CN105953911B - 用于高压断路器机械故障监测的振动传感器 - Google Patents
用于高压断路器机械故障监测的振动传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于高压断路器机械故障监测的振动传感器，包括振动敏感元件、电荷放大器、传感器壳体和引线及其接头，该传感器安装于高压断路器的被监测部位，振动敏感元件拾取高压断路器运行状态信号并差分输出至电荷放大器的差分输入，电荷放大器的工作电源及其差分输出信号通过引线接头连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动敏感元件、电荷放大器安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部。本发明的有益效果在于：能有效抑制高压断路器状态监测工况环境的强电磁干扰，使高压断路器运行状态监测结果更加准确可靠。
Description
技术领域
本发明属于振动监测传感器，尤其是一种用于高压断路器机械故障监测的振动传感器。
背景技术
高压断路器在电力系统中起着重要的控制和保护作用，它的功能相当于一个开关，关合正常电路使其投入电网运行，当线路出现故障时它能及时切断电路，以免给电网带来危害。高压断路器随着自身的运行时间加长和一些环境因素，伴随着有各种故障发生，其中机械故障是最常见且最多的；而在机械故障的监测中，振动监测是一种非入侵式监测方式，很容易实现。高压断路器的振动信号是由其内部传动机构进行一系列的动作而产生的叠加冲击波，而振动信号包含着大量丰富的设备状态信息。利用现代的信号处理技术从中提取判别故障的特征值，是高压断路器故障诊断的研究热点。
高压断路器位于电网与负荷系统之间，工作在高电压、大电流状态，对其进行状态监测与故障诊断时，监测装置及传感器所受到的电磁干扰主要有：（１）分合操作引起的干扰：断路器和隔离开关操作是变电站最典型的电磁干扰，开关操作时，会产生一系列高频率、前沿陡峭的瞬变电磁脉冲，触头间产生电弧的熄灭和重燃；在断开的母线上将引起一系列的高频电流波和高频电压波，并以阻尼振荡波的形式向周围空间传导和辐射能量，对监测装置构成阻尼振荡波干扰和阻尼振荡磁场干扰。（２）储能元件产生的干扰：断路器分合操作时由于储能元件的存在，电容两端的电压、电感中的电流均不能发生突变，在分合过程中，会产生一个衰减振荡的暂态过电压；这些暂态过电压产生的振荡波通过互感器等传导耦合到监测装置电路当中去；这种情况下，在监测装置中就会出现大量高频的、振荡的、快速衰减的交流电压分量；研究表明，分合操作产生的干扰波形频率一般在0.1到80MHz之间，持续时间大约为l0us到10ms。（３）雷电引起的暂态干扰：雷电是自然界产生的剧烈电磁干扰，可以通过直接雷击输电线路或者电气设备，然后经过线路传入断路器内部；也可以间接的雷击架空避雷线、线路杆塔或者变电站周边接地物体，经过感应耦合到监测装置中来；由于雷电具有大量的放电电流，会在雷击周围产生交变的电磁场，根据电磁感应定律，断路器的金属导体或者接地网会产生很高的感应电压，很容易造成断路器绝缘的损害，故现在变电站都装设了大量的避雷器和避雷器，以免损坏一次设备；但是，由于雷电感应的作用，监测装置的信号线可能产生浪涌高压脉冲且由于空间辐射耦合以及传导耦合也可能造成不正常的运行或者误诊。（４）运行中电力设备的干扰：运行中的线路或母线中的工频电流产生工频磁场，对监测装置产生干扰；工频磁场波形为工频正弦波形，在正常情况下，由工频电流所产生的稳定磁场相对较小；但在故障状态下电流伴生的磁场就比较强，不过持续时间很短，直到保护设备动作为止。（５）射频干扰：无线电台、电视台、移动电话、电力系统中常用的对讲机等都是监测装置正常工作的射频干扰源，对监测装置构成射频场感应的传导干扰和射频电磁场辐射干扰。（６）静电放电干扰：当一个被静电充过电的绝缘材料接触到另外的导体的时候，其所携带的电荷会经过导体释放，这种静电放电的过程会产生很强的电弧，会有短暂的放电电流并伴随着很强的电磁场；静电放电的特点是波前时间只有1ns左右，带有数十纳秒的阻尼波尾，幅值可达十几千伏；具有显著的破坏性：使电子元器件故障、损坏或控制系统失灵，也可能使计算机程序出错或丢失数据。（７）谐波干扰：随着电力电子器件的广泛应用，谐波污染已经成为电网的公害；谐波、谐间波、载波信号对设备的主要影响是干扰其正常的工作状态，影响测量的准确度和动作的可靠性等。（８）断路器接地故障的暂态干扰：高压断路器如果发生短路接地情况，电流流经接地点和直接接地的变压器中性点形成回路，这时接地点和接地网的电位将升高，如果监测装置的接地点靠近故障设备，将会在监测装置电路中形成干扰电压；该干扰电压可从几十伏到近万伏，频率也从几kHz到几百kHz，且暂态电压可以远远超出正常电压，对监测装置的影响程度不言而喻。综上所述，高压断路器监测工况下常见的电磁干扰有：阻尼振荡波干扰、阻尼振荡磁场干扰、电快速瞬变脉冲群干扰、浪涌（冲击）干扰、脉冲磁场干扰、工频磁场干扰、射频场感应的传导干扰、射频电磁场辐射干扰、静电放电干扰、谐波干扰、交流电源输入端口电压暂降和短时中断干扰、直流电源输入端口电压暂降和短时中断干扰、工频频率变化干扰、直流电源输入端口纹波干扰，约14项干扰类型。
现有高压断路器机械故障监测中所采用的振动传感器大都来源于旋转机械的振动监测，而这类传感器一般是单端输出信号方式，难以满足高压断路器运行工况要求，常因复杂的电磁干扰而出现误诊、漏诊，严重时造成监测装置或传感器损坏。因此，开发一种适用于满足高压断路器运行工况的振动监测传感器非常必要。
发明内容
针对目前高压断路器机械故障监测中所采用振动传感器存在的不足，本发明公布了一种用于高压断路器机械故障监测的振动传感器。
本专利采用的技术方案是：一种用于高压断路器机械故障监测的振动传感器，它包括振动敏感元件、电荷放大器、传感器壳体和引线及其接头，将传感器安装在高压断路器的被监测部位，振动敏感元件拾取高压断路器运行状态信号并差分输出至电荷放大器的差分输入，电荷放大器的工作电源及其差分输出信号通过引线接头连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动敏感元件、电荷放大器安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部。
在本发明中，传感器壳体包括底部开有一螺孔2-9的基座2-1和顶部安装有引线接头2-3的屏蔽罩2-2，振动敏感元件2-6由螺钉2-8通过质量块2-5紧固在基座2-1上部凹槽中，与其连接的电荷放大器2-4由螺钉2-7固定于基座2-1顶部。
在本发明中，振动敏感元件是一个由两片相同的压电晶片串联而成的差分输出方式信号源，由晶片串联节点B端施加工作电压并分别从晶片的A、C端引出传感信号。
在本发明中，电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放IC1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和电容C1、C2、C3组成的单电源全差分放大器； C1、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3一起为振动敏感元件2-6提供工作电压，振动敏感元件的输出端A、C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，电阻R6为振动敏感元件的阻抗匹配电阻，双运放IC1与电阻R1、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻。
在本发明中，引线接头为一个四芯金属壳航空插座，其四个芯线分别连接传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出正Va+和差分输出负Va-；所述的引线为一根两端分别接有四芯金属壳航空插头的四芯屏蔽电缆，其四根芯分别两两对绞，一组对绞线连接VCC、GND，另一组对绞线连接Va+、Va-，屏蔽层仅与传感器端的航空插头外壳连接。
在本发明中，传感器安装是通过底部螺孔2-9连接良导电性永磁体或螺钉以将传感器固定于高压断路器的被监测部位。
本发明传感器的有益效果是，将敏感元元件和电路均安装在屏蔽罩、基座、引线接头一起形成的密闭金属空腔内，工作电源和传感信号均连接于引线接头且通过屏蔽双绞线传输，可有效抑制高压断路器状态监测工况环境的强电磁干扰，使高压断路器运行状态监测结果更加准确可靠。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的剖面结构图；
图中：2-1.基座，2-2.屏蔽罩，2-3.引线接头，2-4.电荷放大器，2-5.质量块，2-6.振动敏感器件，2-7.电荷放大器固定螺钉，2-8.质量块固定螺钉，2-9.传感器固定连接螺孔。
图3是本发明的压电效应示意图；
图中：A、B、C.铜片电极，D.绝缘隔膜，E.压电晶片。
图4是本发明的电路原理图；
图中：2-3.引线接头，2-6.振动敏感元件。
图5是本发明的引线结构示意图。
图6是本发明的外形图。
图7是本发明的俯视图。
图8是本发明的仰视图。
具体实施方式
参见附图1、附图2，一种用于高压断路器机械故障监测的振动传感器，它由振动敏感元件、电荷放大器、传感器壳体和引线及其接头等四个部分组成。传感器安装是通过其基座2-1底部的螺孔2-9连接良导电性永磁体或螺钉以将传感器固定于高压断路器的被监测部位，振动敏感元件2-6拾取高压断路器运行状态信号并差分输出至电荷放大器2-4的差分输入，电荷放大器2-4的工作电源及其差分输出信号通过引线接头2-3连接引线至监测装置，振动敏感元件、电荷放大器安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部。传感器壳体包括底部开有一螺孔2-9的基座2-1和顶部安装有引线接头2-3的屏蔽罩2-2，基座2-1、屏蔽罩2-2均由金属材料经机加工制成，优选材料为铜、不锈钢；振动敏感元件2-6由螺钉2-8通过质量块2-5紧固在基座2-1上部凹槽中，与其连接的电荷放大器2-4由螺钉2-7固定于基座2-1顶部。
形成电磁干扰必须同时具备三个要素：干扰源、敏感设备、耦合途径。高压断路器工况环境中不同种类型的干扰对监测装置与传感器会造成不同的影响，为了更好地分析不同干扰对高压断路器机械故障监测装置的影响，首先对高压断路器工况环境中的干扰信号进行分类。按照干扰源所在地不同可以将干扰分为内部干扰和外部干扰。电磁干扰主要有两种传播方式：传导和辐射，根据传播机理的不同可以将电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰。按照干扰信号频率不同可以将干扰分为低频干扰和高频干扰，低频干扰以工频电流和电压，以及低次谐波为主，也包括频率低于1MHz 的振荡；高频干扰以频率高于1MHz 的高频振荡和无线电信号为主，也包含快速瞬变干扰，这种干扰频谱含量也较为丰富。按照干扰作用方式的不同可以将干扰分为差模干扰和共模干扰，差模干扰主要存在于信号回路中，与正常的信号叠加在一起；而共模干扰一般是由地电位升高引起的，主要存在于导线与大地之间。在高压断路器工况环境中，干扰源是客观存在的，而振动监测传感器自身就是敏感设备，要抑制干扰对高压断路器机械故障监测装置的影响就只有减少耦合途径了。为此，本发明振动敏感元件2-6、电荷放大器2-4安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部，并通过传感器基座2-1底部的螺孔2-9连接良导电性永磁体或螺钉以将传感器固定于高压断路器被监测部位的壳体上，而高压断路器的壳体是与地网可靠连接的；因此，本发明附图1、附图2所示的技术方案可有效抑制辐射干扰。
参见附图3，A、B、C为铜片电极，D为绝缘隔膜，E为压电晶片；本发明振动传感器的振动敏感元件是一个由两片相同的压电晶片串联而成的差分输出方式信号源，由晶片串联节点B端施加工作电压并分别从晶片的A、C端引出传感信号；螺钉2-8通过质量块2-5紧固在基座2-1上部凹槽中，与其连接的电荷放大器2-4由螺钉2-7固定于基座2-1顶部；该振动敏感元件的工作原理是利用压电晶体片的压电效应来测量高压断路器运行中机械关键部件的振动和冲击。压电晶体的材料是一种离子型晶体电介质，不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象；即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移与外应力张量成正比；当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。本发明传感器的振动敏感元件属于压电式加速度传感器，采用中心压缩结构形式，受振时质量块加在压电元件上的力也随之变化，当被测振动频率远低于传感器的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比；其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比，即在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。本发明传感器的主要技术指标为：最大冲击加速度10000g，最高频响频率16kHz，完全满足高压断路器机械故障振动监测的要求。由于高压断路器工况下的电磁干扰复杂且严重，压电晶体本身具有对电场敏感的特性，为此，本发明传感器的振动敏感元件为差分输出方式，其输出的电荷经全差分电荷放大器后就成为正比于所受外力的电量输出，该输出方式可有效的抑制共模干扰，极大地提高了传感器的信噪比。
参见附图4，电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放IC1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和电容C1、C2、C3组成的单电源全差分放大器；其输入、输出均为带阻抗匹配的差分方式，能有效抑制输入、输出引线上的共模干扰与差模干扰。IC1为低功耗低噪声双运放，可选型号有：AD8572、AD8599、OP285、OP297、LI1012等；电容C1、C2、C3选择高频噪声抑制性能较好的COG 电容，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7选择温度特性系数较好的金属膜电阻。电容C1、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3一起为振动敏感元件2-6提供工作电压，振动敏感元件的输出端A、C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，双运放IC1与电阻R1、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R6为振动敏感元件的阻抗匹配电阻，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻。辐射干扰是以电磁波的形式通过空间传播的，而传导干扰是沿着导线传播的电磁干扰，主要可以分为4 种，分别是：电容耦合(电场耦合)、电感耦合(磁场耦合)、电磁场耦合和公共阻抗耦合；电与磁总是相生相伴的，在高压断路器的实际工况现场，不存在纯粹的电场或者磁场，所以严格的说，电磁场耦合包括电容耦合和电感耦合；但为了研究的方便，当测量点到干扰源的距离小于0.167 倍干扰波最大波长时，我们可以简单等效认为，高电压对应电容耦合，大电流对应电感耦合；当测量点到干扰源的距离大于0.167 倍干扰波最大波长时，干扰源产生的干扰看作辐射干扰。对于本发明传感器而言，这些干扰的影响通常是：（1）存在于信号回路中，与正常的信号叠加在一起而形成差模干扰；（2）干扰接地网，导致地电位升高，引起的信号线与地之间电压变化而形成共模干扰。为有效地抑制差模干扰和共模干扰对监测信号的影响，本发明传感器的技术方案是：（1）从振动敏感元件到电荷放大器输出均采用差分方式电路结构，可有效抑制信号输入、输出线上的共模干扰；（2）在振动敏感元件的输出引线A、C到电荷放大器的输入接点处并联电阻R6，该电阻的取值应与振动敏感元件的阻抗相匹配，可有效抑制振动敏感元件输出引线上的差模干扰；（3）在电荷放大器的输出引线接点处并联电阻R7，该电阻的取值应与传感器输出路径到监测装置的信号电缆内双绞线的线路阻抗相匹配，可有效抑制传感器输出信号线上的差模干扰。注：在监测装置内部的本发明传感器的输入接点处也要并联一个值阻与R7相同的电阻。由于不同批次生产的压电晶片在灵敏度上是存在差异的，本发明传感器的电阻R3用于调节全差分放大器的放大倍数以适应灵敏度不同的振动敏感元件的应用要求，差分放大器的放大倍数为：
A=1+(R1+R2)/R3
在传感器整定过程中，R3由可变电阻器替代，整定完成后将R3换为相应阻值的固定电阻。
参见附图5可知，本发明传感器的引线接头为一个四芯金属壳航空插座，其四个芯线分别连接传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出正Va+和差分输出负Va-；传感器引线为一根两端分别接有四芯金属壳航空插头的四芯屏蔽电缆，其四根线芯分别两两绞合，一组对绞线连接VCC、GND，另一组对绞线连接Va+、Va-，四芯屏蔽电缆的屏蔽层仅与传感器端的航空插头外壳连接，以避免多点接地而因地电位差异引入的干扰。传感器的工作电源可在3.0～5.5V之间选择，具体应在满足双运放IC1工作电源要求的前提下尽量选择较低等级的传感器工作电源电压，以降低传感器的静态功耗；同时，电阻R4、R5的阻值应大于10KΩ，电阻R1、R2的阻值应大于100KΩ。四芯屏蔽电缆的线芯由铜丝或镀锡铜丝绞合而成，均采用F46绝缘，并由绝缘的颜色加以区分，如：VCC红色、GND黑色、Va+绿色、Va-黄色；连接VCC、GND的绞合线芯的截面积为0.5mm2，连接Va+、Va-的绞合线芯的截面积为0.3mm2；线芯两两绞合的节距不大于15mm，将两组绞合线芯总绞，节距不大于外径的20倍，空隙处采用棉线或麻绳填充起承载作用，将总绞好的线芯上采用Φ0.12mm的铜丝或镀锡铜丝编织而成，密度不小于90%；采用PP带或聚酯带，一层绕包、一层纵包，搭盖率不小于15%，不能出现漏包情况；最后采用105℃阻燃丁晴聚合物挤压而成传感器信号电缆，该电缆所有绝缘线芯工频火花试验电压为4KV不击穿，电缆工作环境温度-40～+75度。
参见附图6、附图7、附图8，分别是本发明传感器的外形图、俯视图、仰视图，本发明传感器的安装是通过底部螺孔2-9连接良导电性永磁体或螺钉以将传感器固定于高压断路器的被监测部位。实际应用中，一般是将本发明传感器安装在高压断路器壳体内部，在安装位置允许的情况下通过螺钉将本发明传感器固定于高压断路器的被监测部位，防止松动；当安装条件受限时，可通过传感器底部螺孔2-9连接良导电性永磁体，再由永磁体将本发明传感器固定于高压断路器的被监测工件上。磁铁分两大类：一类是碳钢的能导电，另一类是各种氧化物的，包括四氧化三铁、稀土氧化物等，不导电。安装本发明传感器的永磁体要选择第一类，以使传感器外壳与高压断路器外壳具有良好的电连接，且传感器外壳通过高压断路器外壳连接地网，起到良好的屏蔽作用，有效抑制高压断路器工况现场的辐射干扰。
综上所述，本发明传感器的敏感元件和电路均安装在屏蔽罩、基座、引线接头一起形成的密闭金属空腔内，工作电源和传感信号均连接于引线接头且通过屏蔽双绞线传输，可有效抑制高压断路器状态监测工况环境的强电磁干扰，使高压断路器运行状态监测结果更加准确可靠。
Claims (1)
1.一种用于高压断路器机械故障监测的振动传感器，包括振动敏感元件、电荷放大器、传感器壳体和引线及其接头，传感器安装在高压断路器的被监测部位，振动敏感元件拾取高压断路器运行状态信号并差分输出至电荷放大器的差分输入，电荷放大器的工作电源及其差分输出信号通过引线接头连接屏蔽双绞线传输至监测装置，振动敏感元件、电荷放大器安装在由传感器壳体和引线接头组成的密封金属腔体内部；其特征是：所述的振动敏感元件是一个由两片相同的测量高压断路器运行中机械关键部件振动和冲击的压电晶片经中间铜片电极B串联而成的差分输出方式信号源，工作电压从中间铜片电极B施加，传感信号由上晶片的铜片电极A和下晶片的铜片电极C差分方式引出；所述的电荷放大器是一个由低功耗低噪声双运放IC1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和电容C1、C2、C3组成的单电源全差分放大器，C1、C2为电源退耦电容，电阻R4、R5与电容C3一起为振动敏感元件（2-6）提供工作电压，振动敏感元件的上晶片铜片电极A、下晶片铜片电极C经两根同样长度的导线分别连接至运放IC1A、IC1B的同相输入端，电阻R6为振动敏感元件的阻抗匹配电阻，双运放IC1与电阻R1、R2、R3组成一个全差分放大电路，电阻R7为传感器输出引线的线路阻抗匹配电阻；所述的传感器壳体包括底部开有一螺孔（2-9）的基座（2-1）和顶部安装有引线接头（2-3）的屏蔽罩（2-2），振动敏感元件（2-6）由螺钉（2-8）通过质量块（2-5）紧固在基座（2-1）上部凹槽中，与其连接的电荷放大器（2-4）由螺钉（2-7）固定于基座（2-1）顶部，通过底部螺孔（2-9）连接良导电性永磁体或螺钉以将传感器固定于高压断路器的被监测部位；所述的引线接头为一个四芯金属壳航空插座，其四个芯线分别连接传感器电源VCC、传感器地GND、差分输出正Va+和差分输出负Va-，其引线为一根两端分别接有四芯金属壳航空插头的四芯屏蔽电缆，其四根芯分别两两对绞，一组对绞线连接VCC、GND，另一组对绞线连接Va+、Va-，屏蔽层仅与传感器端的航空插头外壳连接。
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