CN104280680B - 一种非接触式测量断路器分断特性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非接触式测量断路器分断特性的装置及方法，包括依序连接的激光位移传感器、数据采集单元以及数据处理单元；激光位移传感器用于获取断路器分断时触头的动态直线位移，通过一定的三角函数转换，获得触头实际产生的机械运动信号，并将机械运动信号转变成模拟电信号；其中，机械运动信号为光信号；所述数据处理单元用于将数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出触头分断时的角位移、角速度和分断时间等变量，并分别绘制出角位移及角速度与时间相关联的曲线。本发明其安装方便，可避免安装过程中引进的测量误差，并且以非接触式方式直接测量动触头分断时的角位移及角速度等变量，从而可以从整体上掌握断路器的分断特性。
Description
技术领域
本发明涉及测量检测技术领域，尤其涉及一种非接触式测量断路器分断特性的装置及方法。
背景技术
塑壳断路器分断时，触头的运动是一种绕固定支点的转动的非直线运动，该运动方式给测量带来了很大的难度。为了对塑壳断路器分断过程中触头的角速度及角位移的测量，技术人员做了大量的研究工作，常用的测量方法是过对断路器进行改装，通过在动触头固定支架处，安装角位移传感器来测量分断过程中触头的角速度，另外一种分析方法，是在假设触头角位移和角速度为已知的条件下，利用转动惯量，描述各连接杆之间的转动惯量、角位移、角速度与动触头角位移及角速度存在的变换关系，以及各个机构在运动过程中的动态特性，其缺点在于：一、这种接触式角位移传感器不仅安装不方便，还会破坏断路器原装性，且在接触式测量中的安装过程会引进测量误差；二、定量分析转动特性的方法以基于动触头的动态特性已知为前提，并通过转动惯量等参数对断路器连接杆之间的变量进行换算，却无法直接测量动触头分断时的角位移、角速度和分断时间等变量。
鉴于传统的接触式测量方法存在的不足，迫切需要一种新的测量装置和方法来从整体上掌握断路器的分断特性。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种非接触式测量断路器分断特性的装置及方法，其安装方便，可避免安装过程中引进的测量误差，并且直接测量动触头分断时的角位移、角速度及分断时间等变量，从而可以从整体上掌握断路器的分断特性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种非接触式测量断路器分断特性的装置，其特征在于，包括激光位移传感器、数据采集单元以及数据处理单元；其中，
所述激光位移传感器与所述数据采集单元的输入端相连，其包括激光发射二极管、发射器透镜组、CCD以及接收器透镜组，用于获取断路器分断时触头的动态位移所产生的机械运动信号，并将所述机械运动信号转变成模拟电信号；其中，所述机械运动信号为光信号；
所述数据采集单元的输出端与所述数据处理单元的输入端相连，用于获取所述激光位移传感器输出的模拟电信号并转换成数字信号输出；
所述数据处理单元，用于将所述数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出所述触头分断时的角位移和角速度，并分别绘制出所述角位移与时间相关联的曲线及所述角速度与时间相关联的曲线。
其中，所述装置还包括带隔离的电压调理电路，所述带隔离的电压调理电路分别与所述断路器及所述数据采集单元的输入端相连，其包括电压互感器、第一运算放大器、第一电压负反馈电路以及第一低通滤波器；其中，
所述电压互感器的输入端与所述断路器相连，其输出端与所述第一运算放大器的第一输入端相连；
所述第一运算器放大器的第二输入端与所述第一电压负反馈电路的一端相连，其输出端与所述第一电压负反馈电路的另一端及所述第一低通滤波器的输入端相连；
所述第一低通滤波器的输出端与所述数据采集单元的输入端相连。
其中，所述装置还包括带隔离的电流调理电路，所述带隔离的电流调理电路分别与所述断路器及所述数据采集单元的输入端相连，其包括电流互感器、第二运算放大器、第二电压负反馈电路以及第二低通滤波器；其中，
所述电流互感器的输入端与所述断路器相连，其输出端与所述第二运算放大器的第一输入端相连；
所述第二运算器放大器的第二输入端与所述第二电压负反馈电路的一端相连，其输出端与所述第二电压负反馈电路的另一端及所述第二低通滤波器的输入端相连；
所述第二低通滤波器的输出端与所述数据采集单元的输入端相连。
其中，所述装置还包括与所述数据处理单元相连的显示单元。
其中，所述装置还包括与所述断路器相连的数控瞬时恒流源，所述数控瞬时恒流源用于提供所述断路器分段所需的短路电流或瞬时大电流。
本发明实施例还提供一种非接触式测量断路器分断特性的方法，其在前述的装置中实现，所述方法包括：
获取断路器分断时触头的动态位移所产生的机械运动信号，并将所述机械运动信号转变成模拟电信号；其中，所述机械运动信号为光信号；
获取所述模拟电信号并转换成数字信号输出；以及
将所述数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出所述触头分断时的角位移和角速度，并分别绘制出所述角位移与时间相关联的曲线及所述角速度与时间相关联的曲线。
其中，所述测量算法包括以下步骤：
a、设立两个基准测量点，并得到所述断路器闭合及分断时在所述两个基准测量点所产生的动态位移函数；
b、利用三角函数关系将所述得到的动态位移函数转换成动态角位移函数；
c、对所述动态角位移函数进行微分运算，得到所述断路器分断过程中动触头的角速度函数。
其中，所述方法进一步包括：
获取所述断路器输出的电压信号，将所述电压信号转变成低电压信号，并绘制出所述低电压信号与时间相关联的曲线。
其中，所述方法进一步包括：
获取所述断路器输出的电流信号，将所述电流信号转变成低电流信号，并绘制出所述低电流信号与时间相关联的曲线。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、在本发明实施例中，由于装置中采用非接触式的激光位移传感器，其安装方便，无需破坏断路器原装性，可避免安装过程中引进的测量误差，且接收触头运动过程中所产生的光信号(即机械运动信号)，从而能够对触头的运动轨迹进行准确测量及准确定位，并具有抗静电和抗杂散干扰能力；
2、在本发明实施例中，由于在所测量的触头的运动轨迹中设立两个基准测量点，以这两个基准测量点为参考依据，可直接测量触头分断时的角位移及角速度等变量，从而确定断路器的分断特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的非接触式测量断路器分断特性的装置的一结构示意图；
图2为本发明实施例提供的非接触式测量断路器分断特性的装置中测量算法应用坐标的示意图；
图3为本发明实施例提供的非接触式测量断路器分断特性的装置的又一结构示意图；
图4为图3中带隔离的电压调理电路的结构示意图；
图5为图4中带隔离的电压调理电路的电路应用的连接示意图；
图6为图3中带隔离的电流调理电路的结构示意图；
图7为图6中带隔离的电流调理电路的电路应用的连接示意图；
图8为应用场景中10A断路器分断过程中触头的动态特性的示意图；
图9为应用场景中16A断路器分断过程中触头的动态特性的示意图；
图10为应用场景中25A断路器分断过程中触头的动态特性的示意图；
图11为应用场景中三种不同电流断路器测试结果对比的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的非接触式测量断路器分断特性的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例中提供一种非接触式测量断路器分断特性的装置，包括激光位移传感器1、数据采集单元2以及数据处理单元3；其中，
激光位移传感器1与数据采集单元2的输入端相连，其包括激光发射二极管11、发射器透镜组12、CCD13以及接收器透镜组14，用于获取断路器分断时触头的动态位移所产生的机械运动信号，并将机械运动信号转变成模拟电信号；其中，机械运动信号为光信号；
数据采集单元2的输出端b与数据处理单元的输入端相连，用于获取激光位移传感器1输出的模拟电信号并转换成数字信号输出；
数据处理单元3，用于将数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出触头分断时的角位移和角速度，并分别绘制出角位移与时间相关联的曲线及角速度与时间相关联的曲线。
在本发明实施例中，激光位移传感器1输出电压范围为0～±10V，测量算法为通过激光位移传感器1测量触头的动态位移以及相关联的的动态位移函数，再利用三角函数关系将动态位移函数转换成动态角位移函数，通过对角位移函数进行微分运算，进一步得到断路器分断过程中触头的角速度函数，技术人员可根据动态角位移函数和角速度函数，得出在分断时间对应的角位移和角速度。
作为一个例子，对本发明实施例中非接触式测量断路器分断特性的装置的测量算法进一步说明：
如图2所示，O′为触头转动固定支点，O′F为动触头合闸时的位置，O′E为动触头分断后的位置。E′F(t)为触头的动态直线位移，是时间的函数，θ(t)为动触头的角位移函数。点E′是测量过程中光线与触头动态交点。
本发明实施例中在x轴的C、D处建立测量基准点，事先确定C与D的距离为5.693mm。触头闭合时，激光位移传感器在C、D两个位置的光线与触头分别相交于点G、F。触头分断后，激光位移传感器的光线与触头分别交于点A、E。因此，通过激光位移传感器在C、D基准点可以测量CA、CG、DF、DE的距离。BE、GK是求解所需要做的辅助线，其大小与CD相等。
首先，在ΔABE和ΔGKF中，通过股定理可以如下关系：
其中，AB＝AC-DE，FK＝DF-CG，BE＝GK＝CD＝5.963mm，从而可得到AE、GF的值。其次，由三角形相似原理，得到以如下的比例关系式:
由于AG＝CG-CA、EF＝DF-DE，从而通过式(4)和式(6)可求得O′E和O′F的值。
在ΔO′EF中，根据余弦定理可以得到如下的方程：
O′E2＝O′F2+EF2-2O′F·EF·cosα (7)
由于O′E由式(4)求得，O′F由式(6)求得，EF＝DF-DE，从而可求得cosα的值。在ΔO′E′F中，利用余弦定律可得到如下关系：
O′E′(t)2＝O′F2+E′F(t)2-2·O′F·E′F(t)·cosα (9)
因而
由于cosα已由式(8)求得，O′F由式(6)求得，E′F(t)为传感器输出的动态直线位移，从而通过式(10)可求得O′E′(t)。在ΔO′E′F中，利用余弦定理可以得到如下的关系：
E′F(t)2＝O′F2+O′E′(t)2-2·O′F·O′E′(t)·cosθ(t) (11)
因而
其中，O′F由式(6)求得，E′F(t)为传感器输出的动态直线位移，O′E′已由式(10)求得，从而，利用式(12)可以得到cosθ(t)的值。通过对式(12)进行反三角函数转换，得到如下的关系：
从而可以将激光位移传感器测得的直线位移转换成角位移。最后，对式(13)进行求导后得到如下所示：
其中，ω(t)为角速度函数，从而可得到断路器分断过程中的角速度，实现其非接触测量的目的。
作为另一个例子，数据处理单元3为可执行程序的处理器，其采用图形化编程开发工具软件lab view，采用数据流的方法来描述程序的执行；首先通过初始化设置相关的参数；其次，定义并创建所保存数据的Excel文件，并设定保存路径；再次，启动数据采集，停止后，显示波形并保存文件。利用式(13)求得断路器分断过程中触头的角位移，根据式(14)的微分运算，可以得到分断过程中触头的角速度；最后，通过MATLAB将Excel表中所存的电压信号、电流信号以及经过式(13)、式(14)计算后的角位移和角速度绘制成曲线图。
应当说明的是，数据采集单元2为可实现AD数模转换的数据采集卡，在数据采集单元2采集角位移和角速度相关数据的同时，也会获得触头的动态位移所对应的分断时间以及电弧燃弧时间等相关数据，从而确定在分断时间内每一时刻对应的角位移和角速度。
为了防止数据采集单元2过压，数据采集单元2的输入端接入带隔离的电压调理电路4进行信号的调理，因此该装置还包括带隔离的电压调理电路4(如图3所示)，带隔离的电压调理电路4分别与断路器及数据采集单元2的输入端相连，如图4所示，带隔离的电压调理电路4包括电压互感器41、第一运算放大器42、第一电压负反馈电路43以及第一低通滤波器44；其中，
电压互感器41的输入端与断路器相连，其输出端与第一运算放大器42的第一输入端U11相连；
第一运算器放大器42的第二输入端U12与第一电压负反馈电路43的一端相连，其输出端U13与第一电压负反馈电路43的另一端及第一低通滤波器44的输入端相连；
第一低通滤波器44的输出端与数据采集单元2的输入端相连。
如图5所示，对带隔离的电压调理电路的电路原理连接进一步说明：T1为电压互感器，R3和R5组成分压电路，U1A为第一运算放大器，R1形成第一电压负反馈电路，R4和C1组成第一低通滤波器。
同理，为了防止数据采集单元2过流，数据采集单元2的输入端接入带隔离的电流调理电路5进行信号的调理，因此该装置还包括带隔离的电流调理电路5(如图3所示)，带隔离的电流调理电路5分别与断路器及数据采集单元2的输入端相连，如图6所示，带隔离的电流调理电路5包括电流互感器51、第二运算放大器52、第二电压负反馈电路53以及第二低通滤波器54；其中，
电流互感器51的输入端与断路器相连，其输出端与第二运算放大器52的第一输入端U21相连；
第二运算器放大器53的第二输入端U22与第二电压负反馈电路53的一端相连，其输出端U23与第二电压负反馈电路53的另一端及第二低通滤波器54的输入端相连；
第二低通滤波器54的输出端与数据采集单元2的输入端相连。
如图7所示，对带隔离的电流调理电路的电路原理连接进一步说明：IT1为电流互感器，R2和R4组成分流电路，U1A为第二运算放大器，R1形成第二电压负反馈电路，R3和C1组成第一低通滤波器。
为了将数据处理单元3所生成的图形、数据以及曲线显示在显示设备上，该装置还包括与数据处理单元3相连的显示单元6，显示单元6可为显示设备。
为了能够模拟断路器实现分断功能，该装置还包括与断路器相连的数控瞬时恒流源7，数控瞬时恒流源7用于提供断路器分段所需的短路电流或瞬时大电流，使得数据采集单元2对断路器在瞬时大电流下触头分断时的位移、速度、电压信号、电流信号进行同步采集。
本发明实施例中提供的非接触式测量断路器分断特性的装置的工作原理为通过数控瞬时恒流源模拟断路器在短路或者瞬时大电流下触头的分断动作，利用数据采集单元2对断路器在瞬时大电流下触头分断时的位移、速度、电压信号、电流信号进行同步采集，并在数据处理单元3中根据预设的测量算法得到角位移和角速度，当然还包括不限于分断电压、分断电流、分断时间及电弧停滞时间等。由于数据采集单元2包含采集到断路器的强电信号，为了防止数据采集单元2过压或者过流，数据采集单元2的输入端还会接入带隔离的电压电路4、带隔离的电流电路5进行信号的调理。
如图8至图11所示，对本发明实施例中非接触式测量断路器分断特性的装置的应用场景进一步说明：
以一台非接触式测量断路器分断特性的装置为基础进行测试实验，额定电流分别为10A、16A、25A断路器，通过数控瞬时恒流源提供12倍的额定电流分断电流模拟断路器在大电流或者短路环境下的瞬断动作，利用所建立的测试系统，测试断路器在12倍额定电流下触头分断的动态特性，其结果如图6至8所示。以图6为例进行分析，在时间T＝45.44ms时，触头开始分断，电弧产生。由于电弧的存在，触头两端的电压不能立即为0，在T＝52.84ms时，触头角位移最大，并开始反弹，出现弹跳。在T＝68.52ms时，电弧完全熄灭，电流趋向于0，电路开断，电压为恒流源内阻两端的电压。通过三种型号断路器在分断时的角位移、分断的时间、平均角速度以及电弧燃弧时间(如图11所示)，可以得出不同型号的断路器其角位移是不同的。当额定电流增大时，触头平均角速度增大。当碰撞的角速度增大时，电弧的燃弧时间减小。
如图12所示，本发明实施例还提供一种非接触式测量断路器分断特性的方法，其在前述的非接触式测量断路器分断特性的装置中实现，所述方法包括：
步骤S101、获取断路器分断时触头的动态位移所产生的机械运动信号，并将所述机械运动信号转变成模拟电信号；其中，所述机械运动信号为光信号；
步骤S102、获取所述模拟电信号并转换成数字信号输出；
步骤S103、将所述数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出所述触头分断时的角位移和角速度，并分别绘制出所述角位移与时间相关联的曲线及所述角速度与时间相关联的曲线。
其中，测量算法包括以下步骤：
步骤a、设立两个基准测量点，并得到断路器闭合及分断时在两个基准测量点所产生的动态位移函数；
步骤b、利用三角函数关系将得到的动态位移函数转换成动态角位移函数；
步骤c、对动态角位移函数进行微分运算，得到断路器分断过程中动触头的角速度函数。
为了对电压信号进行同步采集并防止电压信号过压，所述方法进一步包括：
获取所述断路器输出的电压信号，将所述电压信号转变成低电压信号，并绘制出所述低电压信号与时间相关联的曲线。
为了对电流信号进行同步采集并防止电流信号过流，所述方法进一步包括：
获取断路器输出的电流信号，将电流信号转变成低电流信号，并绘制出低电流信号与时间相关联的曲线。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、在本发明实施例中，由于装置中采用非接触式的激光位移传感器，其安装方便，无需破坏断路器原装性，可避免安装过程中引进的测量误差，且接收触头运动过程中所产生的光信号(即机械运动信号)，从而能够对触头的运动轨迹进行准确测量及准确定位，并具有抗静电和抗杂散干扰能力；
2、在本发明实施例中，由于在所测量的触头的运动轨迹中设立两个基准测量点，以这两个基准测量点为参考依据，可直接测量触头分断时的角位移及角速度等变量，从而确定断路器的分断特性；
3、在本发明实施例中，由于通过装置还可采集分断电流、分断电压，从而进一步的从整体上掌握断路器的分断特性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种非接触式测量断路器分断特性的装置，其特征在于，包括激光位移传感器、数据采集单元以及数据处理单元；其中，
所述激光位移传感器与所述数据采集单元的输入端相连，其包括激光发射二极管、发射器透镜组、CCD以及接收器透镜组，用于获取断路器分断时触头的动态位移所产生的机械运动信号，并将所述机械运动信号转变成模拟电信号；其中，所述机械运动信号为光信号；
所述数据采集单元的输出端与所述数据处理单元的输入端相连，数据采集单元获取所述激光位移传感器输出的模拟电信号并转换成数字信号输出；
所述数据处理单元，用于将所述数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出所述触头分断时的角位移和角速度，并分别绘制出所述角位移与时间相关联的曲线及所述角速度与时间相关联的曲线；
所述测量算法包括以下步骤：
a、设立两个基准测量点，并得到所述断路器闭合及分断时在所述两个基准测量点所产生的动态直线位移函数；
b、利用三角函数关系将动态直线位移函数转换成动态角位移函数；
c、对所述动态角位移函数进行微分运算，得到所述断路器分断过程中动触头的角速度函数。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括带隔离的电压调理电路，所述带隔离的电压调理电路分别与所述断路器及所述数据采集单元的输入端相连，其包括电压互感器、第一运算放大器、第一电压负反馈电路以及第一低通滤波器；其中，
所述电压互感器的输入端与所述断路器相连，其输出端与所述第一运算放大器的第一输入端相连；
所述第一运算器放大器的第二输入端与所述第一电压负反馈电路的一端相连，其输出端与所述第一电压负反馈电路的另一端及所述第一低通滤波器的输入端相连；
所述第一低通滤波器的输出端与所述数据采集单元的输入端相连。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括带隔离的电流调理电路，所述带隔离的电流调理电路分别与所述断路器及所述数据采集单元的输入端相连，其包括电流互感器、第二运算放大器、第二电压负反馈电路以及第二低通滤波器；其中，
所述电流互感器的输入端与所述断路器相连，其输出端与所述第二运算放大器的第一输入端相连；
所述第二运算器放大器的第二输入端与所述第二电压负反馈电路的一端相连，其输出端与所述第二电压负反馈电路的另一端及所述第二低通滤波器的输入端相连；
所述第二低通滤波器的输出端与所述数据采集单元的输入端相连。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述数据处理单元相连的显示单元。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述断路器相连的数控瞬时恒流源，所述数控瞬时恒流源用于提供所述断路器分断所需的短路电流或瞬时大电流。
6.一种非接触式测量断路器分断特性的方法，其特征在于，其在如权利要求1或2或3所述的装置中实现，所述方法包括：
获取断路器分断时触头的动态位移所产生的机械运动信号，并将所述机械运动信号转变成模拟电信号；其中，所述机械运动信号为光信号；
获取所述模拟电信号并转换成数字信号输出；以及
将所述数字信号进行分析和处理后，根据预设的测量算法，得出所述触头分断时的角位移和角速度，并分别绘制出所述角位移与时间相关联的曲线及所述角速度与时间相关联的曲线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
获取所述断路器输出的电压信号，将所述电压信号转变成低电压信号，并绘制出所述低电压信号与时间相关联的曲线。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：获取所述断路器输出的电流信号，将所述电流信号转变成低电流信号，并绘制出所述低电流信号与时间相关联的曲线。
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| CN201410424631.6A CN104280680B (zh) | 2014-08-26 | 2014-08-26 | 一种非接触式测量断路器分断特性的装置及方法 |
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