专利名称：Gis隔离开关开距的光学测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及高电压测量技术领域，尤其涉及一种GIS隔离开关开距的光学测量装 置及测量方法。
背景技术：
GIS生产厂家目前提供的隔离开关开距的常规测量方法是机械法。因为隔离开关 结构原因，位移传感器只能通过操动机构或传动机构等与触头连接，属于一种间接测量方 法。由于操动机构或传动机构与隔离开关触头之间的非刚性连接，存在配合间隙、机械变形 和磨损等，因此机械法测量只能大概测出开距，测量误差达到l_2mm，无法满足更高精度开 距测量的要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种隔离开关开距的测量装置及测量方法，能够降低隔离开 关开距的测量误差。为实现上述目的，本发明提供了一种隔离开关开距的测量装置，包括激光源，安设在所述隔离开关的动导电管上，可随所述动导电管移动而移动；驱动所述激光源的驱动电路；光学聚焦装置，安设在所述隔离开关的外壳上，用于汇聚所述激光源发出的激 光；光电位置传感器(Position Sensitive Detector，简称PSD)，用于将经所述光学 聚焦装置汇聚的激光对应的位置的光信号转换成电流信号；光电适配电路，用于将所述光电位置传感器输出的电流信号转换成与所述隔离开 关的开距成比例的电压信号；数据记录及处理装置，用于记录所述电压信号，并根据所述电压信号计算出隔离 开关开距。为实现上述目的，本发明提供了一种采用前述测量装置测量隔离开关开距的方 法，包括光电位置传感器将经光学聚焦装置汇聚的激光对应的位置的光信号转换成电流 信号；光电适配电路将所述光电位置传感器输出的电流信号转换成与移动距离成比例 的电压信号；数据记录及处理装置记录所述电压信号，并根据所述电压信号计算出隔离开关开距。基于上述技术方案，本发明将激光源安装在动导电管上，通过激光源发射激光来 指示动导电管触头的位移，并利用光学聚焦装置缩小激光在PSD表面的移动范围，以便于 PSD的测量范围相匹配，通过PSD测量激光位置计算出动导电管触头的位移，实现隔离开关开距的测量，采用光学方式测量，测量精度更高，实测最大误差低于0. 5mm。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例的原理示意图。图2为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置的一实施例的结构示意图。图3为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例的光路示意图。图4为本发明中GIS隔离开关的整体结构示意图。图5为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例中激光源的安装示意图。图6为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例中光学聚焦装置的原理示 意图。图7为本发明光学测量方法的一实施例的流程示意图。图8为本发明GIS测量装置方法实施例的测量误差曲线。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。首先对本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置的测量原理进行说明。如图1所 示，为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例的原理示意图。本实施例中，测量装 置包括激光源1、驱动电路2、光学聚焦装置3、PSD 4、光电适配电路5和数据记录及处理装 置6。激光源1测量装置的激光源1被安设在隔离开关的动导电管12上，向光学聚焦装置 3发射激光，激光经光学聚焦装置3汇聚后照射到PSD4上，PSD 4将激光所照射位置的光信 号转换成电流信号，光电适配电路5将PSD 4输出的电流信号转换成与移动距离成比例的 电压信号，再由数据记录及处理装置6根据电压信号计算出隔离开关开距。下面以一台具体的252kV GIS为例，对本发明的技术方案进行具体描述。如图2所示，为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置的一实施例的结构示意 图，隔离开关包括静触头11和动导电管12，测量装置的激光源1被安设在隔离开关的动导 电管12上，可随动导电管12移动而移动。光学聚焦装置3安设在隔离开关的外壳上，包括 固定支架31和平凸镜32，平凸镜32固定在固定支架31上。固定支架31呈中空筒状，平 凸镜32固定在固定支架31的一端，可通过卡圈进行固定。PSD 4的感光面朝向平凸镜32， PSD 4的固定底座41固定在固定支架31的另一端。固定方式可采用螺母27旋紧的方式。 在固定底座41与固定支架31之间可以添加垫片42，通过垫片42来调节PSD的位置。如图3所示，为本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例的光路示意图。 固定支架31安设在隔离开关的观察窗33的法兰上，使激光源1发出的激光通过观察窗33 垂直射到平凸镜32。动导电管12上的激光源1发出激光7，该激光7垂直于观察窗水平射 出，当该激光7射到平凸镜32上时，该激光7发生折射而改变光路，改变光路后的激光7照 射在PSD 4的受光面上。平凸镜32使激光源1发出的激光7在有效开距范围内都能通过 折射最后照射在PSD 4的受光面上，只要激光照在PSD的有效感光范围内，经过PSD适配处 理都能得到准确的电信号。如图4所示，本发明中GIS隔离开关的整体结构示意图。从图上可以看出，在隔离 开关的侧面留了一个观察窗33，可以使激光从观察窗33内射出，通过测量激光的位置测量触头位置，整个测量装置固定在观察窗33的法兰上。如图5所示，本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例中激光源的安装示 意图。在隔离开关的动导电管12靠近静触头11 一侧的端部中安装一个激光源1，可发射激 光。激光源1后面可安放电池供电。激光源1随动导电管12移动。固定盖板21是支撑和 固定激光源1的固定架，并且可以封住动导电管12里面的激光源1和激光源电池M。固定 螺栓22把固定盖板21固定在动导电管12上。激光源1安装在激光源固定座23里面，螺 栓25把激光源固定座23和固定盖板21连成一体。固定盖板21、固定螺栓22、激光源固定 座23和螺栓25共同组成激光源固定装置把激光源1和动导电管12连接固定，并且可以横 向和纵向调节激光源1的位置和方向，保证激光源1发出的激光垂直于观察窗平面入射。如图6所示，本发明GIS隔离开关开距的光学测量装置实施例中光学聚焦装置的 原理示意图。通过调节PSD使其受光面和平凸镜的平面平行，并且PSD的中心和平凸镜的中 心在同一中心线上。如果忽略平凸镜厚度时，则可以近似认为光点在平凸镜上移动的距离 Sab与光点通过平凸镜汇聚后在PSD上移动的距离S。d是成比例的，具体关系式是k = Sab/f =S。d/v。d，其中f是平凸镜的焦距，^是？50到焦点的距离。由于隔离开关开距可能较大， 而PSD的测量范围有限，因此设置光学聚焦装置将激光汇聚后缩小移动范围，才能与PSD测 量范围匹配，实现隔离开关全开距测量的要求。如图7所示，为本发明光学测量方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，测 量流程具体包括步骤101、光电位置传感器将经光学聚焦装置汇聚的激光对应的位置的光信号转 换成电流信号；步骤102、光电适配电路将所述光电位置传感器输出的电流信号转换成与移动距 离成比例的电压信号；步骤103、数据记录及处理装置记录所述电压信号，并根据所述电压信号计算出隔 离开关开距。其中，步骤101中，当隔离开关开关一次时，激光源的位置随动导电管移动，激光 源所发出的激光经光学聚焦装置聚焦后射到PSD的受光面，且激光在受光面投射的光点在 受光面移动与激光源移动距离成比例的距离。如果激光源移动距离表示为Sab，则受光面上 光点移动距离表示为S。d，其中该比例满足关系式k = Sab/Scd = f/V。d，其中V。d表示PSD到 焦点的距离，可通过焦距减去平凸镜到PSD的距离获得，该V。d可通过垫片调整，f表示平凸 镜的焦距。PSD采集光点移动的起点坐标(Xl，yi)和终点坐标U2，y2)，并转换成电流信号。在步骤102中，光电适配电路将光电位置传感器输出的电流信号转换成与起点坐 标和终点坐标分别对应的电压信号，电压信号与移动距离成比例。光电适配电路将起点坐 标(Xl，Y1)和终点坐标(X2，I2)的电流信号转换成电压信号vx(l、Vy0, Vx、Vy。电压信号Vx(l、 1、1、\与？50上的坐标起点坐标(Xl，yi)和终点坐标(x2，y2)成比例关系，例如Imm对应 0. 5V，表示为系数a = 2。在步骤103中，所述数据记录及处理装置记录所述电压信号，并根据所述起点坐 标和终点坐标分别对应的电压信号、电压信号与移动距离的比例以及所述受光面投射的光 点移动距离与激光源移动距离的比例计算出所述隔离开关的开距。根据前面的参数表示，电压信号与移动距离的比例可设为a，受光面投射的光点移
6动距离与激光源移动距离的比例可设为k，为了计算方便和提高测量精度，可以通过调节 PSD的角度，使光点在受光面移动时，Vy的输出为0或者恒定值，这样就可以以Vx的变化来 确定光点移动的范围，所有的器件都调整好后，可以根据公式^tj = k* (Vx-V0) 计算出隔 离开关开距Sw，其中系数k = Sab/S。d = f/V。d，该数值可在安装测量装置时进行初调时计算 获得，其中a表示光点移动距离与电压信号之间的比例关系，也可以在初调时计算获得。通过上述操作，本发明利用激光源发射激光来指示动导电管触头的位移，并利用 光学聚焦装置缩小激光在PSD表面的移动范围，以便于PSD的测量范围相匹配，通过PSD测 量激光位置计算出动导电管触头的位移，实现隔离开关开距的测量，采用光学方式测量，测 量精度更高。如图8所示，为本发明GIS测量装置方法实施例的测量误差曲线。从图8中可以 看出，PSD在所关心的开距范围(0-50mm)内，线性度非常好。PSD输出和实际开距的比例为 k = -0. 2657V/mm0光路系统比较稳定，由于外界震动、温度变化等造成的变形，对成像影响 很小，因此这个值是可信的。截距为D = 4. 972V，此值可能会由于外界震动、温度变化等影响而变化，因而当长 时间不用或环境条件明显改变时，需要重新标定。在同等条件下，又进行了 8组测量。在测 量过程中，根据系统的测量原理，可能的误差类型主要包括1.系统误差此处主要是示波器通道的偏置、放大器的零偏，二者可以合并，而系 统误差主要表现为截距D的固定变化，通过标定可以消除。2.随机误差此处有PSD输出的误差，运算的误差。实际开距与光点位置χ的函 数关系未知、X与I1和I2的函数关系未知，只知道测量值X *与I1和I2的函数关系，因此很 难确定随机误差的分布函数。这里粗略估计随机误差满足正态分布。这样，真实值将由算 数平均值μ近似，误差将由标准差σ近似。3.过失误差由于粗心、操作失误等造成。由测量原理推断，光点位置χ不同，并不 影响标准差O，而只是影响均值μ。而数据量并不大，因此采用以下办法计算标准差σ 计算每个距离下(5个距离，每个距离8个数据)的均值μ，并把测量值减去对应 的P，得到偏差，这些偏差应该服从正态分布，其均值为0，标准差为0。这样，样本容量增 大为40。经计算，标准差σ为0. 1393。IOmm下的第5个数据，偏差较大，达到了 0. 4371，已 经大于3 σ，根据3 σ原则，这个测量值属过失造成，应该剔除。剔除过失误差后，重新计算，得到σ = 0. 1246,这个值对应的开距为0. 47mm,因 此，开距的实测最大误差低于0. 5mm，优于机械法测量开距的测量误差。本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过 程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序 在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、RAM、磁碟或者 光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽 管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然 可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发 明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
权利要求
1.一种隔离开关开距的测量装置，包括激光源，安设在所述隔离开关的动导电管上，可随所述动导电管移动而移动；驱动所述激光源的驱动电路；光学聚焦装置，安设在所述隔离开关的外壳上，用于汇聚所述激光源发出的激光；光电位置传感器，用于将经所述光学聚焦装置汇聚的激光对应的位置的光信号转换成 电流信号；光电适配电路，用于将所述光电位置传感器输出的电流信号转换成与移动距离成比例 的电压信号；数据记录及处理装置，用于记录所述电压信号，并根据所述电压信号计算出隔离开关 开距。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述激光源安设在所述动导电管靠近静触 头一侧的端部。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述光学聚焦装置包括固定支架和平凸镜， 所述平凸镜固定在所述固定支架上，所述固定支架安设在所述隔离开关的观察窗的法兰 上，使所述激光源发出的激光通过所述观察窗垂直射到所述平凸镜。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其中，所述固定支架呈中空筒状，所述平凸镜固定 在所述固定支架的一端，所述光电位置传感器的感光面朝向所述平凸镜，所述光电位置传 感器的固定底座固定在所述固定支架的另一端。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述光电位置传感器的固定底座与所述固 定支架之间还包括垫片，用于调节所述光电位置传感器的位置。
6.一种采用权利要求1 5任一所述测量装置测量隔离开关开距的方法，包括光电位置传感器将经光学聚焦装置汇聚的激光对应的位置的光信号转换成电流信号；光电适配电路将所述光电位置传感器输出的电流信号转换成与移动距离成比例的电 压信号；数据记录及处理装置记录所述电压信号，并根据所述电压信号计算出隔离开关开距。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述光电位置传感器将经光学聚焦装置汇聚的激 光对应的位置的光信号转换成电流信号的操作具体为当所述隔离开关开关一次时，激光源的位置随动导电管移动；所述激光源发出的激光经所述光学聚焦装置聚焦后射到所述光电位置传感器的受光 面，且所述激光在所述受光面投射的光点在所述受光面移动与激光源移动距离成比例的距 1 ；所述光电位置传感器采集所述光点移动的起点坐标和终点坐标，并转换成电流信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述光电适配电路将所述光电位置传感器输出的 电流信号转换成与移动距离成比例的电压信号的操作具体为所述光电适配电路将所述光电位置传感器输出的电流信号转换成与所述起点坐标和 终点坐标分别对应的电压信号，所述电压信号与移动距离成比例。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述数据记录及处理装置记录所述电压信号，并 根据所述电压信号计算出隔离开关开距的操作具体为所述数据记录及处理装置记录所述电压信号，并根据所述起点坐标和终点坐标分别对 应的电压信号、所述电压信号与移动距离的比例以及所述受光面投射的光点移动距离与激 光源移动距离的比例计算出所述隔离开关的幵距。
全文摘要
本发明涉及一种隔离开关开距的测量装置，包括激光源，安设在隔离开关的动导电管上，可随动导电管移动而移动；驱动激光源的驱动电路；光学聚焦装置，安设在隔离开关的外壳上，用于汇聚激光源发出的激光；PSD，用于将经光学聚焦装置汇聚的激光对应的位置的光信号转换成电流信号；光电适配电路，用于将PSD输出的电流信号转换成与移动距离成比例的电压信号；数据记录及处理装置，用于记录电压信号，并根据电压信号计算出隔离开关开距。本发明通过激光源发射激光来指示动导电管触头的位移，并利用光学聚焦装置缩小激光在PSD表面的移动范围，以便于PSD的测量范围相匹配，通过PSD测量激光位置计算出动导电管触头的位移，实现隔离开关开距的测量。
文档编号G01B11/02GK102072703SQ201010531820
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者刘北阳, 孙岗, 李志兵, 段韶峰, 王承玉, 詹花茂 申请人:中国电力科学研究院, 华北电力大学, 国家电网公司
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