高压断路器操动机构在线监测用角位移传感器*

黄采伦,王安琪,王 靖,2,南茂元,田勇军

(1.湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南 湘潭 411201;2.矿山安全预警技术与装备湖南省工程实验室,湖南 湘潭 411201)

高压断路器在电力系统中起着重要的控制和保护作用,关合正常电路使其投入电网运行,当线路出现故障时它能及时切断电路,以免给电网带来危害[1]。高压断路器分室内型、户外型及封闭式等多种类型,连接于电网与负荷系统之间,工作在高电压、大电流、封闭状态环境下,随着运行时间加长和一些环境因素影响,伴有各种故障发生,其中机械故障是最常见且最多的[2-5]。操动机构是高压断路器的重要组成部分,它由能量转换、联动、保持、释放等单元组成,能按指定操作顺序和方式实现合闸、保持合闸、分闸、重合闸、合分、自由脱扣、防止跳跃、复位、缓冲和连锁等功能。为此,高压断路器操动机构的在线监测是目前电网发展的一项重要工作。

角位移是表征高压断路器操动机构运行状态的主要参数,其测量方式有磁电转换、光电转换等多种[6]。以真空高压断路器为例,断路器实际工作时本体部分的灭弧室、杠杆机构和触头弹簧等部分都是密封,从灵敏度和精确度方面来看,光电转换的使用达不到预期效果[7-11],磁电转换要比光电转换适于高压断路器角位移监测。磁敏元件在均匀梯度的磁场中移动时,输出与磁场具有线性关系,通过其输出的变化可以测量磁敏元件或者磁钢的位移量[12];测量线位移时,选用霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏电阻均可;在角位移测量时,除了以上的磁敏元件外,还可以选择强磁体,因为其输出特性比较特殊,当磁场达到一定幅值后,输出只与被测磁场和磁敏元件的表面所成的角度相关,利用该特点来测量角位移具有其特殊的优点。现有高压断路器机械监测中所采用的角位移传感器大都来源于旋转机械的位移检测,而这类传感器一般是单端输出信号方式,输出精确度低、抗干扰能力差且结构复杂,难以满足高压断路器运行工况要求,常因高压断路器运行工况下的复杂电磁干扰而出现误诊、漏诊。因此,论文选用磁敏元件作为敏感材料,开发一种满足高压断路器运行工况要求、监测准确可靠、可适应不同操动机构连接轴的数字输出角位移监测传感器,以满足高压断路器操动机构在线监测的实际需要。

1 高压断路器操动机构角位移监测原理

高压断路器的机械特性参数众多,一般在获取采集量后,将位移量、时间量、速度量进行计算与转换得到所需要的信息。论文仅考虑基于磁敏元件的高压断路器操动机构角位移监测,磁敏元件是特性参数随外界磁性量变化而明显变化的一种敏感元件[13],论文中的传感器主要选用霍尔元件和磁敏电阻。

1.1 霍尔元件检测原理

霍尔元件是一种利用霍尔效应来工作的半导体电磁器件[14-16]。去掉外壳的霍尔元件一般称为霍尔片,是用不同半导体材料制成的、如图1所示的矩形薄片,在霍尔片长度方向的两端面上焊接引线并通以电流I,并在霍尔片法线方向(与薄片垂直的方向)上加上磁场B,则由霍尔效应可知在霍尔片宽度方向的两个端面上产生电势差EH,EH与所通电流I和磁感强度B乘积成正比,霍尔电势EH可用式(1)表示:

图1 霍尔元件的检测原理

(1)

式(1)中,RH为霍尔常数,d为霍尔元件的厚度。电流I恒定时,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强,霍尔电势也就越高。

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件,而是与其法线成某一角度θ时,实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向的分量,即Bcosθ,这时的霍尔电势EH为:

(2)

因此,霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比,且B的方向改变时,霍尔电势EH的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场,则霍尔电势为同频率的交变电势。

1.2 磁敏电阻检测原理

与霍尔元件不同,磁敏电阻是利用半导体物理磁阻效应和几何磁敏效应制成的,主要分为半导体型、金属薄膜型两类,是一种纯电阻性的二端元件,它的电阻值随磁场强弱而变化[17-18]。

图2 磁敏电阻的检测原理

如图2所示,磁敏电阻MR1与MR2组成的串联结构元件,在1端、3端之间加工作电压U,2端输出检测信号,其实质是一个输出信号随磁场强弱变化的分压电路,两个磁敏电阻上的电压对应为:

(3)

(4)

无论是移动的被测物体与固定的磁钢还是移动的磁钢固定的被测物体,结果都是磁敏电阻所处位置的磁场强度发生了变化,而使磁敏电阻的阻值随之改变。以旋转齿轮测速为例,在齿轮旋转时,其中一个磁敏电阻就会被齿轮的齿部覆盖,另一磁敏电阻则处在齿轮的凹部,从而引起两个磁敏电阻的阻值发生变化;假设MR1与MR2的磁阻效应相同,当齿轮的齿部完全覆盖在MR1上时,1端与2端之间的电压UMR1的电压最大,2端与3端之间的电压UMR2的电压最小;当齿轮的齿部完全覆盖在MR2上时,1端与2端之间的电压UMR1的电压最小,2端与3端之间的电压UMR2的电压最大;当齿轮的齿部覆盖在中央位置上时,UMR1=UMR2,即MR1与MR2各覆盖一半时,输出电压为U/2。

1.3 基于磁敏元件的操动机构角位移监测

根据霍尔元件和磁敏电阻的检测原理,它们均可用于高压断路器操动机构的角位移监测。为满足高压断路器操动机构角位移监测的灵敏度和线性度要求,综合考虑高压断路器运行工况下的强电磁干扰和振动、潮湿、灰尘或油膜等环境因素的影响,选择线性霍尔器件来实现高压断路器操动机构的角位移监测。

将两组线性霍尔元件以正交相关方式置于一个由圆形径向磁钢产生的磁场中,如图3所示。

图3 基于线性霍尔元件的角位移监测

图3中,一组线性霍尔元件A+、A-用于以差分方式检测Y轴方向上的磁场变化,一组线性霍尔元件B+、B-用于以差分方式检测X轴方向上的磁场变化,当磁钢旋转时,X、Y方向上的两个霍尔电压分别为:

VX=VB+-VB-=kVcosθ

(5)

VY=VA+-VA-=kVsinθ

(6)

式中:k是与径向磁铁、霍尔元件、运动半径和高度相关的常数,V是圆形径向磁钢在霍尔元件所处平面形成的总霍尔电压,差分信号VA+-VA-是圆形径向磁钢磁场的正弦向量形成的霍尔电压,差分信号VB+-VB-是圆形径向磁钢磁场的正交相关余弦向量形成的霍尔电压,θ为圆形径向磁钢磁源相对于霍尔元件阵列的角度偏移。在不考虑各种因工艺、机械加工等引起的误差时,可得到与圆形径向磁钢连接旋转体的角位移信息θ,即:

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

(7)

这样,只要将高压断路器操动机构的旋转轴与圆形径向磁钢连接一体,便可实现对操动机构角位移的监测。线性霍尔元件拥有很宽的磁场工作范围,在其规定的工作温度范围内灵敏度高、线性度好,且几乎不受振动、潮湿、灰尘或油膜等环境因素的影响;采用差分方式检测X、Y方向上的霍尔电压,可以有效抑制高压断路器运行工况下的共模干扰、消除机械安装偏差和零点漂移所带来的测量误差,并使输出幅度增加了一倍。

2 高压断路器操动机构监测用角位移传感器设计

基于以上的工作原理,研发一种基于磁敏元件非接触测量、结构简单、适应高压断路器恶劣工况且成本低的角位移传感器具有广阔的应用前景。

图4 角位移传感器的结构示意图

2.1 传感器的总体结构设计

针对目前高压断路器状态监测中所采用角位移传感器存在的不足,研发一种高压断路器操动机构在线监测用角位移传感器,总体结构示意如图4所示。传感器主要由永久磁铁1、磁敏元件与检测电路板2、联轴器及连接轴3、信号输出插座4、传感器底座5、传感器上盖6、半开口弹性金属卡环7、传感器固定螺钉8、电路板固定螺钉9、磁铁固定螺钉10组成。

进行检测安装时,首先根据高压断路器操动机构的被测转轴大小,通过调节联轴器及连接轴3上的可调节联轴器,使高压断路器操动机构的被测转轴与联轴器及连接轴3可靠连接;接着在高压断路器被测转轴周边的壳体对应位置通过攻丝或点焊螺帽,再由传感器固定螺钉8将传感器底座5固定于高压断路器的被测位置壳体上,使传感器外壳与高压断路器壳体之间形成可靠的电连接以用于传感器的屏蔽接地。连接轴的一端(小端)通过螺纹与可调节联轴器连接,另一端(大端)由磁铁固定螺钉10将永久磁铁1固定于连接轴端以保证永久磁铁1的转动与被测转轴同步;连接轴经过盈装配方式穿过传感器底座5上的中心孔并由半开口弹性金属卡环7径向锁紧,装配时应在中心孔内添加润滑剂以减少连接轴与底座之间的滑动摩擦。以上将被测轴的转动转换为永久磁铁1的转动,而永久磁铁1转动所引起的磁场变化可由磁敏元件非接触地转换为电信号;基于这一检测原理,被测轴转动的角位移信息经由电路板固定螺钉9固定于传感器底座5内的磁敏元件与检测电路板2检测并转换为数字信号后通过固定于传感器上盖6内的信号输出插座4输出。该角位移传感器非接触检测角位移信息的磁敏元件、检测电路均安装在螺纹连接的传感器底座与传感器上盖形成的圆柱形密封金属壳体内,可以有效抑制高压断路器监测现场的强电磁干扰,使监测结果更加准确可靠。

图5 角位移检测电路原理图

2.2 角位移检测电路设计

角位移传感器的检测电路原理如图5所示,电路由磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2,电阻R1～R11,电容C1～C4,双运放IC1,具有ADC和PWM功能的单片机IC2,输出连接件JK1组成。电路板结构及磁敏元件安装位置如图6所示,磁敏元件HX1、HX2分别安装在磁敏感点分布参考圆X方向的左、右,用于检测永久磁铁1的磁场垂直向量在X方向的分量;磁敏元件HY1、HY2分别安装在磁敏感点分布参考圆Y方向的上、下,用于检测永久磁铁1的磁场垂直向量在Y方向的分量;HX1、HX2、HY1、HY2的4个磁敏感点均匀分布在直径为D1的参考圆周上,且参考圆的中心在永久磁铁1的中心轴线上,通过调节磁敏元件安装电路板与永久磁铁1之间的间距以保证HX1、HX2、HY1、HY2 4个磁敏元件能可靠检测永久磁铁1在电路板表面分布的磁场垂直向量。

图6 电路板结构及磁敏元件安装位置图

电路中HX1、HX2、HY1、HY2为4个特征参数相同的线性霍尔元件,可选型号有CS3503、CS49E、SS496A、UGN3503等;以UGN3503LT(SOT-89/TO-243AA表贴封装)为例,其内部集成了霍尔传感元件、线性放大器和发射极跟随器输出级,可准确跟踪磁通极微小的变化,工作电压范围:4.5 V～6.0 V,工作电流范围:9 mA～13 mA,典型静态输出电压VOUT=2.50 V(磁感应强度为零高斯,VCC=5.0 V),典型敏感度ΔVOUT=1.30 mV/G(B=0 G到±900 G),-3 dB带宽23 kHz,宽带内(10 Hz至10 kHz)输出噪声90 μV。检测电路中的单片机IC2为具有ADC和PWM功能的通用单片机,选用ATMEL公司的8引脚封装的8位高性能低功耗AVR单片机ATtiny13,片内含有4路10位ADC和两个8位PWM通道(ADC输入电压范围0～VCC),可通过SPI端口在系统可编程,满足本角位移传感器的功能要求。运放IC1B、电阻R1～R4组成一个减法电路用于对X方向的正交相关分量进行差分放大,运放IC1A、电阻R5～R8组成一个减法电路用于对Y方向的正交相关分量进行差分放大,令输入电阻R1=R2=R5=R6=RI、反馈电阻R3=R4=R7=R8=RF,则差分放大的增益为:

A=RF/RI

(8)

RI、RF的取值范围取决于磁敏元件HX1与HX2、HY1与HY2在最强磁场位置输出电压差的大小和单片机ADC输入电压范围大小,以保证在整个测量范围内检测信号不失真,同时充分利用ADC的转换分辨率。R12、R13是用于设置信号参考电压VREF的分压电阻,设X、Y方向的磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2的输出分别为:VHX1、VHX2、VHY1、VHY2;实际应用中,由于元器件参数存在一定的差异,会造成两个差分电路的输出不一致,两个差分电路的输出为:

(9)

图5所示电路中,R10为上拉电阻,电容C1解耦电容,C2旁路电容,电阻R9与电容C3、电阻R10与电容C4分别组成一个一阶低通滤波器用于滤出X方向、Y方向差分检测信号上的高频干扰,取R9=R10=R、C3=C4=C,该低通滤波器的截止频率为:

(10)

X、Y方向的检测信号经低通滤波后分别送单片机IC2的两个ADC输入端,单片机IC2对输入信号VX1-X2、VY1-Y2进行采样、抗混叠处理后计算得到被测转轴的角位移量为:

θ=arctan(VY1-Y2/VX1-X2)

(11)

为进一步提高传感器输出信号的抗干扰能力,单片机IC2将角位移θ转换成两路互补的PWM格式的数字信号通过连接件JK1的引脚3和引脚4输出。

图7 永久磁铁结构图

2.3 永久磁铁结构设计

永久磁铁是一个直径为D、厚度为H的径向磁化的(俯视:左侧→右侧)双极圆形磁铁,其结构如图7所示。永久磁铁的磁性材料优选稀土AlNiCo/SmCo5或NdFeB;厚度H≥2.5 mm,HX1、HX2、HY1、HY2的4个磁敏感点分布参考圆直径D1≤直径D≤磁铁最大可旋转参考圆直径D2;安装时,圆形磁铁的中心轴线要对准磁敏感点分布参考圆的圆心。取D1=8 mm、D2=14 mm,则永久磁铁的直径:8 mm≤D≤14 mm;磁敏元件感应的是永久磁铁的磁场垂直向量,磁铁表面与各磁敏元件表面之间的间距应根据磁敏元件的线性敏感度、永久磁铁的磁场强度等参数来选取,建议采用间距在0.3 mm至3.0 mm之间;若所要求的磁场强度能够保持在磁敏元件的线性敏感范围以内,尽可能采用更大的间距以减少制造误差、安装误差、使用误差等因素带来的影响。

2.4 传感器与被测件的连接体设计

传感器的联轴器及连接轴包括通过螺纹连接在一起的可调节联轴器和连接轴两部分,可调节联轴器由连接高压断路器操动机构转轴的联轴器输入端①、通过螺纹与连接轴连接的联轴器输出端②、适应不同大小被测轴的调节螺孔③、用于被测轴锁紧的可伸缩夹片④组成,连接轴由一根整轴通过机加工出与可调节联轴器连接的连接螺纹⑤、径向固定连接轴于传感器底座⑤的径向固定卡口⑥、用于固定永久磁铁的磁铁固定螺孔⑦而成。为适应高压断路器操动机构不同大小被测轴的监测,角位移传感器选用了三爪卡盘式联轴器,图8所示为联轴器及连接轴结构示意图。

图8 联轴器及连接轴结构图

图9 传感器输出连接示意图

2.5 传感器输出连接定义

传感器输出连接如图9所示,信号输出插座4是一个通过外螺帽固定于传感器上盖6的金属外壳五芯航空插座,五芯的信号定义分别是VCC、PWMA/MOSI、SCK、PWMB/MISO、GND,其中VCC、GND用于向传感器提供电源,工作电源的电压范围:4.5 V～5.5 V,通过五芯屏蔽电缆与监测装置或仿真器连接。信号输出插座4具有两方面的用途:①传感器的仿真、调试与编程,在该状态下,SCK为SPI接口的同步时钟,PWMA/MOSI为SPI接口的主输出从输入数据线,可通过上位机软件对传感器进行仿真、调试、参数设置、工作程序下载等操作;②传感器的供电与信号输出,在该状态下,SCK为无用,由PWMA/MOSI、PWMB/MISO输出一对互补的占空比与实时检测角位移θ成正比的PWM波形,以提高输出信号的抗干扰能力。

3 操动机构监测用角位移传感器的实现与测试

3.1 传感器电路调试

按照上述设计完成角位移传感器的制作,在无永久磁铁的情况下对图5所示电路进行测试。测试时,电路工作电压VCC=5.0 V,输入电阻R1=R2=R5=R6=300 kΩ,反馈电阻R3=R4=R7=R8=430 kΩ,取R12=R13=10 kΩ,则VREF=VCC/2=2.50 V;经多次测量并综合得到磁敏元件HX1、HX2、HY1、HY2的输出电压分别为VHX1=2.518 V、VHX2=2.491 V、VHY1=2.496 V、VHY2=2.509 V、VIC1A=2.495 V、VIC1B=2.537 V,按照电路参数和式(9)计算得两个差分电路的输出应为:

可见,实际测量值与式(9)的理论计算值基本一致。实际应用中,由于元器件参数存在一定的差异,会造成两个差分电路的输出不一致;调试时,需要根据测试结果来分别调整两个差分电路的输入电阻、反馈电阻的取值,以使其输出基本一致。图5所示电路中,按精度为1%的金属膜电阻标称值取电阻R1=R5=R6=300 kΩ、R3=422 kΩ、R4=R8=430 kΩ、R7=432 kΩ,实际测得VIC1A=2.499 V、VIC1B=2.501 V,满足角位移传感器的误差要求范围;取R9=R10=R=51 kΩ、C3=C4=C=0.1 uF,则低通滤波器的截止频率为31.2 Hz,用示波器观察可有效滤出X、Y方向检测信号上的高频干扰成分。

电路调试完成后,安装永久磁铁及其他零部件以形成传感器整体。通过传感器信号输出插座连接上位机,进一步对传感器进行仿真、调试、参数设置、工作程序下载等操作。本传感器角位移检测范围是:从0°到360°,单片机片内ADC为10位,故其角度检测分辨率是±0.352°。由于许多应用的检测范围都小于此范围(如:30°到150°、90°到270°等),为进一步提高PWM波形输出的精度,引入了最小检测角度θmin、最大检测角度θmax设置,以充分利用单片机IC2所能提供的8位PWM波形分辨率;首先设置单片机定时器/计数器控制寄存器TCNT0以确定PWM波形输出频率fPWM,然后根据最小检测角度θmin、最大检测角度θmax、实时检测角位移θ来设置输出比较寄存器OCR0A与OCR0B,使PWMA(单片机引脚4)、PWMB(单片机引脚5)输出占空比与实时检测角位移θ成正比的PWM波形。同时,在传感器的连接轴3上以机械方式限定连接轴的旋转范围在θmin～θmax之间。

3.2 传感器指标测试

为进一步研究角位移传感器的精度、线性度等技术指标,如下以一个检测范围为:30°～150°的角位移传感器测试为例,即θmin=30°、θmax=150°。图10 为PWM输出波形示意图,PWMA与PWMB为一对互补输出(即PWMB输出波形是PWMA输出波形的取反),图中,PWmin是最小检测角度θmin=30°的PWM输出波形,PWmax是最大检测角度θmax=150°的PWM输出波形;由图可知该角位移传感器PWM输出的角度分辨率是±0.469°,且输出分辨率随检测范围的减小而提高。

对角位移传感器每旋转递增15°测量记录1个角位移值,检测范围内1次共测量9个角位移值;重复10次前述测量,综合整理测试记录结果如表1所示。从表1可以看出,测量角度最大偏差为0.47°,其线性度为0.392。

图10 PWM输出波形图

旋转角度/(°)PWM输出值测量角度/(°)误差/(°)30130.470.47453144.53-0.47606560.470.47759675.000.009012990.470.47105160105.000.00120193120.470.47135225135.470.47150255149.53-0.47

4 总结

高压断路器操动机构在线监测用角位移传感器,主要由永久磁铁、磁敏元件与检测电路板、联轴器及连接轴、信号输出插座等部分组成;通过联轴器连接被测转轴进行非接触角位移检测,检测磁敏元件与电路安装在螺纹连接的传感器上盖与传感器底座形成的圆柱形密封金属壳体内,检测结果以一对互补的占空比与角位移θ成正比的PWM波形输出,有效抑制高压断路器运行工况下的强电磁干扰,使监测结果更加准确可靠。传感器在0°到360°检测范围内的检测分辨率是±0.352°,输出分辨率随检测范围的减小而提高,可适用于在有效调节范围内、规格不同的旋转轴;满足高压断路器操动机构的在线监测需要,与同等分辨率的其他传感器相比具有抗干扰能力较强、安装简单、成本低等优势,可应用于要求较高精度与可靠性的工程应用场合。