CN106662616B - 枢转支撑结构和断路器 - Google Patents

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Abstract

用于断路器的枢转支撑结构和断路器。枢转支撑结构(25)包括：支撑体(251)，具有用于接收和枢转地支撑被连接至断路器的致动机构的枢转销的支撑孔(2511)，其中至少一个应变计被安装至支撑体(251)用于感测由致动机构作用在枢转支撑结构上的力。该枢转支撑结构可以准确地感测所施加的特征力，使得可以在线监测断路器的接触力和机械特性。

Description

枢转支撑结构和断路器
技术领域
本公开的实施例涉及断路器领域，并且特别涉及一种用于断路器的枢转支撑结构以便于在线监测断路器的机械特性。
背景技术
近几年来，越来越多的专家非常注重对断路器的机械特性监测的研究和发展。断路器的动态特性可以有效地反映断路器的运行故障。因此，机械特性被视作对于断路器来说的最重要的特征之一，并且存在有监测断路器的机械特性的要求。
目前，断路器的机械特性监测通常借助于电子传感器在离线环境中进行。离线环境可以是其中断路器没有被电连接至电网并且因此不会经受电网中的高电压的测试环境。用于在该测试环境中测试的电压相对低使得其不会影响电子传感器的正常操作。然而，由于在离线或测试环境中的电路触头未经受真实的高电压，所以监测到的结果无法准确地反映断路器的实际操作状态并且因此仅能充当用于研究断路器的有限参考。
随着智能电网技术的发展，存在有对于可在断路器的正常工作状态下在线监测其机械特性以便支持智能电网的功能的智能断路器的需求。在线监测可以反映断路器的真实的工作状态，并且因此在研究和控制断路器上更有用。
断路器的最重要的机械特性之一是尤其在闭合时段期间施加在断路器的动触头上的接触力的值。该接触力是用于评价断路器的机械特性的其他方面、例如断路器的准确的闭合与断开时间点的基础。
然而，当前的离线监测方法不适合在线监测接触力。在线环境中的电网的高电压可能轻易地损坏用于离线监测的电子器件。
另外，由于在高电压下的电闭合与断开时间点归因于在高电压下的击穿导通而不能代表动触头的真实的机械闭合与断开，所以有必要在断路器的工作状态中找到动触头的机械闭合与断开时间点以便准确地监测断路器的机械特性。然而，在高电压下难以直接监测断路器的准确的机械闭合与断开时间点。
因此，要求用于在线监测断路器的机械特性、特别是用于在线监测准确的接触力和机械闭合与断开时间点的方法和设备。
发明内容
因此，为了克服上面提到的现有技术中的缺陷中的一个或多个，本公开的实施例的目的之一是提供用于断路器的枢转支撑结构和具有这样的枢转支撑结构的断路器。
根据本公开的实施例的一个方面，提供有一种用于断路器的枢转支撑结构，包括：支撑体，具有用于接收和枢转地支撑被连接至断路器的致动机构的枢转销的支撑孔。至少一个应变计被安装至支撑体用于感测由致动机构作用在枢转支撑结构上的力。
根据本公开的实施例的一个方面，支撑体进一步包括感测孔，并且至少一个应变计被安装至感测孔的内壁。
根据本公开的实施例的一个方面，支撑体限定了纵向方向，并且进一步包括用于在支撑体的纵向方向与断路器的竖直方向对齐的状态下将支撑体固定至断路器的安装结构。感测孔在纵向方向上布置在安装结构与支撑孔之间。
根据本公开的实施例的一个方面，至少一个应变计包括用于感测作用在枢转支撑结构上的拉伸力的两个拉伸应变计，和用于感测作用在枢转支撑结构上的压缩力的两个压缩应变计。两个拉伸应变计和两个压缩应变计被以使得它们适于感测纵向方向上的力的定向安装至感测孔的内壁。应变计可以被以任何常见的方式、例如通过胶粘剂安装(即，附接)至支撑体。
根据本公开的实施例的一个方面，两个拉伸应变计在纵向方向上的一侧被安装至感测孔的内壁，其中这两个拉伸应变计关于通过感测孔的中心且平行于纵向方向的虚拟线对称，并且两个压缩应变计在纵向方向的另一侧被安装至感测孔的内壁，其中这两个压缩应变计关于所述虚拟线对称。
根据本公开的实施例的一个方面，两个拉伸应变计和两个压缩应变计被连接为惠斯通桥(Wheatstone bridge)，其中两个拉伸应变计未直接连接，并且两个压缩应变计未直接连接。换言之，拉伸应变计和压缩应变计交替地连接，使得惠斯通桥的两个桥臂各具有一个拉伸应变计和一个压缩应变计，并且一个臂中的一个拉伸应变计和一个压缩应变计的次序与另一个臂中的不同。
根据本公开的实施例的一个方面，狭槽布置在支撑体上以提高支撑体的围绕感测孔的部分在作用在支撑孔上的力的作用下的柔性。
根据本公开的实施例的一个方面，枢转支撑结构进一步包括被连接且固定至支撑体的印刷电路板。印刷电路板被配置成基于至少一个应变计的电阻上的变化来计算作用在枢转支撑结构上的力的值并且传输力的计算值。
根据本公开的实施例的一个方面，印刷电路板被进一步配置成基于作用在枢转支撑结构上的力的计算值来计算施加在断路器的动触头上的接触力和/或评价断路器的闭合与断开时间点。
根据本公开的实施例的一个方面，印刷电路板被进一步配置成接收并转发来自被连接至印刷电路板的通信端口的另一设备的输出。
根据本公开的实施例的一个方面，枢转支撑结构进一步包括保持件以进一步支撑和保护印刷电路板。
根据本公开的实施例的一个方面，进一步提供了一种断路器，包括用于致动断路器的动触头的致动机构和根据前述实施例中的任一个的枢转支撑结构。枢转支撑结构的支撑体被固定至断路器的基座，并且枢转支撑结构的支撑孔凭借销被联接至致动机构的杠杆。枢转支撑结构被固定至断路器以便感测由致动机构的杠杆作用在枢转支撑结构上的在相对于断路器的基座的竖直方向上的力。
根据本公开的实施例的一个方面，断路器进一步包括被连接至枢转支撑结构的数据处理单元。数据处理单元被配置成基于来自枢转支撑结构的感测到的力的值来计算施加在断路器的动触头上的接触力和/或评价断路器的闭合与断开时间点。
由于力传感器(应变计)与断路器的致动机构的支撑结构为一体，并且传感器和支撑结构在断路器的工作期间不会移动，所以感测结果将更准确，并且传感器可以承受更大次数的操作。另外，由于传感器没有安装至任何可动的致动元件，所以传感器的拆卸不会改变断路器的机械特性，并且因此传感器容易维护。传感器和印刷电路板的一体化便于力值的准确计算和力值的数据传输。
由于断路器的闭合或断开的准确时间点可以通过感测电路的支撑结构上的特征力来确定，所以感测电子器件和感测过程不会受到动触头附近的诸如高电压、复杂磁场和电弧放电等的恶劣环境的影响。因此，监测断路器的闭合或断开的时间点可以在断路器的正常工作期间进行。
附图说明
当阅读参照附图关于示例性实施例的以下详细描述时，本公开的目标、特征和优点变得显而易见，其中
图1图示出可以通过根据本发明的实施例的方法进行在线监测的示例性断路器。
图2图示出施加在如图1所示的断路器的连杆机构上的力。
图3图示出根据本发明的实施例的枢转支撑结构的支撑体的透视图。
图4图示出图3中的支撑体的侧视图。
图5图示出由四个应变计构成的惠斯通桥。
图6图示出图3的枢转支撑结构，其中印刷电路板被组装上，并且保持件被拆下。
图7图示出图3的枢转支撑结构，其中印刷电路板和保持件被组装上。
具体实施方式
在下文中，将在描述本公开的机制和精神时参考示例性实施例。应该理解的是，这些实施例仅仅被提供以便于本领域技术人员理解并且进而实施本公开，而不是用于以任何方式限制本公开的范围。
本文以示例性方式通过参考附图来详细描述本公开的各种实施例。
图1图示出可以通过根据本发明的实施例的方法在线监测的示例性断路器。如图1所示的断路器是高电压断路器，包括被围在绝缘套筒1中的静触头和动触头(未示出)，和用于致动动触头的闭合与断开动作的致动机构2。致动机构2通常是用于将来自主动元件、例如电机或弹簧致动器的驱动力传输至动触头的连杆机构。如图1所示，连杆机构包括彼此依次枢转地连接的第一杠杆21、第二杠杆22、第三杠杆23。第一杠杆21被连接至由主动元件驱动的驱动轴20，并且第三杠杆23被枢转地连接至断路器的基座上的枢转支撑结构25。推杆24在一个端部上在与第三杠杆23和枢转支撑结构25之间的枢转点相距某一距离处被枢转地连接至动触头。推杆24的另一端部被连接至绝缘套筒1中的动触头。通过凭借电机或弹簧驱动驱动轴20转动，动触头可以通过来自第一杠杆21、第二杠杆22、第三杠杆23和推杆24的力传输而在套筒1中沿纵向方向上下移动，以便接触静触头或与静触头分离并因此闭合或断开电路。
由于在绝缘套筒1内侧存在有牵涉到高电压、高磁场和触头之间的预电弧的恶劣环境，所以将电子传感器布置在触头附近以感测用于确定在闭合或断开操作期间动触头刚刚闭合或断开时的时间点的触头的参数是不实际的。动触头在闭合与断开时段期间的弹跳进一步加重了基于任何可能的感测到的数据确定动触头的闭合或断开的确切的时间点的难度。本发明基于如下认识：归因于由静触头施加至动触头的反作用力的改变，在断路器的闭合与断开期间显著的力变化将以瞬变而发生在动触头和驱动机构上。
图2图示出施加在如图1所示的断路器的连杆机构上的力。在断路器的平衡闭合状态下，动触头在来自连杆机构的力的作用下抵靠静触头。在该情况中，静触头会将反作用力F2(也称作接触力)施加在动触头上，该反作用力进而通过推杆24被传导至第三杠杆23。一旦动触头在断开时段中与静触头分离，动触头、推杆24和第三杠杆23上的反作用力F2就会急剧地减小并且甚至变成零。同样，在断路器的闭合时段期间，由静触头施加在动触头上的反作用力F2会从零急剧地增加至相当高的值。看起来施加在推杆24或第三杠杆23上的反作用力F2的变化可以充当反映断路器的闭合与断开过程的特征。此外，可以合理地假设在当动触头刚刚开始接触静触头时的时间点处，将首次发生闭合时段中的反作用力F2的值的第一次瞬态增加；并且在当动触头刚刚开始与静触头分离时的时间点处，将首次发生断开时段中的反作用力F2的值的第一次瞬态减小。
基于上面的观察，有利的是通过识别反作用力F2的变化来确定用于断路器的闭合与断开的时间点。
根据本发明的实施例，提供一种用于监测断路器的方法。方法包括以下步骤：获得与断路器的致动机构相关联的特征力(在该实施例中，是由断路器的动触头直接施加在致动机构的连杆机构上的接触力)；和，通过识别力的变化来确定发生断路器的闭合和/或断开的时间点。特别地，当发生特征力的变化增加时，将相应的时间点确定为断路器的闭合的时间点；并且当发生特征力的变化减小时，将相应的时间点确定为断路器的断开的时间点。
可以在不同的位置感测接触力或反作用力F2。例如，可以通过布置在推杆24上的力传感器在推杆24上感测接触力F2。力传感器可以是被连接至测量电路的应变计。应变计实际上是可以与应变计安装所至的物体上的应变一起变形的可变电阻器。当力施加在物体上时，应变计将变形并且应变计的电阻值将改变。借助于测量电路，应变计的改变的电阻可以造成电信号上的改变，该改变可以代表相应的力的值。为了放大推杆24上的应变以便于测量，可以在推杆24上的安装应变计的地方设置一些弹性结构，诸如一些狭槽。这些弹性结构提高应变计被安装所在的推杆24的变形率，使得归因于接触力F2的应变可以被放大并因此更易于被准确地感测到。利用被连接至应变计的测量电路，可以基于感测到的应变和已知的变形率来计算出接触力F2。
在实施例中，也可以在第三杠杆23上的推杆24被连接至第三杠杆23所在的位置上或者在将推杆24与第三杠杆23连接的枢转轴上感测接触力F2。这些位置都与动触头隔离并远离使得感测不会被隔离套筒1中的恶劣环境显著地影响，并且感测部件被防止遭受恶劣环境并被恶劣环境损坏。
进一步参考图2，在平衡闭合状态下，连杆机构还经受其他力，诸如来自外部支撑结构的反作用力和来自邻接杠杆的相互作用力。例如，采用第二杠杆22和第三杠杆23作为系统，除了接触力F2之外，该系统进一步经受以下力：第三杠杆23的连接至枢转支撑结构25的端部经受来自枢转支撑结构25的反作用力F1，该力可以分成垂直于接触力F2的方向的分量F1x和在接触力F2的方向上的分量F1y；第二杠杆22的连接至第一杠杆21的端部经受来自第一杠杆21的作用力F3，该力可以分成垂直于接触力F2的方向的分量F3x和在接触力F2的方向上的分量F3y。在平衡闭合状态下，包括第二杠杆22和第三杠杆23的系统应该满足以下三个平衡条件以便保持在静态平衡状态：由系统经受的在X方向(垂直于接触力F2的方向)上的合力等于零；由系统经受的在Y方向(接触力F2的方向)上的合力等于零；并且由系统中的各杠杆经受的合力矩等于零。
基于上面的三个条件，可以获得以下四个等式：
F1x＝F3x；
F1y+F3y＝F2；
F3r·P3＝F3x·P5；
F2·P1+F3x·P4＝F3y·(P1+P2).
其中：参数P1、P2、P3、P4和P5是指如图2中所标记的距离。
在将上面的等式变换之后，获得：
从上面的结果(1)至(4)似乎假设所有距离P1至P5是恒定的，则力F1x、F1y、F3x和F3y都与接触力F2线性相关。考虑到在其中动触头几乎接触或离开静触头时的短暂的闭合或断开时段中动触头的非常小的移动期间在距离P1至P5上的相当小的改变，力F1x、F1y、F3x和F3y可以被视作在其中动触头几乎接触或离开静触头时的时段期间与接触力F2近似线性相关。在该情况中，力F1x、F1y、F3x和F3y上的改变也可以用来反映接触力F2上的改变并因此反映断路器的闭合与断开过程。
在实施例中，通过获得力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个，并且采取力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个作为特征力，并且识别出力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个的变化，也可以确定断路器的闭合与断开的时间点。
在实施例中，也可以进一步测量在动触头的平衡闭合状态下的距离P1至P5，并且借助于上面的结果(1)至(4)利用感测到的力F1x、F1y、F3x和F3y中的任一个以及距离P1至P5计算出接触力F2。此后，计算出的接触力F2可以被进一步用作特征力以如前面所描述地确定断路器的闭合与断开的时间点。
事实上，断路器的整个连杆机构或任何其他可能的致动机构都将受到接触力F2的影响。施加在连杆机构上的或者由连杆机构施加的任何力都将响应于接触力F2的改变而改变。因此，在理论上，与连杆机构相关联的任何力都可以用作被直接感测的并用来确定闭合与断开时间点的特征力。可用作特征力的力至少包括：
-接触力F2；
-由致动机构的连杆机构的任何杆经受的内力；
-由连杆机构的任何杆的任一端部经受的合力；
-由连杆机构的任何杆的任一端部经受的合力的分量，该分量
在接触力的方向上；
-由连杆机构的任何杆的任一端部经受的合力的分量，该分量
垂直于接触力的方向；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受的合力；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受的合力的分量，该分量在
接触力的方向上；
-由用于连杆机构的任何枢转点经受的合力的分量，该分量垂
直于接触力的方向。
为了感测施加在连杆机构上的或由连杆机构施加的力，应变计应该被安装至相应的位置。例如，应变计可以沿着杠杆的纵向方向被安装在任何杠杆上以感测杠杆上的内应力；应变计可以被安装在任何杠杆的端部上以感测由其他连接的部件施加在杠杆的端部上的力(X分量、Y分量或合力)。有利的是将应变计附接在任何枢转点(诸如枢转支撑结构25)上以感测由连杆机构施加的的力，该力具有与在同一点施加在连杆机构上的力相同的值，并且也用来确定闭合与断开时间点。由于应变计被安装至静止的结构(枢转支撑结构25相对于断路器是静止的)，所以应变计不会移动，使得应变计可以被更牢固地安装，并且感测精度会更高而没有应变计的移动的影响。
为了准确地反映接触力F2上的改变，充当特征力的其他力应该具有相对于接触力F2的高的线性度和灵敏度。正常情况下，在接触力F2的方向上的力应该与其他方向上的力相比具有相对于接触力F2的更大的线性度和灵敏度。对于如图2所示的连杆机构，反作用力F1的Y分量F1y和作用力F3的Y分量是在接触力F2的方向上，并且具有相对于接触力F2的高的线性度和灵敏度。因此，有利的是直接感测力F1y或F3y作为特征力以确定闭合与断开的时间点。实验结果表明，力F1y与F3y相比具有更高的线性度和灵敏度。在这方面，进一步有利的是将应变计附接在枢转支撑结构25上以感测F1y作为特征力。
鉴于上面的内容，似乎特别有利的是将应变计附接在枢转支撑结构25上以感测由连杆机构施加在枢转支撑结构25上的竖直力。需要领会的是，施加在枢转支撑结构25上的该竖直力在值上等于反作用力F1的竖直分量F1y但具有相反的方向。因此，施加在枢转支撑结构25上的该竖直力的值可以被有利地视作反作用力F1的竖直分量F1y的值。利用该感测到的力值，可以借助于上面的等式(1)至(4)来计算接触力F2以监测动触头的闭合与断开时间点。该感测到的力值也可以如上面所描述地通过监测该值随时间推移的瞬变而用来直接监测动触头的闭合与断开时间点。
参照图3，根据实施例，设置了枢转支撑结构25以便于感测由连杆机构施加在枢转支撑结构25上的竖直力。枢转支撑结构25可以如上面所提到地被固定至断路器的基座(例如，如图1所示)。枢转支撑结构25包括：支撑体251，其具有用于接收并枢转地支撑被连接至断路器的致动机构(例如，第三杠杆23)的枢转销的支撑孔2511。
支撑体251进一步包括感测孔2512。至少一个应变计(未示出)被安装至感测孔2512的内壁，用于感测由致动机构作用在枢转支撑结构上的力。应变计可以是用于感测应变计被安装所至的物体的应变的任何已知元件。正常情况下，应变计是由导电或半导电材料制成的敏感性栅格。这种材料对施加在其上的力以敏感以变形，使得其电阻值将响应于该变形而改变。在将应变计安装至感测孔2512的内壁之后，可以例如用胶粘剂将感测孔2512密封。
支撑体251限定了纵向方向Y并且进一步包括用于在支撑体251的纵向方向Y与断路器的竖直方向对齐的状态下将支撑体251固定至断路器的基座的安装结构2513。在图3中，安装结构2513是在支撑体251的在纵向方向Y上的一个端部上的具有孔的一对凸耳，使得支撑体251可以通过将螺钉穿过凸耳上的孔紧固而被固定至断路器的基座。在该情况中，支撑体251的上部分(在图3中)被固定至电路的基座，而支撑体251的下部分悬置。
感测孔2512在纵向方向Y上布置在安装结构2513与支撑孔2511之间。作为结果，当纵向方向Y上的力被施加在支撑孔2511上时，该力将通过支撑体251的感测孔2512所位于的部分被传导至电路的基座，使得支撑体251的该部分将响应于所施加的力而变形，并且感测孔2512中的至少一个应变计可以感测该部分的变形。
为了放大支撑体251的变形以提高应变计的灵敏度，优选的是在支撑体251上设置狭槽2514，以便提高支撑体251的围绕感测孔2512的部分在作用在支撑孔2511上的力的作用下的柔性。优选地，狭槽2514的宽度是1.8mm。
如可以在图3中看出的，狭槽2514切割穿过支撑体251的厚度，并且可以沿着纵向方向和水平方向两者行进。通过这些狭槽，支撑体251的支撑孔2511所位于的下部分仅在小区域中被连接至支撑体251的感测孔2512所位于的中间部分。也是通过这些狭槽，支撑体251的感测孔2512所位于的中间部分仅在小区域中被连接至支撑体251的上部分。作为结果，当纵向方向Y上的力被施加在支撑孔2511上时，在上面的两个小区域中产生的应力将急剧增加，这引起在感测孔2512的内壁(特别是在内壁的在纵向方向Y上的上壁和下壁)上的相对大的变形。作为结果，被安装至感测孔2512的内壁的应变计可以在相同的力值的作用下感测到支撑体251的相对大的变形。因此，提高了应变计的灵敏度。
根据实施例，设置了用于感测作用在枢转支撑结构上的拉伸力的两个拉伸应变计和用于感测作用在枢转支撑结构上的压缩力的两个压缩应变计。两个拉伸应变计在纵向方向Y上的一侧(图3中的上侧或下侧)被安装至感测孔2512的内壁，其中两个拉伸应变计相对于通过感测孔2512的中心且平行于纵向方向Y的虚拟线对称，并且两个压缩应变计在纵向方向Y上的另一侧被安装至感测孔2512的内壁，其中两个压缩应变计相对于所述虚拟线对称。在该情况中，两个拉伸应变计可以相等地感测施加在感测孔2512上的在纵向方向Y上的力，对于两个压缩应变计的情况也是这样。这对于准确地计算或评价力的值是有利的，这将在后面详细讨论。
假使感测孔2512与支撑孔2511之间的连接线平行于纵向方向Y并且两个拉伸/压缩应变计相对于通过感测孔2512的中心且平行于纵向方向Y的虚拟线对称地布置，两个拉伸/压缩应变计将相对于通过支撑孔2511的中心的虚拟线对称。这意味着两个拉伸/压缩应变计与由支撑孔2511中的销所施加的竖直力的作用点对称，这对由两个拉伸/压缩应变计相等地感测力是有利的。
需要领会的是，狭槽2514可以以其他方式形成在支撑体251上使得支撑体251的其他部分、例如感测孔2512的内壁的沿着纵向方向Y的部分对竖直力更柔性且更敏感。在该情况中，应变计在感测孔2512的内壁上的定向应该被调节成适于感测支撑体251的最柔性部分的应变以便感测竖直力。还需要领会的是，感测孔2512的形状和大小可以根据加工方便性和用于安装应变计的方便性来确定，并且对于感测力不是关键的。
还需要领会的是，应变计可以被以任何常见的方式安装至支撑体251。正常情况下，应变计例如通过胶粘剂被附接至物体的弹性部分的表面。因此，应变计也可以通过胶粘剂被附接至感测孔2512的内壁。
参照图4，出于诸如销的组装位置或对感测孔2512的尺寸限制等的其他考虑，在通过感测孔2512的中心的虚拟线与通过支撑孔2511的中心的虚拟线之间可以存在有一定距离。在该情况中，两个拉伸/压缩应变计也可以相对于通过感测孔2512的中心的虚拟线对称地布置以大致相等地感测在感测孔2512的内壁上的变形，而支撑孔2511的中心相对于支撑孔2511的中心的小的偏移不会显著地影响应变计的感测结果的准确度。
参照图5，根据实施例，两个拉伸应变计和两个压缩应变计被连接为惠斯通桥。在该桥中，两个拉伸应变计没有直接连接，并且两个压缩应变计也没有直接连接。换言之，两个拉伸应变计可以分别对应于图5中的R1和R3，并且两个压缩应变计可以分别对应于R2和R4；或者两个拉伸应变计可以分别对应于图5中的R2和R4，并且两个压缩应变计可以分别对应于R1和R3。R1至R4代表四个应变计响应于施加在支撑体251上的在纵向方向Y上的力的可变电阻。
如现有技术已知的，对于惠斯通桥来说，电压源U0被施加在桥的两个端部上，并且电压表或电流表被连接在两个桥臂的中间点之间以测量两个桥臂的两个中间点之间的电位差US。根据已知的电学理论，可以从以下等式(5)计算Us：
如果两个拉伸应变计是同样的并且被放置成相等地感测力，并且两个压缩应变计是同样的并且被放置成相等地感测力，那么可以假设R1＝R3，并且R2＝R4。在该情况中，等式(5)可以被简化为：
当纵向方向Y上的力被施加在支撑体251上时(这对于四个应变计可以是拉伸力或压缩力)，仅对应于力(拉伸或压缩)的方向的两个应变计将在当前时刻变形，其中另两个应变计不会响应于该力而变形。换言之，R1(R3)和R2(R4)中的仅一个的电阻值将在某一时刻改变，其中另一个保持不变。在该情况中，电位差US将响应于力的改变的值而改变，这也可以在等式(5)或(6)中反映出。
通过用电压表或电流表测量电位差US，可以根据等式(6)利用测得的US和R2或R1的不变的初始值来计算R1或R2的改变的电阻值。此外利用一些校准，可以获得施加的力与R1或R2的电阻值之间的精确关系。作为结果，可以基于应变计的变形来确定施加在支撑体251上的在纵向方向Y上的力。
拉伸应变计和压缩应变计两者的提供允许在沿着纵向方向Y的两个相对的方向上的力的测量，这可能对于研究机械特性是有利的。利用施加在支撑体251上的在纵向方向Y上的所确定的力值，可以根据如上面所讨论的方法来计算接触力F2，并且也可以确定与接触力F2有关的其他机械特性。
需要领会的是，也可以使用仅一个类型的应变计来感测拉伸力和压缩力两者。在该情况中，仅需要一对这样的应变计，其中另两个应变计可以省略。对于如图5所示的惠斯通桥，R1和R3，或R2和R4将用恒定的电阻器代替。
从等式(5)和(6)可以看出，两个拉伸或压缩应变计的提供与仅一个拉伸或压缩应变计相比放大了电位差US，这提高了感测力的灵敏度。然而，需要领会的是，也可以使用仅一个拉伸或压缩应变计来感测力，其中省略的一个在如图5所示的惠斯通桥中用恒定的电阻器来代替。
还需要领会的是，力也可以基于应变计的变形以其他方式来确定。例如，应变计可以被连接至其他更复杂的电路，使得可以更精确地测量应变计的电阻的改变。
参照图6，根据实施例，枢转支撑结构25进一步包括印刷电路板252。印刷电路板252被用从支撑体251的内部伸出支撑体251的电缆2515(参见图3)电连接至应变计。印刷电路板252可以形成上面的惠斯通桥或者具有应变计的其他测量电路，并且可以包括用于基于至少一个应变计的电阻上的变化来计算作用在枢转支撑结构上的力的值的硬件，诸如功率源、MCU、存储器和信号滤波器。印刷电路板252还可以包括通信模块以将力的计算值传输至其他设备，诸如RS485通信端口。
根据实施例，印刷电路板252被固定至支撑体251。例如，印刷电路板252的一部分可以被插到支撑体251上的狭槽2516(参见图3)内。枢转支撑结构25可以进一步包括保持件253，以进一步容纳并支撑印刷电路板252。保持件253可以被用螺钉进一步固定至支撑体251。作为结果，印刷电路板252被牢固地固定至支撑体251并且由保持件253保护。
由于印刷电路板252与支撑体251为一体以形成模块，所以来自感测电路的信号可以在感测现场处进行处理以获得力值。作为结果，来自感测电路的模拟信号不需要被传输至远端设备，否则模拟信号可能会衰减或者可能会在传输期间引入一些噪声，这可能会严重地影响计算力值的准确度。在感测现场处进行处理之后，代表着所确定的力值的输出数字信号可以以较少失真传输得更远，并且传输不会影响由数字信号代表的力值。因此，由远端设备接收到的力值将更准确，这对于分析断路器的机械特性是有利的。
根据实施例，印刷电路板252被进一步配置成基于作用在枢转支撑结构上的力的计算值来计算施加在断路器的动触头上的接触力和/或评价断路器的闭合与断开时间点。这可以根据前述计算或评价方法来实现。
根据实施例，印刷电路板252的通信模块可以包括附加通信端口(诸如RS485端口)以接收和转发来自另一设备的输出。例如，安装在该断路器的其他位置上的力传感器或者用于另一断路器的根据本发明的实施例的另一枢转支撑结构可以被连接至印刷电路板252上的附加通信端口。在该情况中，该印刷电路板252中的通信模块不仅可以传输从印刷电路板252所属的枢转支撑结构产生的数据，它还可以转发来自其他设备的感测到的数据。以该方式，多个传感器可以串联连接，并且传感器串的一端中的仅一个传感器被连接至上位机以将来自该串中的所有传感器的数据传输至上位机。这使多个传感器与上位机之间的连接简化，并且对于在多个位置感测断路器或者利用一个上位机感测多个断路器特别有利。在实施例中，串联的传感器中的每一个可以是根据本发明的实施例的枢转支撑结构。
根据实施例，断路器可以进一步包括被连接至枢转支撑结构的数据处理单元。数据处理单元被配置成基于来自枢转支撑结构的感测到的力的值来计算施加在断路器的动触头上的接触力和/或评价断路器的闭合与断开时间点。该计算或评价也可以根据前述计算或评价方法来实现。
需要注意的是，枢转支撑结构应该在支撑体251的纵向方向Y平行于断路器的竖直方向(即，断路器的动触头的移动方向)的状态下被固定至断路器。以该定向布置，枢转支撑结构25可以感测由致动机构的杠杆作用在枢转支撑结构上的在相对于断路器的基座的竖直方向上的力。
对于如所描述的本发明的所有实施例，可以通过在远离动触头的位置处感测与接触力F2有关的特征力来确定断路器的闭合或断开的准确的时间点。作为结果，感测电子器件和感测过程不受动触头附近的恶劣环境的影响，如果断路器处于正常操作中的话。因此，根据本发明的实施例的方法和枢转支撑结构可以用来在线监测断路器，而不需要安全的测试环境。在线监测可以反映断路器的实际工作性能。与在离线环境或测试环境中的监测相比，在线监测对于用户研究断路器的性能更有用。另外，由于在线监测不需要中断断路器的正常操作，所以监测可以定期地进行很长一段时间，这对于断路器的维护是有利的。
由于力传感器与断路器的致动机构的支撑结构为一体并且传感器和支撑结构在断路器的操作期间不会移动，所以传感器结果将更准确，并且传感器可以承受更大次数的操作。另外，由于传感器没有被安装至任何可动的致动元件，所以传感器的拆卸不会改变断路器的机械特性，并且因此传感器容易维护。
基于断路器的闭合与断开时间点的准确确定，也可以计算出或评价断路器的其他机械特性。例如，可以基于发出指令的开始点和所确定的闭合或断开时间点来计算出断路器的闭合与断开的速度。另外，也可以基于闭合与断开时间点获得断路器的触头断开间隙和触头弹簧行程。因此，根据本发明的实施例的方法和枢转支撑结构提供了用于准确监测断路器的机械特性的基础。
还需要领会的是，根据本发明的实施例的枢转支撑结构也适用于各种类型的断路器，包括用于高、中和低电压水平的断路器、具有不同致动机构的断路器。
本发明的各种实施例的描述是出于说明的目的而呈现的，并且不旨在穷举性的或限于所公开的实施例。许多修改和变化对于本领域普通技术人员是显而易见的而不脱离所描述的实施例的范围和精神。选择本文中使用的术语是为了更好地说明实施例的原理、实际应用或对市场上找到的技术的技术改进，或者是为了使得本领域其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。
通过研究附图、本公开的实施例的公开内容和所载的权利要求，本领域技术人员可以在本公开的实施期间理解并实施所公开的实施例的其他修改。在权利要求中，“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数概念。在彼此相互不同的从属权利要求中举例具体元件的简单事实不表明这些元件的组合不能有利地使用。权利要求的附图中的标记不应该被解释为限制其范围。
虽然已参照当前考虑的实施例描述了本公开，但应该领会的是，本公开不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在覆盖落入随附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。随附权利要求的范围符合最宽的解释并且覆盖所有这样的修改以及等同结构和功能。

Claims (13)

1.一种用于断路器的枢转支撑结构，包括：
支撑体(251)，所述支撑体(251)定义了纵向方向(Y)并且具有支撑孔(2511)和感测孔(2512)，其中所述支撑孔(2511)用于接收和枢转地支撑被连接至所述断路器的致动机构的枢转销，
其中所述支撑体(251)安装有至少一个应变计，用于感测由所述致动机构作用在所述枢转支撑结构上的力；以及
其中所述至少一个应变计以使得其适于感测所述纵向方向(Y)上的力的定向安装至所述感测孔(2512)的内壁。
2.根据权利要求1所述的枢转支撑结构，其中所述支撑体(251)进一步包括安装结构(2513)，所述安装结构(2513)用于在所述支撑体(251)的纵向方向与断路器的竖直方向对齐的状态下将支撑体(251)固定至断路器；并且
其中所述感测孔(2512)在纵向方向(Y)上布置在安装结构(2513)与支撑孔(2511)之间。
3.根据权利要求2所述的枢转支撑结构，其中所述至少一个应变计包括用于感测作用在枢转支撑结构上的拉伸力的两个拉伸应变计，和用于感测作用在枢转支撑结构上的压缩力的两个压缩应变计。
4.根据权利要求3所述的枢转支撑结构，
其中所述两个拉伸应变计在纵向方向(Y)上的一侧被安装至感测孔(2512)的内壁，其中两个拉伸应变计相对于通过感测孔(2512)的中心且平行于纵向方向(Y)的虚拟线对称，并且
所述两个压缩应变计在纵向方向(Y)的另一侧被安装至感测孔(2512)的所述内壁，其中所述两个压缩应变计相对于虚拟线对称。
5.根据权利要求3所述的枢转支撑结构，其中所述两个拉伸应变计和所述两个压缩应变计被连接为惠斯通桥，其中两个拉伸应变计未直接连接，并且两个压缩应变计未直接连接。
6.根据权利要求1所述的枢转支撑结构，其中狭槽(2514)设置在所述支撑体(251)上以提高支撑体(251)的围绕感测孔(2512)的部分在作用在支撑孔(2511)上的力的作用下的柔性。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的枢转支撑结构，其中所述枢转支撑结构进一步包括被连接且固定至支撑体(251)的印刷电路板(252)；
其中所述印刷电路板(252)被配置成基于所述至少一个应变计的电阻上的变化来计算作用在所述枢转支撑结构上的力的值并且传输所述力的计算的值。
8.根据权利要求7所述的枢转支撑结构，其中所述印刷电路板(252)被进一步配置成基于作用在所述枢转支撑结构上的所述力的计算的值来计算施加在断路器的动触头上的接触力和/或评价断路器的闭合与断开时间点。
9.根据权利要求7所述的枢转支撑结构，其中所述印刷电路板(252)进一步被配置成接收并转发来自被连接至印刷电路板(252)的通信端口的另一设备的输出。
10.根据权利要求7所述的枢转支撑结构，其中所述枢转支撑结构进一步包括保持件(253)以进一步支撑和保护印刷电路板(252)。
11.一种断路器，包括用于致动所述断路器的动触头的致动机构和根据权利要求1至7中的任一项所述的枢转支撑结构，其中所述枢转支撑结构的所述支撑体(251)被固定至所述断路器的基座，并且所述枢转支撑结构的所述支撑孔(2511)经由销被联接至所述致动机构的杠杆。
12.根据权利要求11所述的断路器，其中所述枢转支撑结构被固定至断路器，以便感测由所述致动机构的所述杠杆作用在枢转支撑结构上的相对于断路器的基座的竖直方向上的力。
13.根据权利要求11所述的断路器，其中所述断路器进一步包括被连接至所述枢转支撑结构的数据处理单元；并且
所述数据处理单元被配置成基于来自所述枢转支撑结构的感测到的力的值来计算施加在所述断路器的动触头上的接触力和/或评价断路器的闭合与断开时间点。
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