CN105070601B - 基于磁感应的断路器触点磨损监测方法及一种断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁感应的断路器触点磨损监测方法。在断路器基座与动触头的其中一个上固定设置永磁体，在另外一个上固定设置导磁部件，在断路器合闸状态下，导磁部件处于永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；设置一个与基座固定连接的霍尔磁感应元件，在断路器合闸状态下，该霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；通过合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度实现对触点磨损情况的在线监测。本发明还公开了一种断路器。本发明安全可靠、准确、成本低。

Description

基于磁感应的断路器触点磨损监测方法及一种断路器

技术领域

本发明涉及断路器，尤其涉及一种断路器触点磨损监测方法，属于低压电气技术领域。

背景技术

断路器作为电器领域的常用设备，每次开关操作时触头上的触点或多或少会发生磨损，特别是存在电弧的情况下。当断路器的触点磨损到一定程度后，会影响设备允许的稳定性和安全性。因此，如果能够实时监测触点磨损程度，就能够使用户了解断路器剩余寿命以及是否应该对其进行更换。

现有技术中已经有某些断路器具有触头磨损程度指示功能，然而，这些触点磨损指示功能是通过根据分合闸次数、分断电流大小、燃弧时间等因素而计算得到的，由于影响断路器触头磨损的因素很多，包括分断电流大小，燃弧时间，电弧转移等，而实际计算时很难将这些因素完全采集并且转化到触头烧蚀。所以通过计算的方法得出的触头磨损状况通常是不够准确的。

一篇中国发明专利（201210119151.X）提到了采用电位计的方法监测触头磨损程度。但是电位计是接触式测量装置，而断路器通常都有很高的寿命，在多次动作后很容易造成接触式测量装置之间的磨损而造成测量误差。另外电位计及其连线需要装入灭弧室内部并且在可动触头上，在断路器分断时和多次动作后很容易受灭弧室内部恶劣环境的影响和动触头的高速运动使电位计造成偏差甚至损坏，对测量造成误差或者失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于磁感应的断路器触点磨损监测方法，能够对触点磨损进行在线监测，且安全可靠性、准确度更好，实现成本更低。

本发明基于磁感应的断路器触点磨损监测方法，具体如下：

所述断路器包括有基座，在所述基座上设置有与基座固定连接的静触头以及与基座活动连接的动触头，动触头可相对静触头运动，使动触头上的动触点和静触头上的静触点接触/分离，从而实现断路器的合闸/分闸；在所述基座与动触头的其中一个上固定设置一永磁体，在另外一个上固定设置一由永磁材料或软磁材料制成的导磁部件，在断路器合闸状态下，所述导磁部件处于所述永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；设置一个与基座固定连接的霍尔磁感应元件，在断路器合闸状态下，该霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；通过断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度实现对触点磨损情况的在线监测。

为了防止合闸电流所产生的磁场对霍尔磁感应元件的测量结果产生影响，可分别或同时采用以下技术方案解决：

所述霍尔磁感应元件被配置为其测量面与断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流的方向平行。

根据实时监测到的断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流，对断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度进行校正，以消除断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流所产生磁场的影响。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种断路器，包括基座，在所述基座上设置有与基座固定连接的动触头以及与基座活动连接的静触头；动触头可相对静触头运动，使动触头上的动触点和静触头上的静触点接触/分离，从而实现断路器的合闸/分闸；其特征在于，该断路器还包括用于对触点磨损情况进行在线检测的触点磨损监测单元；所述触点磨损监测单元包括：固定设置于基座与动触头其中一个上的永磁体，固定设置于基座与动触头中另外一个上的由永磁材料或软磁材料制成的导磁部件，与基座固定连接的霍尔磁感应元件，以及与霍尔磁感应元件电连接的信号处理单元；在断路器合闸状态下，所述导磁部件处于所述永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；在断路器合闸状态下，所述霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；所述信号处理单元用于为霍尔磁感应元件提供工作电流并处理霍尔磁感应元件输出的检测信号。

为了防止合闸电流所产生的磁场对霍尔磁感应元件的测量结果产生影响，可分别或同时采用以下技术方案解决：

所述霍尔磁感应元件的测量面与断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流的方向平行。

所述信号处理单元包括校正模块，用于根据实时监测到的断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流，对断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度进行校正，以消除断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流所产生磁场的影响。

优选地，所述导磁部件的材料为高磁导率软磁材料。

为了有效避免放电电弧对触点磨损监测单元中各部件产生不良影响，优选地，所述永磁体和霍尔磁感应元件设置于一个可使其与断路器放电电弧相隔离的容腔内。在所述导磁部件外部设置有非磁性材料制成的保护套。

所述信号处理单元可以单独设置，但考虑到现有断路器大多具有智能控制器，可以利用智能控制器来实现为霍尔磁感应元件提供工作电流并处理霍尔磁感应元件输出的检测信号，即触点磨损监测单元以所述智能控制器作为信号处理单元。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置分别与基座、动触头机械耦合的永磁体、导磁部件，利用合闸状态下磁场空间分布的变化来反映触点磨损情况，为断路器触点磨损的监测指出了一条新的方向；

本发明可实现触点磨损的在线监测，且监测结果更准确，可靠性更好；

本发明结构简单，实现成本低廉。

附图说明

图1是一种现有断路器的结构示意图；

图2是触点磨损监测单元在断路器中的具体安装位置示意图；

图3是图2的A-A视图；

图4是动静触头未磨损情况下，永磁体、导磁部件、霍尔磁感应元件位置的示意图；

图5是动静触头磨损情况下永磁体、导磁部件、霍尔磁感应元件位置的示意图；

图6是动静触头未磨损情况下，永磁体、导磁部件、霍尔磁感应元件位置的示意图；

图7是动静触头磨损情况下永磁体、导磁部件、霍尔磁感应元件位置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

断路器通常均包括有基座，在基座上设置与基座固定连接的动触头以及与基座活动连接的静触头，动触头在驱动装置的驱动下相对静触头运动，使动触头上的动触点和静触头上的静触点接触/分离，从而实现断路器的合闸/分闸。由于安装空间以及实现成本等条件限制，目前尚未有对触点物理磨损情况直接检测的技术出现，因此现有的触点磨损在线监测技术通常是通过动静触头之间相对位置的变化间接反映出触点的磨损情况。本发明的思路是通过设置分别与基座、动触头机械耦合的永磁体、导磁部件，利用合闸状态下磁场空间分布的变化来反映触点磨损情况。

本发明方法具体如下：在所述断路器的基座和动触头的其中一个上固定设置一永磁体，在另外一个上固定设置一导磁部件，该导磁部件可以由永磁材料构成（相当于另一个永磁体），也可以由软磁材料构成；在断路器合闸状态下，所述导磁部件处于所述永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；设置一个与基座固定连接的霍尔磁感应元件，在断路器合闸状态下，该霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；通过断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度实现对触点磨损情况的在线监测。

本发明断路器，所述断路器包括有基座，在所述基座上设置有与基座固定连接的动触头以及与基座活动连接的静触头；动触头可相对静触头运动，使动触头上的动触点和静触头上的静触点接触/分离，从而实现断路器的合闸/分闸；该断路器还包括用于对触点磨损情况进行在线检测的触点磨损监测单元；所述触点磨损监测单元包括：固定设置于基座与动触头其中一个上的永磁体，固定设置于动触头与基座另外一个上的由永磁材料或软磁材料制成的导磁部件，与基座固定连接的霍尔磁感应元件，以及与霍尔磁感应元件电连接的信号处理单元；在断路器合闸状态下，所述导磁部件处于所述永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；在断路器合闸状态下，所述霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；所述信号处理单元用于为霍尔磁感应元件提供工作电流并处理霍尔磁感应元件输出的检测信号。

在断路器合闸状态下，永磁体固有的磁场（磁力线或磁通密度）会因为导磁部件的存在而出现新的空间分布，假设触点无磨损，由于永磁体与导磁部件之间的相对空间位置不变，则每次合闸状态下这种磁场空间分布是不变的；而随着触点磨损的增加，永磁体与导磁部件之间的相对空间位置会相应地变化，则合闸状态下的磁场空间分布也随之发生变化，根据磁学基本原理可以证明，在永磁体周围的某些位置的磁感应强度会随之减小，而某些位置的磁感应强度会随之增大，因此可以通过检测永磁体周围这些位置的磁场强度（或者磁感应强度、磁通密度，其实质是相同的）来获知触点的磨损情况。这些位置可预先在不同触点磨损情况下利用磁测量技术找到，也可以利用磁场理论计算得到，还可以通过两种方式相结合来找出。

考虑到合闸状态下流过动触头、静触头的电流也会产生磁场，为了防止电流磁场对上述磁场检测产生影响，本发明可以进一步将霍尔磁感应元件的测量面设置为与断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流的方向平行，这样，霍尔磁感应元件的检测结果就不会受合闸电流所产生磁场的影响。

或者，利用断路器固有的主电流检测单元，根据实时监测到的断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流，对断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度进行校正，以消除断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流所产生磁场的影响。根据基本的电磁学原理容易得到一定大小的合闸电流所产生的磁场空间分布情况，而设置于特定位置的霍尔磁感应元件的输出信号受合闸电流所产生磁场的影响也可以预先知道，这样就可以在信号处理单元中设置一校正模块，根据实时监测的合闸电流对霍尔磁感应元件的输出信号进行校正，从而消除合闸电流的影响。

上述两技术方案也可同时采用以进一步提高检测准确性。

此外，为了防止放电电弧对触点磨损监测单元中各部件产生不良影响，优选地，所述永磁体和霍尔磁感应元件设置于一个可使其与断路器放电电弧相隔离的容腔内；并且在所述导磁部件外部设置有非磁性材料制成的保护套。

所述导磁部件应尽可能选用导磁率高的材料，例如高导磁率软磁材料。

为霍尔磁感应元件提供工作电流并处理霍尔磁感应元件输出的检测信号的信号处理单元可以单独设置，也可以直接利用断路器本身的智能控制器，这样可以有效降低成本，节省空间。

为了便于公众更好地理解，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行进一步说明。

本实施例中断路器的基本结构如图1所示。其包括有基座1、操作机构（图中未示出），在基座1上固定设置有静触头系统2，在基座1上转动设置有与静触头系统2相互配合的动触头系统3。动触头系统3包括有动触头31、动触头支持32、动触头转轴（图中未示出）、触头弹簧（图中未示出），在动触头31上设置有动触点311，动触头转轴穿设在动触头支持32上，动触头31通过动触头转轴转动设置在动触头支持32上，触头弹簧设置在动触头31与动触头支持32之间，所述触头弹簧的一端抵靠在触头支持32上，另一端抵靠在动触头11背向静触头系统一侧并与动触点111相对的端面上，为断路器的合闸提供触头压力，所述动触头支持32通过至少一杆与操作机构实现铰接；静触头系统2包括有静触头21，静触头21上设置有静触点211，所述静触头21与动触头31通过静触点211、动触点311实现接触配合。具体的，所述操作机构带动设置在动触头支持32上的动触头31转动与静触头21接触配合，当动触头11与静触头21接触后，由于静触头21的阻挡，动触头11不再向下运动，而动触头支持12在操作机构的作用下继续走超程，动触头支持12进一步挤压触头弹簧继续转动，直到达到断路器合闸位置，断路器完成合闸。

该断路器还包括用于对触点磨损情况进行在线检测的触点磨损监测单元，如图2、图3所示，所述触点磨损监测单元包括有设置在动触头31上的导磁部件5，固定设置在基座1上的永磁体4，设置在永磁体4和导磁部件5之间且位于基座1上霍尔磁感应元件6，以及与霍尔磁感应元件6电连接的信号处理单元（图中未示出）。具体的，如图2、图3所示，所述动触头31是由多个动触片组成，所述导磁部件5固定设置在位于最外侧的动触片的侧面，所述永磁体4设置在基座1的一个容腔7内，且永磁体4的N/S极正对上述导磁部件5设置。所述导磁部件5处于所述永磁体4产生的磁场范围内且导磁部件5与永磁体4之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移。所述霍尔磁感应元件6同样设置在上述的容腔7内，所述霍尔磁感应元件6所在位置的由所述永磁体4所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化。所述信号处理单元为霍尔磁感应元件提供工作电流并处理霍尔磁感应元件输出的检测信号。

由于考虑到合闸状态下流过断路器动触头31、静触头21的电流同样会产生磁场，为了防止该电流产生的磁场对上述的磁场检测产生影响，固将霍尔磁感应元件6的测量面设置为与断路器合闸状态下流过动触头31、静触头21的电流的方向平行，这样，霍尔磁感应元件6的检测结果将不会受合闸电流所产生磁场的影响。

消除流过动触头31、静触头21电流产生的磁场对上述的磁场检测产生影响，还可以利用断路器固有的主电流检测单元，根据实时监测到的断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流，对断路器合闸状态下霍尔磁感应元件6所检测到的磁感应强度进行校正，以消除断路器合闸状态下流过动触头31、静触头21的电流所产生磁场的影响。根据基本的电磁学原理容易得到一定大小的合闸电流所产生的磁场空间分布情况，而设置于特定位置的霍尔磁感应元件的输出信号受合闸电流所产生磁场的影响也可以预先知道，这样就可以在信号处理单元中设置一校正模块，根据实时监测的合闸电流对霍尔磁感应元件6的输出信号进行校正，从而消除合闸电流的影响。

本实施例中，如图4所示，当断路器触头未磨损时，永磁体4固有磁场由于导磁部件5的吸引，有一定数量的磁力线通过霍尔磁感应元件6，此时霍尔磁感应元件6将感应到的磁感应强度的大小输入到信号处理单元，并得到一个电压信号，并将这个信号与预设的最大磨损时的电压信号相比较。如图5所示，随着断路器触头的不断磨损，导磁部件5相对永磁体4在高度方向上逐渐向下移动，即产生位置偏移，此时，由于永磁体4与导磁部件5之间在高度方向上的位置偏移逐渐增大，通过霍尔磁感应元件6的磁力线随着触头磨损的不断增加逐渐减少，此时霍尔磁感应元件6将感应到的磁感应强度的大小输入到信号处理单元，当信号处理单元得到的电压信号数值低于断路器预设的最大磨损时信号处理单元得到的电压信号数值时，断路器发出报警信号，提醒操作人员更换断路器触头。

上述的实施例中，该霍尔磁感应元件6所在位置的永磁体所产生磁场的磁感应强度是随着触点磨损的增加逐渐减少的，即当断路器触头未磨损时，信号处理单元得到的电压信号的数值是最大的，直到减少到触头磨损达到断路器预设的最大触头磨损时的电压信号的数值时断路器报警，本实施例中磁感应强度是单调递减的。本方案还可以设置成采用磁感应强度单调递增的方式，如图6、图7所示，将霍尔磁感应元件6的位置设置在高度方向上位于导磁部件5、永磁体4的下方位置，当断路器触头未磨损时，永磁体4固有磁场由于导磁部件5的吸引，有极少数的磁力线通过霍尔磁感应元件6，此时霍尔磁感应元件6将感应到的磁感应强度的大小输入到信号处理单元，并得到一个电压信号并将这个信号与预设的最大磨损时的电压信号相比较。随着断路器触头的不断磨损，导磁部件5相对永磁体4在高度方向上逐渐向下移动，此时，由于永磁体4与导磁部件5之间在高度方向上的位置偏移逐渐增大，通过霍尔磁感应元件6的磁力线随着触头磨损的不断增加逐渐增加，此时霍尔磁感应元件6将感应到的磁感应强度的大小输入到信号处理单元，这样设置霍尔磁感应元件6的位置后，磁感应强度是单调递增的。

为了进一步提高检测的准确性，比如说，由于断路器合分闸时，会产生大量的电弧，为了避免电弧对导磁部件5、永磁体4、霍尔磁感应元件6的灼烧，在所述导磁部件5的外部可套设有非磁性材料制成保护套，而导磁部件5、永磁体4由于设置在基座的容腔内，能隔离断路器放电电弧的影响。

所述导磁部件5的材料可以为软磁材料，例如软铁、硅钢片、铁镍合金、铁氧体等；也可以是永磁材料，此时导磁部件5相当于另一个永磁体，其所产生的磁场与永磁体4所产生磁场在空间中相互叠加。

此外，将导磁部件5与永磁体4之间的位置互换同样是可行，在所述动触头31上固定设置有永磁体4，在所述基座1上设置有导磁部件5，在所述基座1上还固定连接有霍尔磁感应元件6，在断路器合闸状态下，该霍尔磁感应元件6所在位置的永磁体所产生磁场的磁感应强度随着导磁部件与永磁体间的位置偏移变化而单调变化的。这种方案的原理和上述的具体实施例是一样，这里就不在赘述了。

以上所举仅为本发明的一个具体实施例，本领域技术人员完全可以根据断路器的实际结构，根据本发明的发明思路，灵活设置触点磨损监测单元中各部件的结构和位置，从而实现对触点磨损进行准确的实时在线监测。

Claims (10)

1.一种基于磁感应的断路器触点磨损监测方法，其特征在于，所述断路器包括有基座，在所述基座上设置有与基座固定连接的静触头以及与基座活动连接的动触头，动触头可相对静触头运动，使动触头上的动触点和静触头上的静触点接触/分离，从而实现断路器的合闸/分闸；在所述基座与动触头中的其中一个上固定设置一永磁体，在基座与动触头中的另外一个上固定设置一由永磁材料或软磁材料制成的导磁部件，在断路器合闸状态下，所述导磁部件处于所述永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；设置一个与基座固定连接的霍尔磁感应元件，在断路器合闸状态下，该霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；通过断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度实现对触点磨损情况的在线监测。

2.如权利要求1所述断路器触点磨损监测方法，其特征在于，所述霍尔磁感应元件被配置为其测量面与断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流的方向平行。

3.如权利要求1或2所述断路器触点磨损监测方法，其特征在于，根据实时监测到的断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流，对断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度进行校正，以消除断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流所产生磁场的影响。

4.一种断路器，包括基座，在所述基座上设置有与基座固定连接的动触头以及与基座活动连接的静触头；动触头可相对静触头运动，使动触头上的动触点和静触头上的静触点接触/分离，从而实现断路器的合闸/分闸；其特征在于，该断路器还包括用于对触点磨损情况进行在线检测的触点磨损监测单元；所述触点磨损监测单元包括：固定设置于基座与动触头其中一个上的永磁体，固定设置于基座与动触头中另外一个上的由永磁材料或软磁材料制成的导磁部件，与基座固定连接的霍尔磁感应元件，以及与霍尔磁感应元件电连接的信号处理单元；在断路器合闸状态下，所述导磁部件处于所述永磁体产生的磁场范围内且导磁部件与永磁体之间的相对位置随着触点磨损增大而发生偏移；在断路器合闸状态下，所述霍尔磁感应元件所在位置的由所述永磁体所产生磁场的磁感应强度随着所述偏移而单调变化；所述信号处理单元用于为霍尔磁感应元件提供工作电流并处理霍尔磁感应元件输出的检测信号。

5.如权利要求4所述断路器，其特征在于，所述霍尔磁感应元件的测量面与断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流的方向平行。

6.如权利要求4或5所述断路器，其特征在于，所述信号处理单元包括校正模块，用于根据实时监测到的断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流，对断路器合闸状态下霍尔磁感应元件所检测到的磁感应强度进行校正，以消除断路器合闸状态下流过动触头、静触头的电流所产生磁场的影响。

7.如权利要求4所述断路器，其特征在于，所述导磁部件的材料为高磁导率软磁材料。

8.如权利要求4所述断路器，其特征在于，所述永磁体和霍尔磁感应元件设置于一个可使所述永磁体和霍尔磁感应元件与断路器放电电弧相隔离的容腔内。

9.如权利要求4所述断路器，其特征在于，在所述导磁部件外部设置有非磁性材料制成的保护套。

10.如权利要求4所述断路器，其特征在于，包括智能控制器，触点磨损监测单元以所述智能控制器作为信号处理单元。