CN102589768A - 一种基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法 - Google Patents
一种基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，属光电子测量技术领域；装置包括光纤Bragg光栅位移传感器、光纤Bragg光栅压力传感器和隔离开关组成；光纤Bragg光栅位移传感器固定在隔离开关静触头触壁上，光纤Bragg光栅压力传感器固定在隔离开关弹簧外侧，利用公式
，实现对隔离开关触指压力的精确测量；本发明利用传感光栅对温度和压力响应的差异性，可实现对温度和压力的同时测量，具有较强的抗电磁干扰能力，实现对隔离开关的实时在线安全监测、精确测量，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，属光电子测量技术领域。
背景技术
高压隔离开关被广泛地用于电力系统，是电网运行设备中数量最多、最易失修的一次高压输变电设备，同时也是故障最多的一类输变电设备。其中由于触指压力不符合要求引发的高压隔离开关过热故障缺陷，更比比皆是。这是因为，隔离开关触指压力降低（触指压簧弹性减弱）， 主回路接触电阻就会增大，引起触头发热，触头发热后接触面氧化造成接触电阻进一步增大， 触头发热更厉害，形成恶性循环，严重时发生熔焊产生拉弧，引发事故。为此，国家电网生[2006]57号《交流高压隔离开关和接地开关评价标准》4（4）条将高压隔离开关触指压力测试列为了预防性试验项目；国家电网公司在《十八项电网重大反事故措施》11.12.2条、华中电网有限公司《预防高压开关设备事故措施》12.2条和《四川省电力公司反事故措施实施细则》6.12.2条中，均要求新安装或检修后的高压隔离开关开展触指压力测试。但由于没有专用测量工具和有效的测试方法，全国各地在高压隔离开关实际安装、检修及预试工作中，并没能开展起来，文件精神和要求也没有得到落实。
目前对触指压力测量方法有两种：一种是依靠检修人员的经验，比如数加力手柄摇动的圈数或用双手拉动剪力式开关的两臂来估计接触压力的大小，这种方法既不方便又不准确。另一种是模拟隔离开关动触头器件，将传感元件安装在模拟的隔离开关动触头上，在不通电的情况下将模拟动触头插入隔离开关动、静触头实际合闸位置，这样对隔离开关触指压力进行测量。这种测量方法必须要在断电的时候进行测量，而且测量的并不是真正的动触头合闸时所产生的触指压力，不能实施隔离开关触指压力的实时在线安全监测，不能及时的反映隔离开关触指压力的变化，不能精确的判断动触头合闸时的安全合闸位置。
发明内容
本发明一种基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，通过隔离开关合闸时，得到隔离开关动触头的位移量、隔离开关触指压簧处的压力和隔离开关触指所产生的挠度，从而实现对隔离开关触指压力的精确测量。
本基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，是按以下步骤进行：
（1）使用光纤Bragg光栅位移传感器、光纤Bragg光栅压力传感器和隔离开关组成 测量装置，将光纤Bragg光栅位移传感器固定在隔离开关静触头触壁上、光纤Bragg光栅压力传感器固定在隔离开关弹簧外侧；
（2）对隔离开关实施合闸动作，使位移传感器的动触头接触到隔离开关动触头，采用光谱分析仪检测位移传感器的光谱信号，进而得到位移传感器产生的位移量d；同时，使隔离开关触指和弹簧发生变形产生推力，进而使压力传感器得到压力信号，通过光谱分析仪检测压力传感器的光谱信号，得到隔离开关触指的挠度变化信号；
（3）根据步骤（2）测量得到的位移传感器的位移量d和压力传感器的波长移位差值 
，利用如下公式进行计算，得到隔离开关触指压力：
式中，E为等强度悬臂梁材料的杨氏模量，b 0 为等强度悬臂梁固定端的宽度，L、h分别为压力传感器中的等强度悬臂梁的长度和厚度，k是隔离开关弹簧的弹性系数，
为隔离开关触指的杨氏模量，
和
分别为隔离开关触指的宽度和厚度，
为压力传感器光纤Bragg光栅的中心波长，
为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值，
是应变敏感系数，X 是位移传感器所测量的位移传感器动触头顶端到隔离开关触指底部紧固端的初始相对距离，
是隔离开关静触头弹簧处到隔离开关触指底部紧固端的距离，d是位移传感器测得的位移量。
本方法在计算隔离开关触指压力时，隔离开关静触头上的触指可等效为等截面悬臂梁。
本发明使用中，在计算隔离开关触指压力时，隔离开关静触头上的触指可等效为等截面悬臂梁。
光纤Bragg光栅位移传感器可以采用已有的光纤Bragg光栅位移传感器和压力传感器；所述的光纤Bragg光栅位移传感器采用BGK-FBG-A3/A6型光纤光栅式位移计等具有相同功能的光纤Bragg光栅位移传感器。
所述的隔离开关为其触头类型类似于GW4、GW5、GW8、GW13等类型的隔离开关。
本发明的有益效果是：
1、利用粘贴于等强度悬臂梁上、下表面的传感光栅对温度和压力响应的差异性，可实现对温度和压力的同时测量。
2、由于光纤Bragg光栅是电绝缘材料，因此具有抗电磁干扰能力（EMI），光纤Bragg光栅传感器适用于强电磁干扰情况下的隔离开关触指压力测量。
3、可以实现对隔离开关触指压力实时在线安全监测，对进一步研究线接触压力和接触电阻之间的关系作有力的铺垫。
附图说明
图1为本发明中的结构示意图；
图2为本发明中的光纤Bragg光栅压力传感器的结构示意图；
图3为本发明中的隔离开关静触头上的触指等效等截面悬臂梁结构示意图。
图中：1-光纤Bragg光栅位移传感器、2-光纤Bragg光栅压力传感器、3-弹簧、4-隔离开关触指、5-隔离开关动触头、6-隔离开关触壁、7-垫圈、8-光纤Bragg光栅、9-螺钉、10-光纤Bragg光栅引出线、11-连接栓、12-隔离护垫、13-等强度悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以方便技术人员理解。
如图1所示：本基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，是按以下步骤进行：
（1）使用光纤Bragg光栅位移传感器1、光纤Bragg光栅压力传感器2和隔离开关组成 测量装置，将光纤Bragg光栅位移传感器1固定在隔离开关静触头触壁6上、光纤Bragg光栅压力传感器2固定在隔离开关弹簧3外侧；
（2）对隔离开关实施合闸动作，使位移传感器1的动触头接触到隔离开关动触头5，采用光谱分析仪检测位移传感器的光谱信号，进而得到位移传感器产生的位移量d；同时，使隔离开关触指和弹簧发生变形产生推力，进而使压力传感器得到压力信号，通过光谱分析仪检测压力传感器的光谱信号，得到隔离开关触指的挠度变化信号；
（3）根据步骤（2）测量得到的位移传感器的位移量d和压力传感器的波长移位差值
，利用如下公式进行计算，得到隔离开关触指压力：
式中，E为等强度悬臂梁材料的杨氏模量，b 0 为等强度悬臂梁固定端的宽度，L、h分别为压力传感器中的等强度悬臂梁的长度和厚度，k是隔离开关弹簧的弹性系数，
为隔离开关触指的杨氏模量，
和
分别为隔离开关触指的宽度和厚度，
为压力传感器光纤Bragg光栅的中心波长，为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值，
是应变敏感系数，X 是位移传感器所测量的隔离开关动触头到隔离开关触指底部紧固端的初始相对距离，
是隔离开关静触头弹簧处到隔离开关触指底部紧固端的距离，d是位移传感器测得的位移量。
在计算压力信号时，隔离开关静触头上的触指可等效为等截面悬臂梁。
本发明的数学模型如下：
当隔离开关进行合闸操作时，此时位移传感器测得的位移量为d，则得隔离开关动触头到隔离开关触指底部紧固端的相对距离D为：
其中，X 为位移传感器所测量的位移传感器动触头顶端到隔离开关触指底部紧固端的初始相对距离。
当隔离开关动触头进行合闸操作时，静触头的触指上的弹簧发生变形进而使等强度悬臂梁发生形变。根据胡克定律可知弹簧处的压力F 1 与弹簧的形变
的关系为：
其中，k是物质（隔离开关弹簧）的弹性系数。
等强度悬臂梁自由端的应变
与等强度悬臂梁自由端所受应力F 1 的关系为：
（3）
而静触头触指在弹簧出的挠度
为：
等强度悬臂梁的变形引起光纤Bragg光栅的形变，若测量过程中温度变化了
，则载荷和温度引起的光纤Bragg光栅的波长移位量
为：
其中，是光纤Bragg光栅的波长移位，
是应变敏感系数，
是温度敏感系数，
是中心波长，
是光纤Bragg光栅所受应变量，
是光纤Bragg光栅的温度变化量。
将等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两个初试波长相同的光纤Bragg光栅的波长移位相减，消除环境温度的影响：
（6）
其中，为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值，
和
分别为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位。
将（6）式代入（3）式得压力F 1 与波长移位差值
的关系为：
其中，L、h分别为压力传感器中的等强度悬臂梁的长度和厚度，E为等强度悬臂梁材料的杨氏模量，b 0 为等强度悬臂梁固定端的宽度，
为压力传感器中的光纤Bragg光栅的中心波长，
为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值；
将（2）式代入（7）式得：
将（2）式代入（3）式再代入（4）式得：
将（9）式代入（8）式得挠度
与波长移位差值的关系为：
将隔离开关静触头上的触指等效为等截面悬臂梁如图3，由移传感器的相对距离参数（D）、压力传感器的压力参数（F 1 ）和挠度参数（
），可得隔离开关触指上的F 1 受力处的挠度方程可表示为：
其中，F为隔离开关触指压力，
为隔离开关静触头弹簧处到隔离开关触指底部紧固端的距离，
为隔离开关触指的杨氏模量，I为隔离开关触指的惯性矩。
而隔离开关触指的惯性矩可表示为：
其中，和
分别为隔离开关触指的宽度和厚度。所以将（12）式代入（11）式得触指压力的表达式为：
（13）
根据（1）、（7）、（10）、（13）式得隔离开关触指压力表达式为：
光纤Bragg光栅位移传感器可以采用已有的光纤Bragg光栅位移传感器和压力传感器；所述的光纤Bragg光栅位移传感器采用BGK-FBG-A3/A6型光纤光栅式位移计等具有相同功能的光纤Bragg光栅位移传感器。
所述的隔离开关为其触头类型类似于GW4、GW5、GW8、GW13等类型的隔离开关。
为了更好地实现本方法，本发明还提供了一种压力传感器，如图2所示：压力传感器包括螺钉9、光纤Bragg光栅8、连接栓11、隔离护垫12、垫圈7、弹簧3、等强度悬臂梁13、隔离开关触指4、光纤Bragg光栅引出线10，利用螺钉9、连接栓11、隔离护垫12和垫圈7将等强度悬臂梁13固定作为等强度悬臂梁的固定端，等强度悬臂梁13与隔离开关触指4上的连接栓11连接并且与弹簧3和隔离开关触指4上的连接栓11上的螺钉9相抵。
所述的隔离开关是GW4、GW5、GW8、GW13等类型的隔离开关。
在具体实施中，可以按照如下的参数选择元件：
1、压力传感器的等强度悬臂梁，尺寸参数为：L=100 mm，h=2 mm，b 0 =50 mm；
2、位移传感器的位移为：d=20 mm，且位移传感器所测量的隔离开关动触头到隔离开关触指底部紧固端的初始相对距离为：X=100 mm；
3、隔离开关静触头弹簧处到隔离开关触指底部紧固端的距离为：
=50 mm
4、等强度悬臂梁，材料参数为：45#钢的杨氏模量为E=200 GPa；
5、隔离开关触指，材料参数为：铜的杨氏模量为=110 GPa，=5 mm，
=20 mm；
6、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长
=1550.000nm，应变敏感系数
；
7、隔离开关触指上弹簧的弹簧系数
N/mm
8、按附图1和图2配置实验；
9、用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
由式（14）可得传感器灵敏度为：
理论计算表明，本实施例的隔离开关中的隔离开关触指压力传感器的灵敏度为98.39 pm/N，因此，当光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1 pm时，该传感器隔离开关触指压力的分辨率为0.01 N。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (2)
1.一种基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，其特征是按以下步骤进行：
（1）使用光纤Bragg光栅位移传感器、光纤Bragg光栅压力传感器和隔离开关组成 测量装置，将光纤Bragg光栅位移传感器固定在隔离开关静触头触壁上、光纤Bragg光栅压力传感器固定在隔离开关弹簧外侧；
（2）对隔离开关实施合闸动作，使位移传感器的动触头接触到隔离开关动触头，采用光谱分析仪检测位移传感器的光谱信号，进而得到位移传感器产生的位移量d；同时，使隔离开关触指和弹簧发生变形产生推力，进而使压力传感器得到压力信号，通过光谱分析仪检测压力传感器的光谱信号，得到隔离开关触指的挠度变化而产生的压力传感器的波长移位差值 
；
（3）根据步骤（2）测量得到的位移传感器的位移量d和压力传感器的波长移位差值
，利用如下公式进行计算，得到隔离开关触指压力：
；
式中，E为等强度悬臂梁材料的杨氏模量，b 0 为等强度悬臂梁固定端的宽度，L、h分别为压力传感器中的等强度悬臂梁的长度和厚度，k是隔离开关弹簧的弹性系数，为隔离开关触指的杨氏模量，
和
分别为隔离开关触指的宽度和厚度，
为压力传感器光纤Bragg光栅的中心波长，
为等强度悬臂梁上、下表面粘贴的两光纤Bragg光栅的波长移位差值，
是应变敏感系数，X 是位移传感器所测量的隔离开关动触头到隔离开关触指底部紧固端的初始相对距离，
是隔离开关静触头弹簧处到隔离开关触指底部紧固端的距离，d是位移传感器测得的位移量。
2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅传感器的测量隔离开关触指压力的方法，其特征是：在计算隔离开关触指压力时，隔离开关静触头上的触指可等效为等截面悬臂梁。
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