2.499 V、VIC1B=2.501 V,滿足角位移傳感器的誤差要求范圍;取R9=R10=R=51 kΩ、C3=C4=C=0.1 uF,則低通濾波器的截止頻率為31.2 Hz,用示波器觀察可有效濾出X、Y方向檢測信號上的高頻干擾成分。

電路調試完成后,安裝永久磁鐵及其他零部件以形成傳感器整體。通過傳感器信號輸出插座連接上位機,進一步對傳感器進行仿真、調試、參數設置、工作程序下載等操作。本傳感器角位移檢測范圍是:從0°到360°,單片機片內ADC為10位,故其角度檢測分辨率是±0.352°。由于許多應用的檢測范圍都小于此范圍(如:30°到150°、90°到270°等),為進一步提高PWM波形輸出的精度,引入了最小檢測角度θmin、最大檢測角度θmax設置,以充分利用單片機IC2所能提供的8位PWM波形分辨率;首先設置單片機定時器/計數器控制寄存器TCNT0以確定PWM波形輸出頻率fPWM,然后根據最小檢測角度θmin、最大檢測角度θmax、實時檢測角位移θ來設置輸出比較寄存器OCR0A與OCR0B,使PWMA(單片機引腳4)、PWMB(單片機引腳5)輸出占空比與實時檢測角位移θ成正比的PWM波形。同時,在傳感器的連接軸3上以機械方式限定連接軸的旋轉范圍在θmin～θmax之間。

3.2 傳感器指標測試

為進一步研究角位移傳感器的精度、線性度等技術指標,如下以一個檢測范圍為:30°～150°的角位移傳感器測試為例,即θmin=30°、θmax=150°。圖10 為PWM輸出波形示意圖,PWMA與PWMB為一對互補輸出(即PWMB輸出波形是PWMA輸出波形的取反),圖中,PWmin是最小檢測角度θmin=30°的PWM輸出波形,PWmax是最大檢測角度θmax=150°的PWM輸出波形;由圖可知該角位移傳感器PWM輸出的角度分辨率是±0.469°,且輸出分辨率隨檢測范圍的減小而提高。

對角位移傳感器每旋轉遞增15°測量記錄1個角位移值,檢測范圍內1次共測量9個角位移值;重復10次前述測量,綜合整理測試記錄結果如表1所示。從表1可以看出,測量角度最大偏差為0.47°,其線性度為0.392。

圖10 PWM輸出波形圖

旋轉角度/(°)PWM輸出值測量角度/(°)誤差/(°)30130.470.47453144.53-0.47606560.470.47759675.000.009012990.470.47105160105.000.00120193120.470.47135225135.470.47150255149.53-0.47

4 總結

高壓斷路器操動機構在線監測用角位移傳感器,主要由永久磁鐵、磁敏元件與檢測電路板、聯軸器及連接軸、信號輸出插座等部分組成;通過聯軸器連接被測轉軸進行非接觸角位移檢測,檢測磁敏元件與電路安裝在螺紋連接的傳感器上蓋與傳感器底座形成的圓柱形密封金屬殼體內,檢測結果以一對互補的占空比與角位移θ成正比的PWM波形輸出,有效抑制高壓斷路器運行工況下的強電磁干擾,使監測結果更加準確可靠。傳感器在0°到360°檢測范圍內的檢測分辨率是±0.352°,輸出分辨率隨檢測范圍的減小而提高,可適用于在有效調節范圍內、規格不同的旋轉軸;滿足高壓斷路器操動機構的在線監測需要,與同等分辨率的其他傳感器相比具有抗干擾能力較強、安裝簡單、成本低等優勢,可應用于要求較高精度與可靠性的工程應用場合。