CN101375359B - 状态把握装置以及具备该状态把握装置的开闭控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于得到一种能小型化、低价并且高精度的状态把握装置以及具备上述状态把握装置的开闭控制装置。本发明的状态把握装置设在具备固定铁芯、可动铁芯、电磁线圈、永磁铁的电磁操作装置上，把握上述电磁操作装置的状态，该状态把握装置具备：电流测定单元，测定流过电磁线圈的电流；磁通测定单元，测定固定铁芯内部的磁通；运算单元，运算表示来自电流测定单元的输出信号的时间变化的电流变化波形和表示来自磁通测定单元的输出信号的时间变化的磁通变化波形来生成运算波形；以及状态判定单元，求出运算波形的特征点，根据该特征点的信息判定电磁操作装置的状态。

Description

状态把握装置以及具备该状态把握装置的开闭控制装置

技术领域

本发明涉及一种把握例如通过电磁操作装置操作电力断路器等开闭装置的情况下的被操作机器的状态、或电磁操作装置的状态、或开闭装置的状态的状态把握装置。进而涉及具备该状态把握装置的开闭控制装置。

背景技术

作为计测断路器的状态量之一、即开闭接点的消耗量的计测装置，有如下装置：例如对连接于电磁致动器的可动子的驱动棒附加指标，用光学检测器检测其位置，检查由于节点消耗而引起的指标从初始位置的移动量(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：英国专利申请公开公报第2350724号公报(第5页第15行～第20行以及图4)

发明内容

现有的计测开闭接点的消耗量的计测装置是像以上那样构成的，所以，需要光学检测器从而装置变大。此外，需要光学地确定目标来捕捉指标，因此需要进行用于消除轴偏移等的调整。而且，由于接点的消耗量为数mm，所以上述调整需要以高精度来进行。进而，在两个三相断路器的情况下，光学检测器在一台致动器上需要6个检测器，从而装置有造价升高的问题。

本发明是为了解决上述问题而作出的，目的在于得到能小型化、低价且高精度的状态把握装置。此外，目的还在于得到具备这样的状态把握装置的开闭控制装置。

本发明的状态把握装置设置在具备固定铁芯、构成为相对于该固定铁芯可以移动的可动铁芯、由驱动用电源励磁并使上述可动铁芯移动的电磁线圈以及设置在可动铁芯的外周部的永磁铁的电磁操作装置上，并把握上述电磁操作装置的状态，该状态把握装置具备：电流测定单元，测定流过上述电磁线圈的电流；磁通测定单元，测定上述固定铁芯内部的磁通；运算单元，运算表示来自上述电流测定单元的输出信号的时间变化的电流变化波形和表示来自上述磁通测定单元的输出信号的时间变化的磁通变化波形，生成运算波形；以及状态判定单元，求出上述运算波形的特征点，根据该特征点的信息判定上述电磁操作装置的状态。

此外，本发明的开闭控制装置根据上述的状态把握装置得到的电磁操作装置的状态，判定故障的程度，进行与上述故障的程度相应的显示，并且控制重故障发生时的开闭操作。

根据本发明，具有如下效果：通过运算磁通变化波形与电流变化波形，能够得知可动铁芯的驱动特性，从而能够得到小型、低价且能够正确地把握电磁操作装置的状态、或由电磁操作装置操作的被操作机器的状态、或开闭装置的状态的状态把握装置。

此外，根据本发明，使用上述的状态把握装置进行与故障程度相应的故障显示，所以能够省掉定期的维护中的确认机器状态的作业，能够降低维护作业所需的费用。此外，控制严重故障发生时的开闭操作，故具有未然地防止由于被操作机器的动作不良引起的事故的发生的效果。

附图说明

图1是示出使用本发明的实施方式1的电磁操作机构的电力开闭器的概略结构图(断开状态)。

图2是示出使用本发明的实施方式1的电磁操作机构的电力开闭器的概略结构图(闭合状态)。

图3是示出本发明的实施方式1的电磁操作机构以及状态把握装置的概略结构图。

图4是说明本发明的实施方式1的状态把握装置以及开闭控制装置的动作的流程图。

图5是示出本发明的实施方式1的与可动子的位置对应的电磁致动器内部的磁通流的图。

图6是示出本发明的实施方式1的可动子从闭合状态向断开状态移动时的可动子位置、断开侧线圈电流以及磁通传感器的输出的特性图。

图7是说明本发明的实施方式1的状态把握装置的动作的图。

图8是示出本发明的实施方式1的可动子从闭合状态向断开状态移动时的可动子位置以及运算波形e、f的特性图。

图9是示出本发明的实施方式1的可动子从断开状态向闭合状态移动时的可动子位置、闭合侧线圈电流以及磁通传感器的输出的特性图。

图10是示出本发明的实施方式1的可动子从断开状态向闭合状态移动时的可动子位置以及运算波形g、h的特性图。

图11是说明本发明的实施方式1的运算波形f的特征点的图。

图12是示出本发明的实施方式1的磁通传感器输出与可动子的位置的关系的一个例子的图。

图13是示出本发明的实施方式2的电磁操作机构的概略结构图(闭合状态)。

图14是示出本发明的实施方式3的电磁操作机构的概略结构图(闭合状态)。

图15是示出本发明的实施方式4的电磁操作机构的概略结构图(闭合状态)。

图16是示出本发明的实施方式5的电磁操作机构的概略结构图(闭合状态)。

图17是示出本发明的实施方式6的可动子从闭合状态向断开状态移动时的可动子位置以及磁通传感器的输出的特性图。

图18是示出本发明的实施方式7的开闭控制装置的模块结构图。

附图标记说明

1：电磁操作机构；2a：闭合侧线圈；2b：断开侧线圈；3：可动子；4：轭；5：永磁铁；6a、6b：磁通传感器；7：电流传感器；8：磁通传感器插入孔；9：可动轴；10a、10b、11a、11b：搜索线圈；20：驱动电源；21：波形取得单元；22：存储单元；23：波形运算单元；24：状态判定单元；30：真空阀；31：绝缘杆；32：扫接弹簧(wipespring)；33：固定接点；34：可动接点；40：开闭控制装置；41：状态信息显示单元；42：状态信息发送单元；43：开闭指令发送单元；44：开闭指令控制单元；45：开闭指令输入单元；46：跳闸信号输入单元

具体实施方式

实施方式1

图1以及图2是示出使用本发明的实施方式1的电磁操作机构(电磁致动器)的电力开闭器的概略结构图，示出了通常有三相的电力系统的一相。此外，图1是断开电力系统的状态，图2是闭合的状态。

电力系统的开闭通过真空阀30内部的可动接点(被操作机器)34运动来进行。可动接点34的驱动利用电磁致动器1来进行。此外，在连接可动接点34与电磁致动器1的轴上配置用于使电磁致动器1与电力系统绝缘的绝缘杆31，并配置用于在可动接点34与固定接点33之间给予接触压力的扫接弹簧32。扫接弹簧32在压缩的状态下装入，并使其不伸长到一定长度以上地进行机械性固定。电磁致动器1根据来自外部的开闭指令信号，通过从电源电路20向电磁致动器1进行通电而进行动作。

通常，设定与可动接点34连接的电磁致动器1的可动子3的驱动距离L大于可动接点34的驱动距离K。因此，例如在从断开状态向闭合状态驱动的情况下，首先可动子3与可动接点34在连结的状态下向闭合状态移动，在可动子3与可动接点34移动了距离K的时间点，可动接点34接触固定接点33并停止，接下来，可动子3运动(L-K)的距离，扫接弹簧32收缩(L-K)的长度。这时，可动接点34以与扫接弹簧的收缩量(L-K)对应的弹簧力被压到固定接点33上。

此外，在从闭合状态向断开状态驱动的情况下，首先可动子3开始移动，伴随于此，扫接弹簧32拉伸。其间，可动接点34保持与固定接点33接触着停止。在可动子3移动了(L-K)的时间点，扫接弹簧32拉伸至最大长度，从该时间点开始可动子3与可动接点34连结地移动。将该时间点称为扫接完毕点。

图3是示出本发明的实施方式1的电磁致动器以及状态把握装置的概略结构的结构图，图3(a)是示出电磁致动器以及状态把握装置的结构的图，图3(b)是示出电磁致动器的轭(固定铁芯)的一部分的图，图3(b)是图3(a)的B-B线上的剖面结构图。

电磁致动器1由轭4、相对轭4可移动地构成的可动子(可动铁芯)3、由驱动用电源电路20励磁的闭合侧线圈2a以及断开侧线圈2b、设置在可动子3的外周部并使断开状态或闭合状态保持的永磁铁5、可动轴9、以及插入轭4内部的磁通传感器6a、6b构成。可动子3与可动轴9粘合，可动子3构成为在轭4的内部在可动轴9的轴方向上基本呈直线地运动。图3中，可动子3与轭4的真空阀侧(上侧)的端面接触。

电源电路20通过从外部供给的电源将电荷向内部的电容器(未图示)充电，根据从外部给出的闭指令信号或开指令信号，将充电的电荷对线圈2a或线圈2b进行一定时间的放电。

另外，在此处示出了将一次充入电容器的电荷进行线圈放电的方法，但也可以是将从外部电源供给的电流直接对线圈2a或线圈2b通电的方式。

磁通传感器6a、6b如图3(b)所示，插入设于轭4上的磁通传感器插入孔8。闭合侧磁通传感器6a以可动子3保持在闭合位置的状态，配置于永磁铁5的磁通通过的位置。断开侧磁通传感器6b以可动子3保持在断开位置的状态，配置于永磁铁5的磁通通过的位置。

磁通传感器6a、6b是霍尔元件或者在霍尔元件中装入校正功能的霍尔IC，从波形取得单元21供给电力，并且将在磁通传感器6a、6b的位置计测的磁通变换为电压或电流并输出。

波形取得单元21在从接受到开闭指令信号到电源电路20放电完毕的期间，以一定的采样间隔对该输出信号进行A/D变换并将变换后的磁通变化波形数据保存于存储器22。

另外，结束A/D变换的定时不需要与电源电路20放电完毕的定时严格一致，预先在波形取得单元21的内部决定即可。

电流传感器7是使用霍尔IC或分流电阻的直流电流传感器，但根据放电电流波形的条件，也可以使用CT方式的交流电流传感器。电流传感器7将从电源电路20流向线圈2a或线圈2b的电流值变换为电压或电流信号并输出。

波形取得单元21在从接受到开闭指令信号到电源电路20放电完毕的期间，以一定的采样间隔对该输出信号进行A/D变换并将变换后的电流变化波形数据保存于存储器(存储单元)22。

波形运算单元23从存储器22读出由波形取得单元21进行A/D变换后的磁通变化波形数据以及电流变化波形数据，通过后述的过程，进行上述磁通变化波形数据和上述电流变化波形数据的运算，生成运算波形数据。将生成的运算波形数据暂时保存至存储器22。

状态判定单元24根据保存于存储器22的运算波形数据、电流变化波形数据、以及磁通变化波形数据，计算致动器的驱动开始定时、扫接完毕定时、动作完毕定时、驱动速度等表示致动器的动作状态的数值数据(状态值)。进而，判定这些状态值是否在预先决定的状态值的正常范围内，并输出状态判定信号。

进而，根据判定结果，进行例如设置在开闭装置盘面、或者盘内的状态显示灯的点亮。此外，可以将状态判定结果通过接点信号、有线/无线的通信单元向受电设备的监视系统提交。

图4是说明本发明的实施方式1的状态把握装置以及开闭控制装置的动作的流程图，示出从闭合状态向断开状态移动的断开时的动作。如果在步骤S1中输入开指令信号，则在步骤S2～步骤S3中，电源电路20将向电容器充电的电荷向断开侧线圈2b进行一定时间的放电。另一方面，在步骤S4～步骤S7中，在波形取得单元21中，将来自电流传感器7以及磁通传感器6a、6b的输出信号以一定的采样间隔进行A/D变换，并将变换后的时间性变化波形数据保存至存储器22。在步骤S8～步骤S10中，在波形运算单元23中，读出存储在存储器22中的磁通变化波形数据和电流变化波形数据，根据距电流峰值位置一定时间前的区域s中包含的磁通变化波形数据和电流变化波形数据决定后述的系数α、β，生成运算波形。在步骤S11中将生成的运算波形保存至存储器22。在步骤S12中，在状态判定单元24中，从存储于存储器22的运算波形e提取致动器的动作开始点、扫接完毕点等特征点，在步骤S13中，利用该提取的特征点上的波形的值和时刻，根据运算波形f推定致动器的驱动速度。在步骤S14～步骤S16中，判定推定的驱动速度值是否在预先决定的正常范围内，并输出正常或异常的判定结果。

接下来，详细说明磁通传感器6a、6b测定的信号、以及来自磁通传感器6a、6b的磁通变化波形数据和来自电流传感器7的电流变化波形数据的运算方法。

图5(a)～(f)是示出与可动子3的位置对应的电流致动器内部的主要磁通流的图，图5(a)示出了闭合状态下的永磁铁产生的主要磁通流，图5(b)则示出了断开状态下的永磁铁产生的主要磁通流。此外，图5(c)～(f)示出了永磁铁5和断开侧线圈2b生成的磁通流。另外，磁通线是左右对称的，而在图中仅示出了右半边的磁通线。

如图5(a)所示，由于永磁铁5生成的磁通，保持与轭4的接触状态的力(保持力)对可动子3作用。在该状态下，对断开侧线圈2b在消除永磁铁5产生的磁通的方向上接通电流时，如果电流足够大，则永磁铁5产生的保持力消灭，由于线圈2b生成的磁通，可动子3向下方(断开方向)移动，接触于轭4的下侧的面(断开侧端面)。在这个状态下，由于永磁铁5产生的磁通，对可动子3产生保持力，以保持与断开侧端面的接触(图5(b))。在可动子3接触于断开侧端面的状态下，如果闭合侧线圈2a通电，则通过同样的动作，能够使可动子3向闭合侧移动并保持在该位置上(图5(a))。

在可动子3静止在闭合侧的状态下，并且在未进行对线圈2a、2b的通电的状态(图5(a))下，磁通传感器6a测定的是永磁铁5生成的磁通φ_PM。而实际上，除了φ_PM外还同时测定了由于轭4磁化而产生的磁通φ_y。φ_y的测定将后述。

如果对线圈2b通电，则如图5(c)的虚线所示，线圈2b生成的磁通φ_{c_1}、φ_c由磁通传感器6a、6b进行测定。

线圈2b生成的磁通流动的路径有两条：从轭4与可动子3的闭合侧端面(图中的上端面)的接触面通过可动子3的断开侧端面(图中的下端面)流向轭4的路径(φ_c～φ_{c_1})；和从轭4通过永磁铁5并通过可动子3的一部分回到轭4的路径(φ_c～φ_{c_2})。

在轭4与可动子3的闭合侧端面的接触面处，永磁铁5生成的磁通φ_PM的流动方向和线圈2b生成的磁通φ_{c_1}的流动方向反向。

在φ_c、φ_{c_1}、φ_{c_2}之间，有

φ_c＝φ_{c_1}+φ_{c_2}

的关系。

此外，在(φ_c～φ_{c_2})的路径上，永磁铁5与可动子3之间有空气间隙，永磁铁5自身也作为空气间隙而作用，所以有

φ_{c_1}＞φ_{c_2}

的关系。

在线圈2b生成的磁通分量中，由磁通传感器6a测定的分量是φ_{c_1}，由磁通传感器6b测定的分量是φ_c。

即使对线圈2b通电，在可动子3开始运动前的状态下，磁通φ_c、φ_{c_1}与对线圈2b的通电电流I成比例。

如图5(d)所示，如果由于线圈2b的通电电流增大而使可动子3开始运动，则磁通传感器6a测定的永磁铁5产生的磁通φ_{PM_2}随着可动子3的闭合侧端面与轭4之间的间隙展宽而开始减少。即，永磁铁5产生的磁通φ_{PM_2}的大小依赖于可动子3的位置，呈单调减少的特性。

而关于线圈2b生成的磁通，在通过传感器6a的φ_{c_1}中，在可动子3的断开侧端面和轭4之间、闭合侧端面和轭4之间始终有间隙，即使可动子3移动，断开侧和闭合侧的间隙的和也不变化，所以φ_{c_1}基于可动子3的位置的变化较小，变为与流向线圈2b的电流值成比例的大小。

而由断开侧的磁通传感器6b计测的磁通是永磁铁5生成的φ_{PM_1}与线圈2b生成的磁通φ_c的和。随着可动子3的移动，可动子3的断开侧端面与轭4之间的间隙变窄，所以磁通φ_{PM_1}呈单调增加的特性。

此外，φ_c的变动是重合了以下的效果而决定的：随着可动子3的移动轭4与可动子3的断开侧端面之间的间隙变窄所以φ_c增加的效果；和φ_c与线圈2b的通电电流成比例地变化的效果。但由于在从φ_c流向φ_{c_2}的磁通的路径上，永磁铁5始终作为空气间隙存在，所以可动子3的位置变动产生的φ_c的变化程度比φ_{PM_1}的变化程度小。

以上的说明是以轭4未磁饱和为前提的说明，而在磁饱和发生的情况下，上述的关系有时不成立。在通常的磁设计中，可动子3在轭4的断开侧或关闭侧接触的情况下，有时会引起磁饱和，但可以认为在可动子3移动的情况下不发生磁饱和。具体地，可以认为即使在图5(a)中一部分产生磁饱和，在图5(c)、(d)中也无磁饱和。

此外，图5(e)是紧接可动子3移动完毕之后的状态，在该时间点，仍在对线圈2b进行通电，线圈2b生成的磁通φ_c的方向和永磁铁5生成的磁通φ_PM的方向为同方向，所以有发生磁饱和的情况。

从可动子3的移动完毕时间点(图5(e))经过一定时间后(实际上是从对线圈2b的通电开始经过一定时间后)，对线圈2b的通电完毕，电磁致动器变为图5(f)的状态。在图5(f)中，在图5(c)到图5(e)之间，由于由线圈2b对轭4以及可动子3励磁的影响，在轭4以及可动子3上残留剩余磁化，由于该剩余磁化生成磁通φ_y、φ_{y_1}、φ_{y_2}。因此，磁通传感器6a计测磁通φ_{y_1}，磁通传感器6b计测永磁铁5生成的磁通φ_PM加上磁通φ_y后的值。

这样，由磁通传感器6a、6b计测的磁通变化是由可动子3的位置变化产生的分量和由线圈电流值I的变化产生的分量复合而成的。例如，由磁通传感器6a检测到的值φ_6a，作为依赖于可动子3的位置x的永磁铁的磁通φ_{PM_6a}(x)与依赖于可动子3的位置x和线圈2b的电流值I这两者的φ_{c_6a}(x，I)的和，可以写为

φ_6a(t)＝φ_{PM_6a}(x(t))+φ_{c_6a}(x(t)，I(t))   (1)。

这里，可动子3的位置x、线圈电流I分别依赖于时间t，所以记为x(t)、I(t)。

可以认为φ_{c_6a}(x，I)相对于电流值I存在比例关系，故可以改写为

φ_{c_6a}(x，I)＝Φ_{c_6a}(x)·k₁·I  (2)。

此处，k₁为比例系数。Φ_{c_6a}(x)是表示φ_{c_6a}相对于x的关系的函数。

φ_{PM_6a}和Φ_{c_6a}这两者都是表示可动子3与轭4的间隙的大小与通过该间隙的磁通的关系的函数，所以若能够以相同的函数近似，则可为

Φ_{c_6a}(x)＝k₂·φ_{PM_6a}(x)    (3)。

这里，k₂是比例系数。

由此，有

[式1]

φ_6a(t)＝φ_{PM_6a}(x)+k₂·φ_{PM_6a}(x)·k₁·I

φ_6a(t)＝φ_{PM_6a}(x)·(1+k₁·k₂·I)

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PM}\_6a}\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}_{6a}\left(t\right)}{(1+k_1\·k_2\·I\left(t\right))}---\left(4\right)$

若判断φ_{PM_6a}与x的关系式，则作为

[式2]

$x\left(t\right)={\mathrm{\φ}}^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{6a}\left(t\right)}{(1+k_1\·k_2\·I\left(t\right))}\right)---\left(5\right)$

能够求出可动子3的位置x与时间t的关系。

此外，如上所述，Φ_{c_6a}相对于x的变化与φ_{PM_6a}相对于x的变化相比足够小的情况下，Φ_{c_6a}相对于x可以近似为基本恒定，可记为

φ_6a(t)＝φ_{PM_6a}(x)+k₃·I    (6)。

这里k₃为比例常数。

其结果，式(5)变为

x(t)＝φ_{PM_6a} ^-1(φ_6a(t)-k₃·I(t))    (7)。

例如，如果φ_{PM_6a}(x)为一次函数，则可为

x(t)＝k₄(φ_6a(t)-k₃·I(t))+k₅    (8)。

这里，k₄、k₅为常数。

因此，取得可动子3从闭合位置向断开位置移动之际的、表示来自磁通传感器6a、6b的输出信号的时间性变化的磁通变化波形，同样地，取得表示线圈2b的通电电流的时间变化的波形(表示来自电流传感器7的输出信号的时间性变化的电流变化波形)，之后，通过对该磁通变化波形和电流变化波形进行适当的运算处理，能够从磁通变化波形消去电流变化分量，结果得到的波形成为表示可动子3的位置的时间变化的波形。

图6示出了可动子3从闭合位置向断开位置移动时的可动子3的位置(波形a)、磁通传感器6a的输出(波形b)、磁通传感器6b的输出(波形c)、以及断开侧线圈2b的通电电流(波形d1)的时间变化。在图6中，横轴是时间，左侧的纵轴是针对电流传感器7的输出信号的标尺，右侧的纵轴是针对磁通传感器的输出信号的标尺。另外，针对波形a的纵轴是表示可动子3的位置的标尺。

波形b从可动子3开始运动(时刻T2)到整个移动距离的1/3之处，单调变化，1/3以后输出则基本变平坦。这是由于伴随可动子3移动，永磁铁5生成的磁通在断开侧流动，而在闭合侧几乎不流动。

另一方面，波形c在整个工序中都是单调变化的。这是由于致动器在图7(a)的A部和B部中变为非对称的形状，所以即使可动子3从断开侧向闭合侧移动(图7(a)→图7(b))，A部的磁路的磁阻变大，所以在B部磁通φ_{PM_1}也继续流动。

作为在步骤S11中运算的运算例，图8示出了对电流变化波形乘以常数后从磁通变化波形中减去的结果。波形e是磁通变化波形b与对电流变化波形d1乘以系数α后的结果的差，波形f是磁通变化波形c与对电流变化波形d1乘以系数β后的结果的差。

此处，以可动子3开始运动前波形e以及波形f分别出现平坦区域s这样的条件来决定系数α、β。这是由于运算结果的波形e、f如式(1)、式(2)所示，必须表示可动子3的位置x和时间t的关系，所以可动子3开始移动前，波形e、f的时间变化应该没有，是以这样的理由决定的条件。这里，波形e、f具有平坦区域这样的条件，具体地说是决定α、β以使在区域s的范围内波形的时间变化变得极小。

此外，区域s的决定，可以考虑作为致动器固有的区域而预先决定的方法、作为距电流的峰值位置一定时间前的时间区域而定义的方式、根据磁通传感器的磁通变化波形推定的方式。

图8中，若比较运算波形e和表示可动子3的位置的波形a，则在从可动子3动作开始到动作的1/3左右的区域，得到了与表示可动子3的位移的波形a间的相关。特别是再现了可动子3开始运动的时间点(T2)、扫接完毕时间点(T5)。另一方面，虽然可动子3的动作开始时间点(T2)的灵敏度比运算波形e低，但运算波形f在整个行程得到了与表示可动子3的位移的波形a的相关。

此处，说明系数α、β的具体的决定方法。这里，在利用对电容器充电的电荷驱动线圈的方式中，根据线圈驱动电流的峰值位置决定平坦区域s的方式进行说明。

首先作为第1过程，决定平坦区域s(图4的步骤S8～步骤S9)。

在图8中，运算波形e、f在紧接放电开始(时间点T0)之后值急剧地发生了变动，其后出现了平坦的区域s。致动器的轭4在静止状态下由于永磁铁5生成的磁通而磁饱和。放电开始后，线圈生成的磁通在消除永磁铁5生成的磁通的方向上发生。放电电流上升，从轭4内部的磁饱和状态解除的时间点到可动子3开始运动的时间点之间，对于线圈电流值I与磁通传感器的测定值B，I∝B的关系成立。可以认为上述的平坦区域s是磁饱和解除的时间点到可动子3开始动作的时间。磁饱和解除的时间点由致动器1的结构与线圈电流值大致决定，所以在相同结构的开闭装置中是基本相同的时间点。因此，如果预先计测磁饱和解除的时间点，作为T1保存至存储器22，则能够决定平坦区域s的起始的时间点。此外，如前所述，由于饱和解除的时间点由线圈电流值来决定，所以图6中可以将线圈电流值I等于预先决定的一定值Ix的时间点作为平坦区域s的起始的时间点T1。

接下来，为了决定平坦区域s的终止的时间点(可动子3开始运动的时间点)T2，检测电流峰值时间点T3。线圈驱动电流一般具有图6所示的波形d1。从电容器的放电开始时间点T0开始，线圈电流以电容器的静电电容C与线圈的电感L决定的时间常数增加，但如果致动器的可动子3开始运动，则电感L急剧增加，所以限制了线圈电流。由此，电流变化波形d1具有图6中可见的峰值。可动子3开始运动的定时是在电流峰值时间点之前，但如果是相同结构的致动器，则电流峰值时间点与可动子3的动作开始时间点呈基本一定的时间间隔。因此，如果预先测定这个时间间隔并作为ΔT保存至存储器22，则能够根据电流峰值时间点T3将可动子的动作开始时间点T2作为(T3-ΔT)来推定。

另外，作为电流峰值时间点的推定方法，对电流值变为最大值的时间点附近的变化波形数据进行二次函数近似，将近似函数取极值的时间点作为峰值时间点。但如果电流传感器的输出的噪声分量足够小，则可以将电流值变为最大的时间点原样地作为峰值时间点。

此外，在对电流变化波形数据进行平滑处理后的数据中，可以将变为最大值的时间点作为峰值时间点。

此外，由于致动器的结构、电容器电容，第1电流峰值时间点之后，有时出现第2电流峰值，有时第2电流峰值比第1电流峰值还大。这时，设第1电流峰值为电流峰值时间点。

作为第2过程，在平坦区域s、即从T1到T2(＝T3-ΔT)的时间区域中，针对以下的式(9)、(10)表示的σ_b、或者式(11)、(12)表示的σ_c的值，依次变化α或β来评价值，求出σ_b或σ_c变为最小的α、β的值(图4的步骤S10)。

[式3]

$\mathrm{\σb}=\underset{\left(s\right)}{\mathrm{\Σ}}{\{(b_k-\mathrm{\α}\·I_k)-\stackrel{\‾}{\mathrm{Sb}}\}}^2---\left(9\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Sb}}=\frac{\underset{\left(s\right)}{\mathrm{\Σ}}(b_k-\mathrm{\α}\·I_k)}{M}---\left(10\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{Sc}}=\frac{\underset{\left(s\right)}{\mathrm{\Σ}}({-c}_k-\mathrm{\β}\·I_k)}{M}---\left(11\right)$

$\mathrm{\σc}=\underset{\left(s\right)}{\mathrm{\Σ}}{\{({-c}_k-\mathrm{\β}\·I_k)-\stackrel{\‾}{\mathrm{Sc}}\}}^2---\left(12\right)$

此处，b_k、c_k、I_k是以一定的采样周期进行A/D变换并保存至存储器22的磁通传感器6a、6b的变化波形数据、以及电流传感器的变化波形数据。各传感器的采样周期是共同的，数据数各为N个。此外，

[式4]

$\underset{\left(s\right)}{\mathrm{\Σ}}$

表示在上述采样的数据之内取包含在区域s中的数据的和。进而，M是在采样的各传感器的变化波形数据中包含在区域s中的数据的个数。

另外，在上述式(11)、(12)中，对磁通数据c_k附加负号是补偿磁通传感器6a与磁通传感器6b的方向的不同，如果把一个磁通传感器的方向反转180度，则不需要添加负号。

进而，用该α、β如下计算运算波形e、f(图4的步骤S11)。

e_i＝b_i-α·I_i     (13)

f_i＝-c_i-β·I_i    (14)

此处，b_i、c_i表示变化波形数据的第i个采样数据，1≤i≤N。

图9示出了可动子3从断开位置向闭合位置移动时的可动子3的位置(波形a)、磁通传感器6a的输出(波形b)、磁通传感器6b的输出(波形c)、以及闭合侧线圈2a的通电电流(波形d2)的时间变化。图9中，横轴是时间，右侧的纵轴是针对电流传感器7的输出信号的标尺，左侧的纵轴是针对磁通传感器的输出信号的标尺。另外，针对波形a的纵轴未示出，是表示可动子3的位置的标尺。

关于这些波形a、b、c，与上述相同，使用这些波形数据，根据可动子3开始运动前波形具有平坦区域这个条件，决定电流变化波形的运算系数γ、δ，如下计算运算波形g、h。

g_i＝b_i-γ·I_i     (15)

h_i＝-c_i-δ·I_i    (16)

图10示出了运算磁通变化波形和电流变化波形而得的运算波形g、h。运算波形g以及运算波形h从可动子3开始运动的时间点到动作完毕得到与可动子3的位置间的良好的相关。

接下来，详细说明根据运算波形数据进行表示开闭装置的状态的参数、即可动子3的驱动速度的计算和状态判定的过程。

首先，说明断开动作时(图4的步骤S12～步骤S16)。在第1过程中，参照运算波形e，根据该波形数据搜索图11所示的3个特征点P4、P5、P6，计算T4、T5、T6。特征点P4是在平坦区域s之后值急剧开始下降的点，是表示可动子3的动作开始时间点T4(与T2一致的时间点)的点。特征点P5是T4以后单调减少的波形转为暂时增加的点，是与扫接弹簧完毕点T5一致的时间点。特征点P6是T5以后转为减少的波形再度转为增加的点，与可动子3的驱动完毕点T6一致。

另外，特征点P5以及特征点P6根据开闭装置的结构的不同，有时不作为从减少转为增加的点出现，而是作为拐点即斜率急剧变化的点出现。作为搜索这样的特征点的方法，有与电流峰值点的检测方法同样地将极大、极小值作为特征点的方法、和将波形的2阶微分值的绝对值超过预先决定的阈值的点作为特征点的方法等。

在第2过程中，参照波形f，求出相当于上述T4以及T6的时间的波形f的值f_t＝T4以及f_t＝T6，取各值的差。在波形f与行程波形a近似地一致的情况下，该差相当于可动子3的驱动距离L。即，用修正系数ε，可得

L＝ε·(f_t＝T4-f_t＝T6)   (17)。

可动子3的驱动距离L在同形状的开闭装置中为基本一定的值，所以若计算波形f的差，则作为

[式5]

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L}{(f_{t=T6}-f_{t=T4})}---\left(18\right)$

可以求出修正系数ε。

用该修正系数ε，进一步修正波形f，作为

F_i＝ε·(-c_i-β·I_i)   (19)

重新求出运算波形F。

在第3过程中，根据波形F在T5处的值和T5+ΔT7处的值的差来计算可动子3的断开时的驱动速度v。ΔT7是预先决定的固定值。

[式6]

$v=\frac{F_{t=T5+\mathrm{\ΔT}7}-F_{t=T5}}{\mathrm{\ΔT}7}---\left(20\right)$

另外，此处将扫接完毕时间点T5作为基准求出速度，但也可以将特定的时刻或特定的波形F的值作为基准点求出速度。

在第4过程中，比较速度v与预先决定的速度的下限值、上限值，在速度低于下限值的情况下和超过上限值的情况下，判定速度异常，向外部装置输出异常判定信号。

闭合动作时也一样，可以根据图10所示的运算波形g、h进行表示开闭装置的状态的参数、即可动子3的驱动速度的计算与状态判定。但是，根据图10所示的运算波形g、h难以计算扫接完毕点T5，但通过检测可动子的驱动开始点T4以及驱动完毕点T6，与断开动作时基本一样，可以从

[式7]

$t=\frac{L}{(g_{t=T6}-g_{t=T4})}---\left(21\right)$

$u=\frac{L}{(h_{t=T6}-h_{t=T4})}---\left(22\right)$

求出针对运算波形g以及运算波形h的各修正系数t、u。

此外，利用该修正系数t、u，重新将运算波形G、H作为

G_i＝t·(b_i-γ·I_i)        (23)

H_i＝u·(-c_i-δ·I_i)       (24)

求出，根据新的运算波形G、H，能够将特定的时刻或特定的波形F的值作为基准点进行闭合时的速度的计算。

比较得到的速度和预先决定的速度的下限值、上限值(一般是与断开时的值不同的值)，在速度低于下限值的情况下或超过上限值的情况下，判定速度异常，向外部装置输出异常判定信号。

如果断开动作时的可动子3的驱动速度下降，则通过扫接弹簧连结于可动子3的可动接点的驱动速度下降，在电力开闭装置中，断开时的电流断路性能下降。即，即使接点打开电弧电流也继续流动，即使发生事故时必须切断电力的状况下电流也不能切断，导致事故的扩大。因此，在检知到速度下降的情况下需要即刻实施维护。

如果闭合动作时的可动子3的驱动速度下降，则闭合时发生的电弧电流有可能导致电极熔敷，不能进行之后的断开动作。这种情况下也同样需要紧急的维护。

此外，在断开动作、闭合动作的任意一种情况下，驱动速度的降低都是由驱动机构上的机械性摩擦力上升或驱动电流量不足等引起的，可以认为是某些机器异常的征兆。这些异常与驱动机器的动作不良相联系的可能性较高，所以同样需要紧急的维护。

此外，在可动子3的驱动速度与预定的值相比过快的情况下，将成为驱动完毕时的机械性冲击变大、开闭装置的使用年限减少的主要原因。因此，当检测到速度超过的情况下，可以进行定期维护的提前实施或装置使用年限的重新评估等的对应。

另外，在上述实施方式中，示出了监视断开动作和闭合动作这两者的速度的例子。如果考虑机械性摩擦力在断开动作/闭合动作中是相同的程度，则只要仅观察一个的速度就能推定另一个的状态也相同，但在电气上断开与闭合独立的情况较多，也会有仅在断开动作/闭合动作的一个中发生异常摩擦力的情况。此外，由于在断开动作/闭合动作中速度的基准值不同等理由，优选两个都监视。

如上所述，根据本实施方式，根据运算磁通变化波形和电流变化波形得到的运算波形，能够得知可动子的驱动速度，根据该驱动速度能够把握致动器的状态、或者由致动器操作的可动接点的状态、或者开闭装置的状态，所以能得到小型、低价且正确的状态把握装置。

此外，在电流传感器7、磁通传感器6a、6b的灵敏度变化的情况下，例如，在将各传感器的灵敏度分别设为p、q、r而成为

I_i→p·I_i

b_i→q·b_i

c_i→r·c_i

的情况下，波形F变化为

F_i＝ε·(-rc_i-β·p·I_i)    (25)。

虽然能重写为

F_i＝ε₁·(-c_i-β₁·I_i)    (26)

但β₁和ε₁仅由在可动子3的驱动之前出现平坦区域这一条件、以及可动子3的驱动距离为L这两个条件决定，所以即使传感器的灵敏度变动，在求系数β和修正系数ε的时间点该变动被这些系数吸收，所以始终得到相同的结果。对于关于波形e、g、h、G、H的系数α、γ、δ以及修正系数t、u，也在求这些系数的时间点，其变动被这些系数吸收，所以始终得到相同的结果。

因此，通过使用本实施方式的状态把握装置，不需要电流传感器和磁通传感器的初始的校正试验，并且对于电流传感器以及磁通传感器的灵敏度的随时间变动也不受影响。

因此用低价的传感器也能进行精度良好的判定。

另外，在永磁铁生成的磁通和可动子3的位置的关系中，存在非线性的相关关系，例如有时呈图12所示的关系。在有这样的非线性的相关关系的情况下，例如即使可动子3从最初到最后以一定的速度运动，在例如以波形F为基础计算的速度中，也被计测为与可动子3开始运动附近相比，驱动完毕点附近的速度变慢。

因此，在计测扫接完毕点等特定的基准点的速度的情况下，可以通过使用该基准点上的速度修正系数z来变换为正确的速度。

另外，若以测定值为基准来决定速度的正常范围的定义，则不需要导入速度修正系数。

在整个行程都要计算正确的速度的情况下，需要与波形F对应的速度修正系数。具体地说，磁通传感器输出b与可动子3的位置x之间，有

x＝Y(b)    (27)

的关系式或近似的关系式的情况下，

[式8]

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂Y}{\∂b}\·\frac{\mathrm{db}}{\mathrm{dt}}---\left(28\right)$

db/dt为与根据波形F求出的速度对应的值，所以可以将

[式9]

$z\left(b\right)=\frac{\∂Y}{\∂b}---\left(29\right)$

定义为速度修正函数。

在难以生成x与b的近似式的情况下，也可以采取根据x与b的相关关系生成离散的速度修正系数数据y_j，并作为数据库保存于存储器22，在速度计算时使用存储器内的上述数据库的方法。

以上，作为状态值，叙述了使用可动子3的驱动速度的情况，而作为另外的状态量，也可以使用动作开始点上的线圈电流值。此外，也可以使用速度和动作开始点的线圈电流值这两者。

使用动作开始点的线圈电流值的情况与使用速度的情况的做法一样，导出运算波形e、f、g、h，计算各波形的动作开始点。在该时间点的电流值低于预先决定的下限值的情况或超过上限值的情况下，作为异常判定，向外部进行异常判定输出。

可动子3的动作开始时间点，是可动子3的保持力和线圈产生的电磁力平衡的点。因此，根据动作开始点的电流值能够得知可动子3的保持力。

动作开始点的电流值的降低表示保持力的降低，考虑到因接触面的异常、永磁铁的退磁而发生的情况，是开闭装置的误动作的原因。

检知保持力降低的征兆，通过实施驱动机构的维护可以将开闭装置的误动作防患于未然。

此外，动作开始点上的电流值的上升表示可动子3的保持力的上升，但保持力随时间的上升可以认为是静摩擦力的上升。静摩擦力的增大是引起致动器的动作不良的原因，所以通过判定静止摩擦力从基准值增大的征兆，在故障发生前实施维护，能够防止开闭装置的动作不良的发生。

另外，上述实施方式中示出了以下的例子：运算断开时的运算波形e、f和闭合时的运算波形g、h，利用根据运算波形e得到的特征点，通过运算波形f进行断开时的可动子的速度的计算，并且利用根据运算波形g、h得到的特征点，通过运算波形g、h进行闭合时的可动子的速度的计算，但所用的运算波形也可以是运算波形e、f、g、h中的一个。

此外，也可以利用多个运算波形求出断开时或闭合时的可动子的速度或者动作开始点的电流值，基于得到的速度或者动作开始点的电流值来把握开闭装置的状态。

此外，在上述实施方式中，在根据磁通变化波形和电流变化波形计算运算波形e、f、g、h时，使用了通过运算系数α、β、γ、δ使磁通变化波形和电流变化波形线性结合的运算式，但也可以使用在理论上导出的运算式计算运算波形。

例如，根据式(4)所示的

φ_6a(t)＝φ_{PM_6a}(x)·(1+k₁·k₂·I)

或根据式(1)、(2)求出的关系式

φ_6a(t)＝φ_{PM_6a}(x)+Φ_{c_6a}(x)·k₁·I      (30)

能够生成运算式。

实施方式2

图13是示出本发明的实施方式2的电磁致动器的结构图(闭合状态)。在轭4的内面侧实施槽加工，在这个槽加工部分装入磁通传感器6a、6b。

与图3(b)所示的实施方式1的结构相比，不再需要轭4的孔加工，因此能够低价地制造电磁致动器。

实施方式3

图14是示出本发明的实施方式3的电磁致动器的结构图(闭合状态)。磁通传感器6a、6b以贴在轭4的内表面侧的形状固定。

通过贴在轭4的角部分等磁通容易饱和的部分上，可以得到按照轭4内部的磁通测定的测定值。

由此不再需要轭4的孔加工，能够低价地制造电磁致动器。

实施方式4

图15是示出本发明的实施方式4的电磁致动器的结构图(闭合状态)。形成搜索线圈10a、10b分别以与线圈2a、2b重叠的形状卷成，得到与贯穿搜索线圈10a、10b的磁通变化率成比例的输出信号的结构。

通过对该输出信号进行积分可以求出贯穿搜索线圈10a、10b的磁通，可以得到按照在轭4内部插入磁通传感器6a、6b的情况的输出。

实施方式5

图16是示出本发明的实施方式5的电磁致动器的结构图(闭合状态)。形成搜索线圈11a、11b卷在轭4上，得到与贯穿搜索线圈11a、11b的磁通变化率成比例的输出信号的结构。

通过对该信号进行积分可以求出贯穿搜索线圈11a、11b的磁通，可以得到按照在轭4内部插入磁通传感器6a、6b的情况的输出。

实施方式6

在上述各实施方式中，通过运算磁通变化波形和电流变化波形来判定开闭装置的状态，但也可以根据磁通变化波形直接判定开闭装置的状态。在图17中，像磁通传感器输出波形b的t以及u、磁通传感器输出波形c的v那样，波形的曲率特征性变化的点与可动子的动作开始点、扫接完毕点、动作完毕点一致。

因此，通过只检测磁通传感器的信号，也能简便地得知可动子3的动作的特征性时间点，所以能够根据这些信息推定开闭装置的状态。

具体地说，将磁通传感器输出波形b、c的曲率特征性变化的时间点作为特征点求出，根据各特征点的时间间隔是否从标准值变动，可以推定开闭装置的状态。

实施方式7

图18是示出本发明的实施方式7的开闭控制装置的模块结构图。开闭控制装置40具有波形取得单元(AD变换器)21、存储单元(存储器)22、波形运算单元23、状态判定单元24、状态信息显示单元41、状态信息发送单元42、开闭指令发送单元43、开闭指令控制单元44、开闭指令输入单元45以及跳闸信号输入单元46。

构成为从开闭指令发送单元43能够对一个或多个驱动电源20发送开指令或者闭指令。开闭指令输入单元45从外部的控制装置接收针对各驱动电源的开指令信号或闭指令信号。开闭指令控制单元44根据输入到开闭指令输入单元45的开闭指令信号，指令从开闭指令发送单元43向各个驱动电源20发送开闭指令。此外，开闭指令控制单元44与发送开闭指令同时地或是经过一定时间后，对波形取得单元21指令AD变换的开始。驱动电源20在接收到开闭指令后对图3等所示的致动器1的线圈2a、2b进行一定时间的通电。

波形取得单元21读取从驱动电源20向致动器1通电的线圈电流值、以及来自内置于致动器1的磁通传感器(未图示)的信号，以一定的采样间隔重复所读取的值的AD变换，在进行了预定的采样次数或预定时间的变换后，结束AD变换，将取得的磁通波形数据以及电流波形数据保存于存储器22。

波形运算单元23在AD变换完毕后，进行磁通波形数据和电流波形数据的运算处理，并将运算波形数据保存至存储器22。

状态判定单元24在波形运算处理完毕后，读取保存于存储器22中的运算数据，计算可动子3的驱动速度、致动器保持力、致动器静止摩擦力等状态量，进行与预先保存于存储器22的各个状态量的基准值之间的比较，判定故障的程度。即，进行需要紧急维护的重故障状态、需要提前维修时间的轻故障状态、或是正常状态的判定，将判定结果保存至存储器22。

状态信息显示单元41根据状态判定单元24的判定结果，利用LED的点亮、显示器·监视器等进行与故障的程度相应的显示。

状态信息发送单元42通过接点信号、RS-422、网络功能，对外部控制机器进行状态信息的发送。

此外，开闭指令控制单元44在根据状态判定结果接收到下次的开闭指令的情况下，判定是否对开闭指令发送单元43发送指令。即，对在前次动作时进行了重故障判定的致动器，禁止开闭指令的发送。

通过进行这样的开闭控制，可以对开闭装置的动作不良引起的事故的发生防患于未然。

另外，在跳闸信号输入单元46接收到跳闸信号的情况下，无论故障是否是重故障状态，开闭指令控制单元44从开闭指令发送单元43发送开指令。这是由于在发生电力机器的事故的情况下优先进行事故阻断。

此外，对于处于重故障状态的开闭装置，在接收到跳闸信号的情况下，在开闭控制装置44中，通过进行对更上位的开闭装置发送跳闸信号或开指令的控制，能够防止事故的扩大。

Claims (7)

1.一种状态把握装置，设置在具备固定铁芯、构成为相对于该固定铁芯能够移动的可动铁芯、由驱动用电源励磁并使上述可动铁芯移动的电磁线圈以及设置在可动铁芯的外周部的永磁铁的电磁操作装置上，并把握上述电磁操作装置的状态，该状态把握装置的特征在于，具备：

电流测定单元，测定流过上述电磁线圈的电流；

磁通测定单元，测定上述固定铁芯内部的磁通；

运算单元，运算表示来自上述电流测定单元的输出信号的时间变化的电流变化波形和表示来自上述磁通测定单元的输出信号的时间变化的磁通变化波形，生成运算波形；以及

状态判定单元，求出上述运算波形的特征点，根据该特征点的信息判定上述电磁操作装置的状态。

2.根据权利要求1所述的状态把握装置，其特征在于，

运算单元利用使磁通变化波形和电流变化波形通过运算系数线性结合的运算式来生成运算波形。

3.根据权利要求2所述的状态把握装置，其特征在于，

运算单元将在可动铁芯的动作开始前运算波形具有平坦区域作为条件求出运算系数，决定运算式。

4.根据权利要求1所述的状态把握装置，其特征在于，

状态判定单元利用运算波形的特征点的信息进行可动铁芯的驱动速度的计算，根据上述驱动速度的值判定电磁操作装置的状态。

5.根据权利要求4所述的状态把握装置，其特征在于，

状态判定单元在永磁铁生成的磁通和可动铁芯的位置之间存在非线性的相关关系的情况下，基于上述相关关系求出速度修正函数，利用该速度修正函数修正特征点上的驱动速度。

6.根据权利要求1所述的状态把握装置，其特征在于，

状态判定单元根据运算波形的特征点求出可动铁芯的动作开始点，根据上述电流测定单元测定的、该动作开始点的电流值判定电磁操作装置的状态。

7.一种开闭控制装置，其特征在于，具有权利要求1所述的状态把握装置，根据由该状态把握装置得到的电磁操作装置的状态，判定故障的程度，进行与上述故障的程度相应的显示，并且控制严重故障发生时的上述电磁操作装置的开闭操作。

Images