CN105699067A - 一种高压断路器操动机构静态性能监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器操动机构静态性能监测装置，包括：底板、框架、合闸弹簧和分闸弹簧，底板的底部设有应力测量装置，应力测量装置与合闸弹簧、分闸弹簧相对应的各设有一个；两应力测量装置分别与监控计算机连接；本发明还公开了一种高压断路器操动机构静态性能监测方法：监控计算机通过应力测量装置分别获取合闸弹簧、分闸弹簧的储能应力值，记录操动机构储能和释能的操作循环次数；结合相应弹簧的初始应力值以及操动机构历史储能、释能的操作循环次数，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量；比较应力变化量与对应年限的应力松弛量，判断两者偏差是否处于安全范围。本发明能够实时监测高压断路器操动机构的静态性能，及时诊断故障。

Description

一种高压断路器操动机构静态性能监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高压断路器操动机构静态性能监测装置，还涉及一种高压断路器操动机构静态性能监测方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，近年来电力需求的增长也随之加快，对电网供电的可靠性和经济性提出了更高的要求。高压断路器是电力系统中重要的设备，当电力系统出现短路等异常情况时，断路器的拒动﹑误动﹑慢动和三相不同期性等机械故障都可能造成恶性事故，甚至可以引起设备爆炸，给人民的生命和国家财产带来巨大损失。因此，对高压断路器的运行中出现的故障及时的进行快速的监测和诊断就显得十分重要。据统计，机械故障是高压断路器的主要故障，而操动机构是高压断路器的主要部件，也是故障率最高的机械部件。

为了保证电气设备安全、可靠地运行，电力部门每年都需要定期对电气设备停电进行预防性试验，根据试验结果进行维修。这种预防性的检修主要是在设备交接和停电时结合大、小修进行预防性试验，检查其绝缘状况和操动机构的机械特性，由于运行人员无法及时掌握断路器操动机构的机械运行状况，发现故障异常征兆，盲目性大，不仅降低了断路器的机械寿命，而且导致在预防性维修周期内也常有事故发生。另外，根据统计有10％的断路器故障是由不正确的检修造成；断路器的大修完全解体，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。频繁的操作及过度的拆卸检修会降低高压断路器动作的可靠性。因此，如何对断路器的工作状态进行有效的监测，及时发现断路器的故障，对有缺陷部位提前进行处理，避免断路器故障恶性发展，防止断路器爆炸等恶性事故的发生，对于保障电网的安全可靠运行有着十分重要的意义。

上世纪80年代开始出现了集箱式断路器机械特性测试仪，这种方法采用的是传统的检测技术和试验方法，存在自动化程度低、测量误差大和功能不强等缺点。90年代开始出现微机型高压开关机械特性测试仪，国外在这方面研究较早，可以对开关设备重要参数进行长期连续在线监测，分析变化趋势，及时发现故障。国内的许多高等院校、科研机构和电力运营单位也致力于此，如西安中州电力设备有限公司的WDJC微机断路器在线监测系统。

但现有的机械特性测试方法大多是基于断路器动态过程如行程-时间检测法、分合闸线圈电流检测法、振动信号检测法等。实际上，在高压断路器长达30年的使用寿命期内，断路器的操动机构等机械部件要长期承受较大的储能弹簧静态弹性力，以随时满足断路器的分合、分合分等操作要求。长期处于储能弹簧静态弹性力与腐蚀、温度应力等综合作用下，有可能引起操动机构零部件性能的退化，例如弹簧应力松弛、拉杆和拐臂蠕变、掣子及支架扭曲变形、轴销弯曲移位等，造成断路器长期保持静态状态(合闸或分闸位置)运行过程中因性能退化使其机械性能无法达到标准要求，降低了断路器的故障电流分断能力，甚至导致断路器不能正常进行分闸或合闸操作，从而引起事故。因此对运行中的高压断路器静态性能进行监测并及时诊断故障显得十分重要，将具有巨大的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高压断路器操动机构静态性能监测装置，能够实时评估高压断路器操动机构的静态可靠性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高压断路器操动机构静态性能监测装置，包括：底板、框架、支撑于底板和框架之间的合闸弹簧和分闸弹簧、贯穿合闸弹簧与底板连接的拉杆一以及贯穿分闸弹簧与底板连接的拉杆二，所述框架上分别开设有供拉杆一、拉杆二通过的通孔，所述底板的底部设有应力测量装置，所述应力测量装置与合闸弹簧、分闸弹簧相对应的各设有一个；两所述应力测量装置分别与监控计算机连接；

拉杆一、拉杆二受外部作用力带动底板向上运动，合闸弹簧和分闸弹簧压缩储能，监控计算机通过应力测量装置分别获取合闸弹簧、分闸弹簧的储能应力值，记录操动机构储能和释能的操作循环次数；结合相应弹簧的初始应力值以及操动机构历史储能、释能的操作循环次数，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量；比较应力变化量与对应年限的应力松弛量，判断两者偏差是否处于安全范围。

所述应力测量装置包括：呈环形放射状均匀分布的多个电阻应变片，相邻电阻应变片通过引线串联连接。

所述电阻应变片呈长方形，电阻应变片在底板上布置时电阻应变片的长边中心线指向圆心，与其他电阻应变片构成环形放射状。

所述电阻应变片包括基膜和设于基膜上的栅形电阻，所述栅形电阻由若干等间距并列排放的栅条组成，各所述栅条通过导线首尾顺序连接。

所述栅条的长度是相邻栅条间距的10倍以上。

所述电阻应变片的基膜粘贴于底板的底部。

本发明还提供一种采用上述监测装置的高压断路器操动机构静态性能监测方法，监控计算机通过应力测量装置分别获取合闸弹簧、分闸弹簧的储能应力值，记录操动机构储能和释能的操作循环次数；结合相应弹簧的初始应力值以及操动机构历史储能、释能的操作循环次数，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量；比较应力变化量与对应年限的应力松弛量，判断两者偏差是否处于安全范围。

计算操动机构应力松弛产生的应力变化量的具体算法如下：

步骤801：计算弹簧应力变化值Δσ：

Δσ＝σ₀-σ；(1)

其中：σ₀为监控计算机中储存的弹簧初始应力值，σ为高压断路器操动机构弹簧的储能应力值；弹簧应力变化值Δσ由操动机构应力松弛和疲劳两部分所产生；

步骤802：计算弹簧疲劳Δσ′：

监控计算机根据操动机构历史储能、释能操作循环次数n，计算弹簧在这段时间的弹簧疲劳Δσ′，计算方法如下：

保证操动机构正常运行存在的最小应力值为σ_min，对应的最大应力变化值Δσ_max：

Δσ_max＝σ₀-σ_min；(2)

根据高压断路器的设计机械寿命，其运行年限为X年，机械操作寿命为Y次，则高压断路器操作Y次对应的应力变化量Δσ_Y为：

Δσ_Y＝Δσ_max-ΔS_X；(3)

其中ΔS_X为由操动机构应力松弛曲线得到运行X年的应力松弛量，弹簧疲劳Δσ′为：

${\mathrm{\Δ\σ}}^{\′}=\frac{n}{Y}{\mathrm{\Δ\σ}}_Y;---\left(4\right)$

步骤803：计算操动机构应力松弛产生的应力变化量ΔS：

ΔS＝Δσ-Δσ′(5)。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：监控计算机通过应力测量装置实时监测高压断路器操动机构的静态性能，一旦操动机构发生性能退化，即可被监测系统诊断，发出预警信号并由运维和调度人员有针对性地处理，例如安排备用线路、转移负荷等，能够尽早进行停电检修，防止电网发生意外故障或者紧急情况下断路器无法及时切断大电流，避免引起电网故障范围扩大或重要设备的严重损坏。

附图说明

图1是高压断路器弹簧操动机构和传动系统的结构示意图。

图2是应力测量装置的安装示意图。

图3是采用4个电阻应变片的应力测量装置的安装结构示意图。

图4是电阻应变片的结构示意图。

图5是采用电桥法检测电阻应变片电阻值的电路图。

101、拉杆一、102、拉杆二；201、合闸弹簧；202、分闸弹簧；3、托盘；4、底板；5、应力测量装置；51、电阻应变片；511、基膜；512、栅形电阻；6、销钉；7、框架；8、操动杠杆；9、操动轴；10、转动杠杆；11、储能轴；12、盘形凸轮；13、凸轮；14、分闸掣子；15、分闸支架；16、合闸支架；17、合闸掣子；18、分闸缓冲器；19、合闸缓冲器；20、驱动杆；21、拐臂；22、连接杆；23、绝缘子；24、操动杆；25、灭弧单元。

具体实施方式

如图1所示，是高压断路器的操动机构和传动系统，存在合闸弹簧201和分闸弹簧202两个储能系统，且在高压断路器完成合闸操作后，合闸弹簧201和分闸弹簧202均处于压缩储能位置。储能力通过拉杆传至输出转轴及其附属装置上，通过安装于合闸弹簧201和分闸弹簧202处的应力测量装置5，可以有效监测合闸端储能机械系统和分闸端储能机械系统的性能退化，例如弹簧疲劳和松弛、销钉6变形、拉杆变形、转轴和凸轮扭曲变形、掣子及支架变形等。

下面结合说明书附图，对本发明提供的高压断路器操动机构静态性能监测装置做进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，高压断路器操动机构静态性能监测装置，包括：底板4、框架7、支撑于底板4和框架7之间的合闸弹簧201和分闸弹簧202、贯穿合闸弹簧201与底板4连接的拉杆一101以及贯穿分闸弹簧202与底板4连接的拉杆二102。框架7固定于操动机构的底座(图中未示出)上，为不可移动的部分。框架7上分别开设有供拉杆一101、拉杆二102通过的通孔。底板4的上表面与合闸弹簧201、分闸弹簧202相对应的开设有两个环形台阶，两个环形台阶的上工作面分别设有托盘3，合闸弹簧201和分闸弹簧202分别置于各自的托盘3内，用于定位。底板4的下表面与合闸弹簧201、分闸弹簧202相对应的位置处各安装一组应力测量装置5，两应力测量装置5分别与监控计算机连接。

储能时，拉杆一101、拉杆二102受外部作用力带动底板4向上运动，合闸弹簧201和分闸弹簧202压缩储能，储能完成后由操动机构的合闸掣子17或分闸掣子14锁定，使合闸弹簧201、分闸弹簧202保持压缩储能状态，相应的获得储能弹力，该弹力同时作用在底板44、拉杆一101、拉杆二102、储能轴11、凸轮13、盘形凸轮12、操动杠杆8、操动轴9、转动杠杆10、合闸掣子17、合闸支架16、分闸掣子14、分闸支架15等有关元件上。

应力测量装置5包括多个电阻应变片51，具体数量可根据需要增加或减少，多个电阻应变片51呈环形放射状均匀分布，相邻电阻应变片51之间通过引线串联连接。如图4所示，电阻应变片51包括基膜511和设于基膜511上的栅形电阻512，基膜511通过胶水直接粘贴于底板4的底部。栅形电阻512由若干等间距并列排放的栅条组成，各栅条通过导线首尾顺序连接，栅条的长度是相邻栅条间距的的10倍以上。电阻应变片51呈现长方形，整个栅形电阻512也呈长方形，位于电阻应变片51中心，其中长边与栅条相平行，对应的，宽边与栅条相垂直。电阻应变片51在底板4上布置时电阻应变片51的长边中心线指向圆心，与其他电阻应变片51构成环形放射状。如图3所示，以4个电阻应变片51为例，4个电阻应变片51呈环形排列，相邻电阻应变片51的夹角为90度，每个电阻应变片51的长边中心线均贯穿圆心，长边中心线贯穿圆心有利捕捉更多信号，有利于获得更好的监测效果。

高压断路器操动机构静态性能监测方法是采用前述的高压断路器操动机构静态性能监测装置实现的，具体监测方法如下：

步骤一：应力测量装置5的输出信号经放大处理后转换为数字信号，输出到监控计算机中处理，监控计算机通过应力测量装置5分别获取合闸弹簧201、分闸弹簧202的储能应力值，监控应力的动态变化过程，记录操动机构储能和释能的操作循环次数，当监测应力处于静态储能状态时，进入下一步。

如图5所示，采用电桥法检测电阻应变片51的电阻阻值变化，电桥可将电阻应变片51阻值的变化转换为电压或电流的变化，以供后续电路测量记录。

步骤二：结合相应弹簧的初始应力值以及操动机构历史储能、释能的操作循环次数，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量，具体算法如下：

步骤801：计算弹簧应力变化值Δσ：

Δσ＝σ₀-σ；(1)

其中：σ₀为监控计算机中储存的弹簧初始应力值，σ为高压断路器操动机构弹簧的储能应力值；弹簧应力变化值Δσ由操动机构应力松弛和疲劳两部分所产生；

步骤802：计算弹簧疲劳Δσ′：

监控计算机根据操动机构历史储能、释能操作循环次数n，计算弹簧在这段时间的弹簧疲劳Δσ′，计算方法如下：

保证操动机构正常运行存在的最小应力值为σ_min，对应的最大应力变化值Δσ_max：

Δσ_max＝σ₀-σ_min；(2)

根据高压断路器的设计机械寿命，其运行年限为X年，机械操作寿命为Y次，则高压断路器操作Y次对应的应力变化量Δσ_Y为：

Δσ_Y＝Δσ_max-ΔS_X；(3)

其中ΔS_X为由操动机构应力松弛曲线得到运行X年的应力松弛量，弹簧疲劳Δσ′为：

${\mathrm{\Δ\σ}}^{\′}=\frac{n}{Y}{\mathrm{\Δ\σ}}_Y;---\left(4\right)$

步骤803：计算操动机构应力松弛产生的应力变化量ΔS：

ΔS＝Δσ-Δσ′(5)。

步骤三：比较应力变化量与对应年限的应力松弛量，判断两者偏差是否处于安全范围，即：

δ＝|ΔS-Δσ₁|≤δ_max(6)。

其中：Δσ₁为操动机构应力松弛曲线上相应运行时间对应的应力应力松弛量，δ_max为预先设定的门槛值。如根据应力监测计算得到的偏差δ不大于该门槛值，则断路器操动机构性能处于良好范畴，可以保证系统安全运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高压断路器操动机构静态性能监测装置，包括：底板、框架、支撑于底板和框架之间的合闸弹簧和分闸弹簧、贯穿合闸弹簧与底板连接的拉杆一以及贯穿分闸弹簧与底板连接的拉杆二，所述框架上分别开设有供拉杆一、拉杆二通过的通孔，其特征在于，所述底板的底部设有应力测量装置，所述应力测量装置与合闸弹簧、分闸弹簧相对应的各设有一个；两所述应力测量装置分别与监控计算机连接；

拉杆一、拉杆二受外部作用力带动底板向上运动，合闸弹簧和分闸弹簧压缩储能，监控计算机通过应力测量装置分别获取合闸弹簧、分闸弹簧的储能应力值，记录操动机构储能和释能的操作循环次数；结合相应弹簧的初始应力值以及操动机构历史储能、释能的操作循环次数，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量；比较应力变化量与对应年限的应力松弛量，判断两者偏差是否处于安全范围。

2.根据权利要求1所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置，其特征在于，所述应力测量装置包括：呈环形放射状均匀分布的多个电阻应变片，相邻电阻应变片通过引线串联连接。

3.根据权利要求2所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置，其特征在于，所述电阻应变片呈长方形，电阻应变片在底板上布置时电阻应变片的长边中心线指向圆心，与其他电阻应变片构成环形放射状。

4.根据权利要求2所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置，其特征在于，所述电阻应变片包括基膜和设于基膜上的栅形电阻，所述栅形电阻由若干等间距并列排放的栅条组成，各所述栅条通过导线首尾顺序连接。

5.根据权利要求4所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置，其特征在于，所述栅条的长度是相邻栅条间距的10倍以上。

6.根据权利要求4所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置，其特征在于，所述电阻应变片的基膜粘贴于底板的底部。

7.采用权利要求1至6中任一项所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置的监测方法，其特征在于，监控计算机通过应力测量装置分别获取合闸弹簧、分闸弹簧的储能应力值，记录操动机构储能和释能的操作循环次数；结合相应弹簧的初始应力值以及操动机构历史储能、释能的操作循环次数，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量；比较应力变化量与对应年限的应力松弛量，判断两者偏差是否处于安全范围。

8.根据权利要求7所述的高压断路器操动机构静态性能监测装置，其特征在于，计算操动机构应力松弛产生的应力变化量的具体算法如下：

步骤801：计算弹簧应力变化值Δσ：

Δσ＝σ₀-σ；(1)

其中：σ₀为监控计算机中储存的弹簧初始应力值，σ为高压断路器操动机构弹簧的储能应力值；弹簧应力变化值Δσ由操动机构应力松弛和疲劳两部分所产生；

步骤802：计算弹簧疲劳Δσ′：

监控计算机根据操动机构历史储能、释能操作循环次数n，计算弹簧在这段时间的弹簧疲劳Δσ′，计算方法如下：

保证操动机构正常运行存在的最小应力值为σ_min，对应的最大应力变化值Δσ_max：

Δσ_max＝σ₀-σ_min；(2)

根据高压断路器的设计机械寿命，其运行年限为X年，机械操作寿命为Y次，则高压断路器操作Y次对应的应力变化量Δσ_Y为：

Δσ_Y＝Δσ_max-ΔS_X；(3)

其中ΔS_X为由操动机构应力松弛曲线得到运行X年的应力松弛量，弹簧疲劳Δσ′为：

${\mathrm{\Δ\σ}}^{\′}=\frac{n}{Y}{\mathrm{\Δ\σ}}_Y;---\left(4\right)$

步骤803：计算操动机构应力松弛产生的应力变化量ΔS：

ΔS＝Δσ-Δσ′(5)。