CN106546157A - 一种断路器操作机构智能在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器操作机构智能在线监测装置及方法，装置包括两个位移传感器、挡板、托板、轴销、弹簧、拉杆、LC振荡电路、整形电路和CPU处理器，两个位移传感器位置对应于弹簧压缩状态的托板的位置和挡板端部位置，位移传感器的检测线圈的两端连接线从铁芯穿出，引至LC振荡电路，LC振荡电路输出与整形电路连接，整形电路的输出与CPU处理器的高速计数接口连接。通过高速计数器在设定定时时间内的计数值计算LC振荡电路频率，从而获得检测线圈电感，进而计算位移传感器与挡板距离，计算弹簧储能后托板和挡板的形变量。本发明采用无接触的位移传感器来获取操作机构静态应力的数值，无机械磨损，使用寿命长。

Description

一种断路器操作机构智能在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种断路器操作机构智能在线监测装置及方法，属于断路器在线监测技术领域。

背景技术

随着社会生产力的发展和科学技术的不断进步，对电力的需求也随之剧增，而断路器是电力系统中至关重要的控制和保护设备，也是电网中动作最为频繁的设备。因此，保证断路器安全可靠地运行有着十分重要的意义。

为了保证断路器安全可靠地运行，常对断路器安排检修。目前断路器的检修方式大致可分为三种，即事后检修、计划检修和状态检修。按照传统的计划检修方法，由于检修人员无法及时了解断路器操动机构的实际运行状态，操作盲目性强，容易造成检修过剩或检修不足。此外，断路器大修需要解体，时间成本和经济成本高，同时解体和重新装配可能会造成新的缺陷，降低断路器动作的可靠性。而通过状态检修的方法获取设备在运行状态下的信息特征，通过分析比较来确定设备是否发生故障或缺陷，发生故障或缺陷的部件位置，具有很强的实时性和针对性。因此，对断路器的在线监测必不可少。同时断路器在漫长的使用寿命期内，为了随时满足断路器分合、分合分等操作要求，操作机构等机械部件要长期承受较大的储能弹簧静态弹力，特别是当断路器处于合闸状态，其合闸弹簧和分闸弹簧将同时处于压缩储能状态。大量统计数据表明，长期处于高静态应力、腐蚀和温度等综合作用下，操作机构的零部件性能将会大大退化，如弹簧应力松弛、掣子及支架扭曲变形和轴销弯曲移位等，造成断路器因机械性能退化而不能正常进行分合闸操作，降低了断路器快速分断故障大电流的能力，从而引起事故。目前，比较成熟的在线监测系统主要针对断路器的机械特性，检测方法主要有行程-时间检测法、分合闸线圈电流检测法、振动信号检测法及图像测量等方法，这些在线监测系统针对的机械特性属于开关设备的动态性能，如果断路器长期处于合闸或分闸运行的静态状态，其静态性能的退化则不能被及时预警。因此对正常运行中的断路器进行静态性能监测，及时获得相应监测数据并判断运行状况显得十分重要，具有巨大的经济和社会效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提出一种断路器操作机构智能在线监测装置及方法，实时评估断路器操作机构的静态性能，防止操作机构主要零部件在长期高应力作用下性能退化而引发分合闸操作失败事故。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种断路器操作机构智能在线监测装置，包括位移传感器A、位移传感器B、挡板、托板、轴销、弹簧、拉杆、LC振荡电路、整形电路和CPU处理器，所述两个位移传感器整体安装在断路器操作机构框架上，位移传感器检测面与挡板直接面对，位移传感器A位置对应于弹簧压缩状态托板的位置，位移传感器B位置对应于弹簧压缩状态挡板端部；所述轴销埋在托板中，穿过拉杆的下拉孔，所述弹簧放置在托板和框架之间；所述托板靠近位移传感器的侧面刚性固定连接挡板，所述挡板的上端与托板面平齐，另一端向下延伸一段距离，该距离与托板的半径相同；

所述位移传感器包括检测线圈和铁芯，所述检测线圈的两端连接线从铁芯穿出，引至LC振荡电路；所述LC振荡电路输出与整形电路连接，整形电路的输出与CPU处理器的高速计数接口连接，位移传感器A和位移传感器B各自通过一路LC振荡电路和整形电路，接入CPU处理器的高速计数接口A和高速计数接口B通道。

前述的位移传感器的铁芯采用中间有凹槽的圆柱形结构，检测线圈位于凹槽内并环绕在芯柱上，

前述的铁芯中凹槽的大小和深度根据需要的检测线圈匝数和线径确定。

前述的位移传感器为矩形、C型或E型铁芯，检测线圈布置在E型铁芯的芯柱、C型铁芯的边柱或C型铁芯的轭部。

前述的托板为圆盘形，在托板靠近位移传感器的一侧加工成具有凹槽的平面结构，用于嵌入式安装挡板。

前述的挡板和托板采用螺钉固定、铆钉铰接或焊接。

前述的挡板采用长条状可导磁金属制成。

前述的位移传感器A和位移传感器B的结构和参数完全相同。

前述的LC振荡电路为电容反馈式LC振荡电路。

断路器操作机构智能在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：

1)弹簧储能时，断路器操作机构带动拉杆、轴销和托板向上运动，储能完成后，弹簧处于压缩状态，在线监测装置开始工作，使能高速计数接口A和高速计数接口B，然后等待系统进入中断，判断是否有高速计数接口触发的定时器中断，如果没有，则回到中断等待环节并继续判断，如果高速计数接口A和高速计数接口B触发中断，则进入定时器中断处理程序；

2)读取并保存计数值为C_N，依据计算公式f＝C_N/T₀计算LC振荡电路的正弦波信号频率f，将正弦波信号频率f代入计算公式计算位移传感器与挡板距离，这里，

对于位移传感器A，设读取的计数值为C_NA，则正弦波信号频率为f_A，计算公式为：

f_A＝C_NA/T₀，相应的位移传感器A与挡板距离g_A为：

对于位移传感器B，设读取的计数值为C_NB，则正弦波信号频率为f_B，计算公式为：

f_B＝C_NB/T₀，相应的位移传感器B与挡板距离g_B为：

其中，T₀为高速计数接口设定的定时，C₁和C₂为LC振荡电路中的两个谐振电容，μ₀为真空磁导率，S为铁芯芯柱面积，N为检测线圈的匝数；

完成上述计算处理后退出中断程序；

3)计算形变量δ，即令δ＝|g_B-g_A|，该形变量就等于托板形变量；

4)设置一个故障阈值，当形变量δ小于故障阈值，则输出一个故障告警信息，提醒操作人员注意并安排停电检修计划，如果形变量δ不小于故障阈值，则断路器处于安全状态，退回到中断等待环节，继续下一次的静态性能监测。

本发明的有益效果为：

1.本发明对断路器操作机构进行实时监测，能及时发现断路器在静态状态下操作机构的性能退化。

2.本发明采用无接触的位移传感器来获取操作机构静态应力的数值，无机械磨损，使用寿命长，也不会因传感器与被测物接触而造成信号损失。

3.本发明利用附加挡板将垂直方向的托板弹性形变量转化为水平方向的位置偏移量，简单易行，有助于静态特性监测结果的获取。

4.本发明采用LC振荡电路将位移信号转化为频率信号，通过高速计数器测量频率值，测量精度高，稳定性高。

5.本发明采用双位移传感器求差值的办法，消除了系统固有位置偏移量，克服了断路器操作机构装配、操作运行对静态特性监测结果的干扰，使得测量结果准确有效，是一种能有效提高断路器安全和可靠性的在线监测方法。

附图说明

图1为本发明中断路器操作机构静态特性在线监测装置安装位置示意图；

图2为本发明中断路器的传动结构示意图；

图3为本发明中托板和挡板结构图；

图4为本发明中托板和挡板受力后的静态偏移量图；

图5为本发明中位移传感器的内部结构图；

图6为本发明中静态应力检测原理图；图6(a)为位移传感器磁路径的截面图，图6(b)为基于电感检测原理的静态应力监测原理框图；

图7为本发明中双传感器通道示意图；

图8为本发明中信号处理电路原理图；

图9为本发明中静态特性在线监测流程框图；

图10为本发明中位移传感器的其他结构图；图10(a)为检测线圈布置在C型铁芯的边柱，图10(b)为检测线圈布置在C型铁芯的轭部；图10(c)为检测线圈布置在E型铁芯的芯柱。

图中：位移传感器1、挡板2、托板3、轴销4、弹簧5、拉杆6、框架7、检测线圈8、铁芯9、LC振荡电路10、整形电路11、CPU处理器12、分闸棘爪13、分闸掣子14、传动拐臂15、凸轮16、合闸掣子17。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。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1所示，本发明的断路器操作机构智能在线监测装置，包括安装于断路器操作机构框架7上的两个位移传感器1、挡板2、托板3、轴销4、弹簧5和拉杆6，LC振荡电路10、整形电路11和CPU处理器12。

如图5所示，位移传感器包括检测线圈8和铁芯9，铁芯9采用中间有凹槽的圆柱形结构，检测线圈8环绕在中间的凹槽芯柱上，中间的凹槽芯柱的截面积大体与外部圆环面积相等，根据需要的检测线圈匝数和线径确定铁芯中凹槽的大小和深度，铁芯可以采用铁氧体磁芯、电工纯铁等高性能导磁材料制成，检测线圈的两端连接线可以打孔从铁芯穿出，引至LC振荡电路。参见图1，位移传感器整体安装在断路器操作机构框架7上，位移传感器检测面与挡板2直接面对，2个位移传感器结构和参数完全相同，分别安装在A位置和B位置，A位置对应于弹簧5压缩状态托板3的位置，B位置对应于弹簧5压缩状态挡板2端部。轴销4埋在托板3中，穿过拉杆6的下拉孔，弹簧5放置在托板3和框架7之间。拉杆6动作下，会拉动轴销4，从而带动托板3，对弹簧5进行拉长或伸缩。弹簧5储能时，断路器操作机构带动拉杆6、轴销4和托板3向上运动，储能完成后，托板3位于储能位置且与位置A处的位移传感器1面对，弹簧处于压缩状态。在托板3侧面刚性固定连接挡板2，挡板2从托板3向下延伸一段距离，该距离与托板3的半径相当。

如图3所示，托板3为圆盘形，在托板3的靠近位移传感器安装位置的一侧，加工成具有凹槽的平面结构，用于嵌入式安装挡板2并起到定位作用，挡板2的厚度略超出托板3圆周面以起到便于位移传感器检测挡板位置，挡板2和托板3可采用螺钉固定、铆钉铰接或焊接，挡板的上端基本与托板面平齐，另一端向下延伸，长度与托板半径相当，为防止挡板变形，挡板需要一定的厚度，挡板2采用长条状可导磁金属制成。

如图6和图7所示，位移传感器的检测线圈连接线与LC振荡电路连接，LC振荡电路输出与整形电路连接，整形电路的输出与CPU处理器的高速计数接口连接，两个位置的位移传感器分别通过LC振荡电路和整形电路，接入CPU处理器的高速计数接口A和高速计数接口B通道。

如图2所示的断路器操作机构的传动结构，包括合闸部分和分闸部分，合闸部分主要包括托板3、轴销4、弹簧5、拉杆6、框架7、凸轮16、合闸掣子17，合闸弹簧储能后，弹簧受压产生的静态弹力作用到托板3、轴销4、拉杆6、凸轮16、合闸掣子17。分闸部分主要包括托板3、轴销4、弹簧5、拉杆6、框架7、分闸棘爪13、分闸掣子14、传动拐臂15，分闸弹簧储能后，弹簧受压产生的静态弹力作用到托板3、轴销4、拉杆6、分闸棘爪13、分闸掣子14、传动拐臂15。断路器设计要求其操作机构能满足合-分、分-合和分-合-分的操作要求，因此在合闸状态下，合闸弹簧和分闸弹簧应同时处于压缩储能状态，而分闸状态下，合闸弹簧处于压缩储能状态。弹簧压缩储能引起操作机构传动部件承受长期的静态应力，引起如轴销扭曲、拉杆松脱、凸轮和传动拐臂变形、棘爪和掣子扭曲变形等异常现象，如不能及时发现，将导致操作机构不能满足断路器的分合闸操作的要求而引发事故。

如图4所示，托板和挡板受力后的静态偏移量。在弹簧压缩状态，托板3通过拉杆6、轴销4的作用保持在储能位置，此时托板3中部轴销处承受向上的拉力，两侧面承受弹簧向下的压力，此时托板上表面被拉伸、下表面被压缩，设托板受力后产生的形变量为δ′，由于该形变量位于垂直方向，与操作机构运行方向重合，位移传感器的安防将会影响弹簧和操作机构的运动，因此通过挡板2将垂直方向上的形变量δ′转化为挡板末端水平方向上的形变量δ，且挡板2具有方法或缩小托板形变量的作用，当挡板2的长度和托板3的半径相当时，两方向上的形变量大体相等，可将挡板水平方向的形变量δ等价于托板垂直方向上的形变量δ′。理论分析表明，受力后挡板上端水平方向上的形变量几乎可以忽略，利用此位置的位移传感器可以消除系统固有偏差，从而获得高精度的纯弹性形变量δ。

如图6所示的静态应力检测原理，其中，图6(a)为体现位移传感器磁路径的截面图，图6(b)为基于电感检测原理的静态应力监测原理框图。由图6(a)可见，检测线圈产生的磁通流经铁芯中间芯柱、外圆环、气隙、挡板，再次穿过气隙回到芯柱，形成闭合的圆环，假设铁芯芯柱和铁芯外圆环面积相等且都为S，检测线圈的匝数为N，线圈通入电流为i，铁芯平面与挡板距离为g，且忽略铁芯和挡板的磁阻，则铁芯中流经的磁通φ为：

其中，B为磁感应强度，μ₀真空磁导率，F为磁势。则检测线圈匝链的磁链ψ为：

此时检测线圈的电感L为：

由图6(b)可见，位移传感器的检测线圈8与LC振荡电路10连接，LC振荡电路输出与检测线圈电感L值有关联的高频正弦波信号，输出的正弦波信号经过整形电路11整形后转变为矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号送入CPU处理器的高速计数接口，通过高速计数器在设定定时时间T₀内的计数值来计算输入信号频率，从而获得检测线圈电感测量值。由于检测线圈的电感与距离g成反比关系，而该距离又与弹性形变量有关，由此可以测得弹簧储能后托板和挡板的形变量大小。

如图7所示，双传感器通道示意图，包括两个位移传感器的检测线圈，分别为检测线圈A和检测线圈B，两个检测线圈分别与对应的LC振荡电路和整形电路连接，整形电路的输出信号分别送入CPU处理器的高速计数接口A和接口B。双通道传感器构成一个距离的差动信号，可以有效消除系统固有偏差。

如图8所示，信号处理电路的原理图。采用电容反馈式LC振荡电路，检测线圈等效为LC振荡电路中的可变电感L，电感L与两个电容C₁和C₂并联构成LC谐振回路，该LC振荡电路输出的正弦波信号的频率f近似等于：

其中，C₁和C₂为LC振荡电路中的两个谐振电容，L为检测线圈的电感，由于LC振荡器的输出频率仅与电容和电感有关，而电容和电感参数受温度的影响较小，因此LC振荡电路的频率稳定性较RC振荡电路高。根据电路设计要求选定电容C₁和C₂后，LC振荡电路的输出频率仅与检测线圈的电感值有关，为此，通过检测LC振荡电路的输出正弦波频率，即可计算得到检测线圈的电感值。

然后根据式：即可得到：

整形电路的目的在于将正弦波信号变为易于CPU处理器高速计数接口处理的数字脉冲信号，根据选用的CPU型号和电压范围不同而有所不同，对于有些场合需要增加信号缓存电路或电平转换电路，以适应不同数字电路的信号电平值。整形电路的典型应用包括比较器和电压跟随器，正弦波信号经比较器转变为方波脉冲信号，再经过电压跟随器或者反相器后变为前后沿较为陡峭的数字脉冲信号。

如图9所示，静态特性在线监测流程框图，具体步骤如下：

1)当断路器处于弹簧压缩储能稳定(静态)状态后，开始工作，使能高速计数接口A和B，然后等待系统进入中断，判断是否有计数接口触发的定时器中断，如果没有，则回到中断等待环节并继续判断，如果高速计数接口A和B触发中断，则进入定时器中断处理程序；

2)读取并保存计数值入C_N变量，依据计算公式f＝C_N/T₀计算LC振荡电路的正弦波信号频率f，将正弦波信号频率f代入计算公式计算位移传感器与挡板距离，这里，

对于位移传感器A，设读取的计数值为C_NA，则正弦波信号频率为f_A的计算公式为：

f_A＝C_NA/T₀，相应的位移传感器A与挡板距离为：

对于位移传感器B，设读取的计数值为C_NB，则正弦波信号频率为f_B的计算公式为：

f_B＝C_NB/T₀，相应的位移传感器B与挡板距离为：

图中，T₀为计数接口设定的定时，f_A和f_B分别为位置A和位置B位移传感器检测线圈在LC振荡电路上获得的正弦波信号频率，g_A和g_B分别为位置A和位置B位移传感器检测到的距离，完成上述计算处理后退出中断程序；

3)计算形变量，即令δ＝|g_B-g_A|，该形变量与托板形变量δ′相当；

4)为防止误判，设置一个故障阈值，当形变量δ小于故障阈值，也就是说弹簧储能后的弹性力过小，这可能是弹簧材料疲劳老化所致，也可能是传动机构上轴销扭曲、拉杆松脱、掣子或棘爪变形所致，则输出一个故障告警信息，提醒操作人员注意并安排停电检修计划，如果弹性形变量不小于故障阈值，则断路器处于安全状态，退回到中断等待环节，继续下一次的静态性能监测。

如图10所示，位移传感器的结构有多种形式，包括矩形、C型和E型铁芯，检测线圈布置在E型铁芯的芯柱如图10(c)、C型铁芯的边柱如图10(a)或C型铁芯的轭部如图10(b)。

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 (10)

1.一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，包括位移传感器A、位移传感器B、挡板、托板、轴销、弹簧、拉杆、LC振荡电路、整形电路和CPU处理器，所述两个位移传感器整体安装在断路器操作机构框架上，位移传感器检测面与挡板直接面对，位移传感器A位置对应于弹簧压缩状态托板的位置，位移传感器B位置对应于弹簧压缩状态挡板端部；所述轴销埋在托板中，穿过拉杆的下拉孔，所述弹簧放置在托板和框架之间；所述托板靠近位移传感器的侧面刚性固定连接挡板，所述挡板的上端与托板面平齐，另一端向下延伸一段距离，该距离与托板的半径相同；

所述位移传感器包括检测线圈和铁芯，所述检测线圈的两端连接线从铁芯穿出，引至LC振荡电路；所述LC振荡电路输出与整形电路连接，整形电路的输出与CPU处理器的高速计数接口连接，位移传感器A和位移传感器B各自通过一路LC振荡电路和整形电路，接入CPU处理器的高速计数接口A和高速计数接口B通道。

2.根据权利要求1所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述位移传感器的铁芯采用中间有凹槽的圆柱形结构，检测线圈位于凹槽内并环绕在芯柱上。

3.根据权利要求2所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述铁芯中凹槽的大小和深度根据需要的检测线圈匝数和线径确定。

4.根据权利要求1所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述位移传感器为矩形、C型或E型铁芯，检测线圈布置在E型铁芯的芯柱、C型铁芯的边柱或C型铁芯的轭部。

5.根据权利要求1所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述托板为圆盘形，在托板靠近位移传感器的一侧加工成具有凹槽的平面结构，用于嵌入式安装挡板。

6.根据权利要求5所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述挡板和托板采用螺钉固定、铆钉铰接或焊接。

7.根据权利要求6所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述挡板采用长条状可导磁金属制成。

8.根据权利要求1所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述位移传感器A和位移传感器B的结构和参数完全相同。

9.根据权利要求1所述的一种断路器操作机构智能在线监测装置，其特征在于，所述LC振荡电路为电容反馈式LC振荡电路。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的断路器操作机构智能在线监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)弹簧储能时，断路器操作机构带动拉杆、轴销和托板向上运动，储能完成后，弹簧处于压缩状态，在线监测装置开始工作，使能高速计数接口A和高速计数接口B，然后等待系统进入中断，判断是否有高速计数接口触发的定时器中断，如果没有，则回到中断等待环节并继续判断，如果高速计数接口A和高速计数接口B触发中断，则进入定时器中断处理程序；

2)读取并保存计数值为CN，依据计算公式f＝C_N/T₀计算LC振荡电路的正弦波信号频率f，将正弦波信号频率f代入计算公式计算位移传感器与挡板距离，这里，

对于位移传感器A，设读取的计数值为C_NA，则正弦波信号频率为f_A，计算公式为：f_A＝C_NA/T₀，相应的位移传感器A与挡板距离g_A为：

对于位移传感器B，设读取的计数值为C_NB，则正弦波信号频率为f_B，计算公式为：f_B＝C_NB/T₀，相应的位移传感器B与挡板距离g_B为：

其中，T₀为高速计数接口设定的定时，C₁和C₂为LC振荡电路中的两个谐振电容，μ₀为真空磁导率，S为铁芯芯柱面积，N为检测线圈的匝数；

完成上述计算处理后退出中断程序；

3)计算形变量δ，即令δ＝|g_B-g_A|，该形变量就等于托板形变量；

4)设置一个故障阈值，当形变量δ小于故障阈值，则输出一个故障告警信息，提醒操作人员注意并安排停电检修计划，如果形变量δ不小于故障阈值，则断路器处于安全状态，退回到中断等待环节，继续下一次的静态性能监测。