CN103412258A - 断路器分合闸弹簧超声监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所设计的一种断路器分合闸弹簧超声监测装置，包括压电振动传感器、前置放大器、高通滤波器、主信号放大器、整流滤波器、比较电路、输出电路、电脑、报警器和磁铁，其中，压电振动传感器的信号输出端通过前置放大器连接高通滤波器，高通滤波器通过主信号放大器连接整流滤波器，整流滤波器通过比较电路连接输出电路，输出电路连接电脑，电脑连接报警器，压电振动传感器通过磁铁吸附在安装有弹簧的断路器外壳上，断路器外壳和磁铁之间设有耦合剂涂层。本发明提出了利用声发射技术，在线监测断路器弹簧在发生疲劳断裂时产生的声波，从而达到弹簧故障预警的目的。

Description

断路器分合闸弹簧超声监测装置和方法

技术领域

本发明涉及电气设备故障在线监测技术领域，具体地指一种断路器分合闸弹簧超声监测装置和方法。

技术背景

高压断路器在电力系统中非常常见，它对电力系统起到控制和保护的作用，是电力系统极为重要的一次设备。断路器是电力系统的开关设备，当电力系统处于正常工作状态下，断路器处于静止状态，相比于其他系统设备，断路器不仅具有非常高的可靠性还要具有瞬动性，即当工作需要或事故发生时迅速动作，使电源设备接通或切断。断路器操动机构是断路器的核心部分，技术人员在长期的生产实践中发现，断路器操动机构的动作时间均会因疲劳老化、生锈以及变形等问题而发生改变，进而引发电网事故。

合闸弹簧是断路器操动机构的储能元件，是决定六氟化硫断路器性能的重要部件。有调查显示，合闸弹簧故障占到了断路器故障的很大比例。正常工作下，断路器合闸弹簧一直处于拉伸或压缩来储能的形变状态下，在进行断路器分合闸操作时，长期处于形变状态下的弹簧难免会产生疲劳效应，这样会导致分合闸弹簧拒动和误动现象，甚至发生合闸弹簧断裂等事故。近年来，我国不少省份都有因合闸弹簧性能劣化，而导致的断路器故障，甚至发生电网事故。当断路器工作时间不断增长，分合闸弹簧的性能会逐渐劣化，且断路器因弹簧疲劳产生的故障具有突发性。因此，对弹簧故障监测系统的研究，不仅对断路器安全甚至对整个电网安全都具有重要意义。目前，还没有对断路器分合闸弹簧进行监测的装置和方法，使断路器存在严重的安全隐患。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种断路器分合闸弹簧超声监测装置和方法，该装置和方法提出了利用声发射技术，在线监测断路器弹簧在发生疲劳断裂时产生的声波，从而达到弹簧故障预警的目的。

为实现此目的，本发明所设计的断路器分合闸弹簧超声监测装置，其特征在于：它包括压电振动传感器、前置放大器、高通滤波器、主信号放大器、整流滤波器、比较电路、输出电路、电脑、报警器和磁铁，其中，所述压电振动传感器的信号输出端通过前置放大器连接高通滤波器，所述高通滤波器通过主信号放大器连接整流滤波器，所述整流滤波器通过比较电路连接输出电路，所述输出电路连接电脑，所述电脑连接报警器，所述压电振动传感器通过磁铁吸附在安装有弹簧的断路器外壳上，上述断路器外壳和磁铁之间设有耦合剂涂层。

一种上述断路器分合闸弹簧超声监测装置的断路器分合闸弹簧超声监测方法，它包括如下步骤：

步骤1：断路器外壳上实时产生的振动信号通过耦合剂涂层和磁铁被压电振动传感器感应；

步骤2：所述压电振动传感器将感应到的振动信号转换成电振动信号，并输送至前置放大器；

步骤3：前置放大器将电振动信号放大为标准电平振动信号，并输送至高通滤波器；

步骤4：所述高通滤波器对标准电平振动信号进行滤波处理，除掉标准电平振动信号中的低频干扰，并输送至主信号放大器；

步骤5：所述主信号放大器对除掉低频干扰后的标准电平振动信号进行再次放大处理，并输送至整流滤波器；

步骤6：所述整流滤波器将交流的振动信号转换为直流的振动信号，并输送至比较电路；

步骤7：所述比较电路内预先设定断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围，当输送到比较电路内的直流振动信号在此预先设定的断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围内时，直流振动信号通过比较电路进入输出电路，当输送到比较电路内的直流振动信号不在预先设定的断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围内时，则认定直流振动信号受到外界振动干扰，信号传输被终断；

步骤8：所述输出电路将通过比较电路的直流振动信号传递给电脑；

步骤9：在所述电脑内对直流振动信号首先进行归一化和同步处理，再对上述进行了归一化和同步处理的振动信号进行包络提取，然后对上述包络提取后信号进行包络信号重构及连续的小波变换，然后对上述进行包络信号重构及连续的小波变换后的信号通过快速傅里叶变换进行包络线分析，然后将上述包络线分析得到的信号包络图谱与预先设定的断路器分合闸弹簧断裂临界状态超声图谱进行比较，当比较结果没有超出临界状态时，信号作废，不再向下一步骤进行传递，当比较结果超出临界状态时，电脑向报警器发出报警信号，最终由报警器完成报警。

本发明具有以下优点：

1）本监测装置和方法与高压电气设备没有电接触，对巡视和检测人员没有任何危害，安全可靠。

2）本发明的方法操作简单、价格低廉、易被操作人员所掌握，容易推广。

3）目前对断路器弹簧状态监测还没有有效的方法和监测设备，这一发明正好弥补了这一方面的空白。

4）本发明的方法不需要对断路器操动机构有任何改变，适用于各类型的断路器，适用范围非常广泛。

5）本发明的装置和方法可带电实时监测断路器弹簧状态，可实现带电操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1—压电振动传感器、2—前置放大器、3—高通滤波器、4—主信号放大器、5—整流滤波器、6—比较电路、7—输出电路、8—磁铁、9—弹簧、10—断路器外壳、11—耦合剂涂层、12—报警器、13—电脑。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

当断路器弹簧由于过度疲劳而产生断裂现象时，会伴随有声波信号的发出。通过检测声波信号达到预警故障的目的。断路器处于正常状态时，没有声波发出，当故障时，就会发出声波。具体地说，在断路器的外壳表面设置一个压电振动传感器，这样，弹簧发生故障时产生的声波通过断路器外壳10传递到压电振动传感器1。压电振动传感器1再将接收到的声信号转变成电信号并输送到检测设备，信号检测设备再将电信号放大，滤波之后再送到微机监控室的电脑13中，产生报警，从而提醒工作人员进行设备检查更换，达到保护电力系统安全运行的目的。

具体来说，如图1所示断路器分合闸弹簧超声监测装置，它包括压电振动传感器1、前置放大器2、高通滤波器3、主信号放大器4、整流滤波器5、比较电路6、输出电路7、电脑13、报警器12和磁铁8，其中，所述压电振动传感器1的信号输出端通过前置放大器2连接高通滤波器3，所述高通滤波器3通过主信号放大器4连接整流滤波器5，所述整流滤波器5通过比较电路6连接输出电路7，所述输出电路7连接电脑13，所述电脑13连接报警器12，所述压电振动传感器1通过磁铁8吸附在安装有弹簧9的断路器外壳10上，上述断路器外壳10和磁铁8之间设有耦合剂涂层11。

上述技术方案中，压电振动传感器1与断路器外壳10之间通过磁铁8连接，磁铁8能将超声波信号很好的由断路器外壳10传导到压电振动传感器1上，基本没有信号损失，并且超声波信号的实时性好。同时，采用磁铁8吸附的固定方式不会对断路器外壳10造成损坏，另外，采用磁铁8吸附的固定方式使得压电振动传感器1的拆卸和安装更加容易，使得技术人员对断路器分合闸弹簧的监控更加容易，并且磁铁8对断路器没有任何干扰。

上述技术方案中，压电振动传感器1的感应部分采用压电陶瓷晶片。所述压电陶瓷晶片的振荡频率范围在20～60kHz。上述压电陶瓷晶片采用圆片厚度弯曲振动的方式，这样压电振动传感器具有灵敏度高，不用铜线和磁铁，无磁场散播外溢，成本低，耗电少等优点。

上述技术方案中，所述耦合剂涂层11为锂基润滑脂层。该锂基润滑脂层的厚度范围为0.9～1.1毫米。上述设计的锂基润滑脂层能将分合闸弹簧产生的超声波很好的耦合到压电振动传感器1中，该锂基润滑脂层用来排除压电振动传感器1的探头和断路器外壳10之间的空气，提高了压电振动传感器1超声波检测的准确性。

一种利用上述断路器分合闸弹簧超声监测装置的断路器分合闸弹簧超声监测方法，它包括如下步骤：

步骤1：断路器外壳10上实时产生的振动信号通过耦合剂涂层11和磁铁8被压电振动传感器1感应；

步骤2：所述压电振动传感器1将感应到的振动信号转换成电振动信号，并输送至前置放大器2；

步骤3：前置放大器2将电振动信号放大为标准电平振动信号，并输送至高通滤波器3；

步骤4：所述高通滤波器3对标准电平振动信号进行滤波处理，除掉标准电平振动信号中的低频干扰，并输送至主信号放大器4；

步骤5：所述主信号放大器4对除掉低频干扰后的标准电平振动信号进行再次放大处理，并输送至整流滤波器5；

步骤6：所述整流滤波器5将交流的振动信号转换为相对较为平滑的直流振动信号，并输送至比较电路6；

步骤7：所述比较电路6内预先设定断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围，当输送到比较电路6内的直流振动信号在此预先设定的断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围内时，直流振动信号通过比较电路6进入输出电路7，当输送到比较电路6内的直流振动信号不在预先设定的断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围内时，则认定直流振动信号受到外界振动干扰，信号传输被终断；

步骤8：所述输出电路7将通过比较电路6的直流振动信号传递给电脑13；

步骤9：在所述电脑13内对直流振动信号首先进行归一化和同步处理，再对上述进行了归一化和同步处理的振动信号进行包络提取，包络提取过程通过希尔伯特变换实现。然后对上述包络提取后信号进行包络信号重构及连续的小波变换，然后对上述进行包络信号重构及连续的小波变换后的信号通过快速傅里叶变换进行包络线分析，然后将上述包络线分析得到的信号包络图谱与预先设定的断路器分合闸弹簧断裂临界状态超声图谱进行比较，当比较结果没有超出临界状态时，信号作废，不再向下一步骤进行传递，当比较结果超出临界状态时，电脑13向报警器12发出报警信号，最终由报警器12完成报警，值班人员发现故障警报时，及时作出相应的决策，能有效避免电网事故的发生。

说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种断路器分合闸弹簧超声监测装置，其特征在于：它包括压电振动传感器（1）、前置放大器（2）、高通滤波器（3）、主信号放大器（4）、整流滤波器（5）、比较电路（6）、输出电路（7）、电脑（13）、报警器（12）和磁铁（8），其中，所述压电振动传感器（1）的信号输出端通过前置放大器（2）连接高通滤波器（3），所述高通滤波器（3）通过主信号放大器（4）连接整流滤波器（5），所述整流滤波器（5）通过比较电路（6）连接输出电路（7），所述输出电路（7）连接电脑（13），所述电脑（13）连接报警器（12），所述压电振动传感器（1）通过磁铁（8）吸附在安装有弹簧（9）的断路器外壳（10）上，上述断路器外壳（10）和磁铁（8）之间设有耦合剂涂层（11）。

2.根据权利要求1所述的断路器分合闸弹簧超声监测装置，其特征在于：所述压电振动传感器（1）的感应部分采用压电陶瓷晶片。

3.根据权利要求2所述的断路器分合闸弹簧超声监测装置，其特征在于：所述压电陶瓷晶片的振荡频率范围在20～60kHz。

4.根据权利要求1所述的断路器分合闸弹簧超声监测装置，其特征在于：所述耦合剂涂层（11）为锂基润滑脂层。

5.根据权利要求4所述的断路器分合闸弹簧超声监测装置，其特征在于：所述锂基润滑脂层的厚度范围为0.9～1.1毫米。

6.一种利用权利要求1所述断路器分合闸弹簧超声监测装置的断路器分合闸弹簧超声监测方法，它包括如下步骤：

步骤1：断路器外壳（10）上实时产生的振动信号通过耦合剂涂层（11）和磁铁（8）被压电振动传感器（1）感应；

步骤2：所述压电振动传感器（1）将感应到的振动信号转换成电振动信号，并输送至前置放大器（2）；

步骤3：前置放大器（2）将电振动信号放大为标准电平振动信号，并输送至高通滤波器（3）；

步骤4：所述高通滤波器（3）对标准电平振动信号进行滤波处理，除掉标准电平振动信号中的低频干扰，并输送至主信号放大器（4）；

步骤5：所述主信号放大器（4）对除掉低频干扰后的标准电平振动信号进行再次放大处理，并输送至整流滤波器（5）；

步骤6：所述整流滤波器（5）将交流的振动信号转换为直流的振动信号，并输送至比较电路（6）；

步骤7：所述比较电路（6）内预先设定断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围，当输送到比较电路（6）内的直流振动信号在此预先设定的断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围内时，直流振动信号通过比较电路（6）进入输出电路（7），当输送到比较电路（6）内的直流振动信号不在预先设定的断路器分合闸弹簧正常工作和发生断裂时的振动信号范围内时，则认定直流振动信号受到外界振动干扰，信号传输被终断；

步骤8：所述输出电路（7）将通过比较电路（6）的直流振动信号传递给电脑（13）；

步骤9：在所述电脑（13）内对直流振动信号首先进行归一化和同步处理，再对上述进行了归一化和同步处理的振动信号进行包络提取，然后对上述包络提取后信号进行包络信号重构及连续的小波变换，然后对上述进行包络信号重构及连续的小波变换后的信号通过快速傅里叶变换进行包络线分析，然后将上述包络线分析得到的信号包络图谱与预先设定的断路器分合闸弹簧断裂临界状态超声图谱进行比较，当比较结果没有超出临界状态时，信号作废，不再向下一步骤进行传递，当比较结果超出临界状态时，电脑（13）向报警器（12）发出报警信号，最终由报警器（12）完成报警。

7.根据权利要求6所述的断路器分合闸弹簧超声监测方法，其特征在于：所述步骤9中，上述包络提取过程通过希尔伯特变换实现。

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