摘 要：研究开发了一整套新型二维光纤系统用于低压塑壳断路器开断过程电弧运动形态的测试。构成测试区域的每根光纤顶端均加装了自聚焦透镜，可有效解决观测区域重叠的问题，大大提高测量精度；电路设计采用全硬件控制逻辑，可自动完成多个通道（32路）的采样、转换及存储，与相应的缓存空间配合使用，使大量数据的同步实时高速采集过程不再受微处理器总线操作周期与容量的限制；软件系统采用发布-订阅的对象行为型设计模式实现了图形组态功能，增强了系统的适用性和灵活性。实验结果表明，在采用各种新的开断技术使低压塑壳断路器（MCCB）的性能更高、结构尺寸更加紧凑的情况下，该系统能够有效地直接观测开断电弧的运动形态，为研究和提高塑壳断路器的开断性能提供了更为先进的精确测试手段。
关键词：低压开关；电弧运动；光电测试
1 引言
低压塑壳断路器（MCCB）的开断性能很大程度上取决于开断过程中电弧能否顺利进入灭弧栅片。近年来，国外的一些研究机构使用了高速摄影机[1-2]和二维光纤阵列测试系统 [3-6]来直接对电弧的运动形态进行观察，这两种方法克服了以前研究中只能通过对开断过程中电弧电压与电流波形的分析来推测电弧是否进入灭弧栅片的不足之处。但采用CCD 数字式高速摄像机拍摄电弧需要在MCCB外壳上开较大的观察窗，并需要整体拆除灭弧室侧板，对断路器结构造成的破坏较大，因此其观察结果不能真实反映实际开断过程。而用光纤观察电弧运动可最大限度地减小对灭弧室结构的破坏。此外，高速摄像机的拍摄速度一般为104幅/s，而光纤测试系统的拍摄速度通常会高于这个速度，本文提出的光纤测试系统可达到106幅/s。
以气吹为主要特征的新一代MCCB，利用器壁产气材料在燃弧时产气，给予电弧以强大的驱动力，因而可使灭弧栅片间隙缩小，在同样的灭弧室尺寸下，栅片数可以增多（图1），因而使断路器具有更强的短路电流分断能力和更优越的限流特性，其结构上也更加紧凑，这也对电弧测试设备的精度和实时性提出了更高的要求。为了满足这种需要，本文采用光学研究领域的新技术产品¾¾自聚焦透镜[7]，解决了以往利用光纤对电弧运动形态的观察中存在的精度上的问题，同时有效的硬件设计也使系统能够达到目前国际上同类设备中的最高拍摄速度，此外，软件系统也为分析研究MCCB的开断性能提供了可视化和计算工具（图2）。
本文利用该系统对两种典型的MCCB产品开断性能进行了测试和分析。实验结果表明，该测试系统具有很好的性能，为新产品的研究开发提供了有效的实验手段。
2 自聚焦透镜简介
以往在利用光纤对电弧运动情况的观察中存在这样的问题：以不同入射角度入射光纤端面的光线均可以进入光纤并到达光电转换器件，这样，在距离较近的两个测试点之间将造成观测区域重叠的情况，不能正确反映被观察对象（图3a）。为了解决这一问题，国外文献中采取的办法是在光纤前端加装细长的不透明套管，使只有以接近垂直方向入射光纤端面的光线才能进入光纤（图3b），这种方法的缺点之一是针对不同的实验条件需要加工长短不同的套管，而无论套管的长度如何都不能完全使观察点的发散角为零，缺点之二是套管的长度对入射光强的衰减影响较大，且不易对这种影响作出定量的估计。在新一代MCCB产品灭弧室结构更加紧凑，栅片间距更小的情况下，上述解决方案越来越不能满足科研及生产设计的要求。基于此，通过采用在光纤顶端加装光学透镜的方法，获得了非常好的测试效果（图3c）。
采用离子扩散技术获得非单一折射率的透镜是光学研究部门近10年中才逐渐推向实用化的研究成果，与普通光学透镜最大的区别在于：普通光学透镜材料的折射率是单一的，依靠透镜的表面形状使光线发生折射而达到设计所需的光学性能；而非单一折射率的透镜则一般为圆柱体，其材料的折射率可按一定规律沿径向连续变化，光线通过透镜时能够按照设计要求连续弯曲最终获得所需的光学性能，与普通透镜相比，在性能上具有多方面的优点。
本系统使用的非单一折射率透镜的光学性能特点是在一定的焦深范围内（几毫米至几十毫米）仅使近似垂直于焦平面入射的光线在焦平面上形成聚焦，可使系统获得较以往小得多的观察发散角度，因其这一特点，该透镜被称为自聚焦透镜或准直透镜。在对MCCB电弧观察的实验条件下，可以认为其发散角为零。另外，由于其具有体积小（本文使用的规格为直径2.5mm），价格低等一系列的特点，因而在本测试系统的每根光纤顶端加装了一只这样的纤维透镜。
3 测试系统
测试系统由32路完全相同的最大采样频率为1MHz的高速数据采集通道组成，每个通道对应一个采集点，所有采集点处于同一平面内，32个采集点组成的阵列构成一个二维测量区域。系统利用光纤将测试点光照强度传送至以光电转换元件为核心构成的转换电路，由该电路将光照强度信号转换为与之对应的电压信号，经过AD转换后将各测试点光照强度随时间的变化情况保存，并在实验结束后将相应数据通过RS232串行通信口送至计算机。系统软件根据测试数据，用8种亮度不同的红颜色表示对应的光照强度，根据需要将测量区域内各点的光照强度随时间的变化过程以可调节的速度模拟再现出来，即可观察到整个开断过程中电弧的运动形态。
系统选择响应速度快的光敏二极管作为光电转换的核心元件。光敏二极管在反向施加一定电压的情况下，产生的反向光电流大小与其顶端采光透镜中通过的光强成正比例关系。通过使光电流通过一个采样电阻形成电压信号并经过线性放大，即得到可用于AD转换的电平信号。图4为光电信号的采集与放大原理。
观察电弧运动对每个观察点数据通道AD转换器的要求可概括为低精度、高频率。为了适用这个要求，系统AD转换器是一种位数较低的逐次比较实时转换器，图5为转换原理。转换电路由7个比较器和一个8-3编码器构成，输入信号分别与7个依次升高的标准电平比较，7个比较器的输出与“0”构成一个字节，经编码器后形成一个3位的转换结果。这个转换电路不需要任何控制信号，转换结果能够实时反映输入信号的变化，转换时间仅取决于各器件的响应时间的总和，对于系统实际选取的器件而言，转换时间为几十纳秒，满足最高采样频率的要求。
32路通道以1MHz的采样频率同时采集数据所要求的总线速度是现有的绝大多数计算机总线读写速度所不能满足的，因此系统中需要一定的动态存储空间实时存储采集信号的转换结果，并在数据存储完成后由单片机从存储空间中读取数据传输给PC机进行处理。
系统采用12块32k×8的ram作为数据存储空间。在数据写入过程中，ram以位扩展方式构成 32k×96的联结，每个采集通道占用3bit的数据宽度，32路采集通道正好占用96bit的整个数据宽度，整个存储空间共有32k数据地址，地址线宽度为15bit。而在数据的读取过程中，与单片机数据线宽度相对应，所有ram被分成两组，每组6片以地址扩展方式构成192k×8的联结。两组共384k数据地址，地址线宽度为19bit，其中最高位为组别选择控制，2-4位为每组中6片ram的片选地址，低15位为所有ram共有的片内地址线。
在实验条件下，开关电器的操作过程中往往伴随有无负载触点的通断转换，可以利用这些触点的开关状态的转换作为开始存储电弧光照强度数据的触发信号。触点切换时刻产生的阶跃脉冲经过去弹跳整形后，即可用于作为开始存储数据的触发信号，并可同时用于数据存储空间的两种不同结构的转换控制。在数据存储过程中，连续的存储地址由一个15位的二进制加法计数器产生，计数脉冲由晶体振荡电路提供，每个计数脉冲对应一个写入周期，其上升沿经过几十纳秒的延时之后作为写入周期的数据锁存信号。当全部存储空间记录满时，利用地址计数器的溢出信号结束数据写入过程，实验数据被存储。这个设计的特点是数据的写入过程是完全自动，不需要单片机参与控制，只要外部实验电路输入一个阶跃脉冲，电路就自动完成存储器扩展结构的转换和数据的写入过程，这样就解决了单片机总线周期不满足多通道大量数据高速存储的控制速度要求的问题。
系统软件在Windows操作系统下用VC++语言开发，软件具有图形组态功能，用户可方便地在显示器屏幕上绘制和编辑触头灭弧室系统的平面图形以及光纤的位置，通过属性的设置，使其能够正确地反映实际的试验过程。同时，为了对电压、电流、气压、位移等关键动态参数及它们之间的相互关系进行分析研究，利用示波器进行观测并记录，通过数据采集卡在PC机上生成电子数据表格文件。这样系统软件在读取、处理由光纤阵列得到的光强变化数据后，通过对上述参数数据的处理，就可使电弧运动的过程与上述参数同步地动态显示出来，以利于研究人员可以分析开断过程中各种动态参数的变化及其之间相互影响的关系。此外，在数据读取过程中，软件提供的交互界面可以让实验人员方便地设置通信口，读取数据段的起始结束地址，控制单片机进行复位操作，设置与实际测量相一致的数据采样频率等。在图形输入方面，软件系统可以和AutoCAD 2000接口，即可以读入AutoCAD 2000的图形文件。
4 实验方法与结果
利用上述测试系统对两种不同结构的MCCB产品电弧运动形态进行了观察，并与开断过程的电弧电压电流波形相结合，对二者的性能特点做出分析比较。实验采用如图6所示的振荡回路提供单相的模拟短路电流，预期短路电流RMS均为10kA，相应的电容器组充电电压为460V，测试系统用于开始记录数据的触发开关信号来自主合闸开关K1的一个常开辅助触点。实验中电弧电压的波形由高压探头测取，电弧电流波形由实验主回路中串接的分流器测取，并在实验结束后由示波器传送至PC，通过系统软件在显示器上与电弧的运动形态同步显示。
用于观察电弧运动的光纤安装方法如图7所示。观察孔均选择在栅片之间的投影位置，观察孔直径应小于栅片间距，并由MCCB的外壳一直穿透灭弧室侧板，这样才能观察到灭弧室内部栅片之间电弧的运动情况。所有的观察孔构成网格状排列，观察区域覆盖整个触头与灭弧室在侧壁的投影区域，即可观察到电弧的运动全貌。
为避免电弧的高温损坏光纤前端的自适应聚焦透镜和光纤本身，光纤并不插入观察孔，而是在光纤顶端的纤维透镜与MCCB侧壁之间安装一层透明的有机玻璃板，电弧光由透明有机玻璃板透出后通过透镜聚焦进入光纤。有机玻璃板外侧是活动光纤的定位模板，该模板是在绝缘板材上与观察孔分布完全相同的位置开设与光纤端部直径一致的定位通孔而成的，实验时将光纤插入定位孔，使其顶端的纤维透镜能够与相应的观察孔垂直正对。
图8和图9是对两种不同单断口结构MCCB（以下分别称为CB1和CB2）开断预期短路电流(RMS)过程观察的实验结果。图中圆点表示光纤安装位置，其颜色深度表示观察到的电弧光强度，颜色越深，表明光强度越大。CB1采用最新的气吹开断技术，一方面器壁材料产生气体，而且采用了特殊设计使开断过程中灭弧室与机构之间具有良好的气密性。CB2未使用气吹技术。实验结果可清晰显示出与这些设计相一致的性能特点。
从电弧运动的情况看，CB1由于采用了气吹技术，并且在结构上做了相应的特殊设计，更有利于吹弧，因此电弧在进入栅片后基本能够全部在栅片内稳定燃烧，仅在电弧电压达到最大值附近的短时间内发生过几次背后击穿。而CB2由于未使用气吹技术，结构上也没有气密性设计，仅靠磁吹，因此电弧在稳定燃烧阶段只有一部分进入到栅片。与之相一致，两者的电弧电压波形也有所不同。
CB1的电弧电压上升到最大值后，出现几次电压反复跌落升高的振荡，这个过程与观察到的发生电弧背后击穿的时间是一致的，说明电弧电压的波动是由于电弧的背后击穿引起。之后，电压在到电弧熄灭的一段时间保持平直，不随电流的变化而变化，说明电弧被栅片充分分割，电弧电压全部由串联短弧电压组成，这与观察到的电弧在栅片内稳定燃烧的情况相吻合。
CB2的电弧电压上升到最大值后，电流也到达峰值附近，之后，随着电流的减小，电弧电压也呈斜坡状有所下降。这一现象说明，电弧未能被栅片充分分割，电弧电压由两个部分叠加组成，一部分为串联短弧的近极压降，这一部分基本不随电流的变化而变化；另一部分为电弧拉长后沿电场强度方向的电位梯度积分，这部分的压降和电弧的长度及电流的大小成正相关的关系，因此，在电弧长度和电弧电流都达到峰值后，这一部分的电弧电压随着电流下降而下降，在总的电弧电压波形上形成一个坡度。这一特点与观察到的电弧未完全进入栅片稳定燃烧的情况也是相一致的。
从实验结果可以看出，通过测试系统直接观察到了电弧在整个开断过程中的运动情况，并捕捉到了瞬间发生的电弧背后击穿现象，说明自聚焦透镜的使用对提高成像质量具有显著的效果，测试系统的总体设计也是合理的。对于两种实验样品的比较可知，采用气吹技术的产品更有利于在开断过程中使电弧进入灭弧室栅片并在栅片内稳定燃烧，从而获得更强的开断能力及限流效果。
5 结论
（1）本文采用自聚焦透镜的二维光纤数字测试系统在观察原理上解决了光纤测试系统观测区域重叠的问题，大大提高了测试的精度。
（2）在电路设计上解决了多通道同步高速采样带来数据实时转换，高速自动存储等问题；同时软件具有图形组态功能，可随试验条件的变化灵活设置图形属性。
（3）实验表明，该系统对研究分析MCCB尤其是带气吹灭弧，结构更加紧凑的新一代MCCB的开断性能提供了先进的测量手段。
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