CN106783303B - 一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法及设备，性能可靠、操作方便、对接简单、功能强大，具有测量功能。所述设备，包括交互的人机交互面板和驱动控制模块，以及连接在驱动控制模块输出端的动力执行机构；动力执行机构的输出端与高压开关本体的操动端连接；动力执行机构的输出轴上设置力值传感器；所述的人机交互面板用于设定动力执行机构输出轴的运动速度；所述的驱动控制模块用于根据人机交互面板的设定对动力执行机构进行控制；所述的力值传感器用于采集动力执行机构输出的作用力，输出端连接信号采集模块；信号采集模块用于采集作用在动力执行机构输出轴的运动速度、动作时间和行程，信号采集模块的输出端连接驱动控制模块。

Description

一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法及设备

技术领域

本发明涉及高压开关的质量检测，具体为一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法及设备。

背景技术

为提高开关尤其是高压开关制造过程的装配质量和效率，通常在出厂前，利用操动机构配高压开关进行分合闸动作，并通过测速器测量分合闸运动的速度、行程等机械运动数据，从而对高压开关特性及装配质量进行评判，但是这种试验方式必须对高压开关本体进行充SF6或氮气、才能进行，测试完毕后需要收气、拆解、并清理磨削，清理完成后重新装配，费时费力而且重新装配后对中效果不好，质量一致性不能保证。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法及设备，性能可靠、操作方便、对接简单、功能强大，具有测量功能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高压开关分合闸动作机械特性监测设备，包括交互的人机交互面板和驱动控制模块，以及连接在驱动控制模块输出端的动力执行机构；动力执行机构的输出端与高压开关本体的操动端连接；动力执行机构的输出轴上设置力值传感器；所述的人机交互面板用于设定动力执行机构输出轴的运动速度；所述的驱动控制模块用于根据人机交互面板的设定对动力执行机构进行控制；所述的力值传感器用于采集动力执行机构输出的作用力，输出端连接信号采集模块；信号采集模块用于采集作用在动力执行机构输出轴的运动速度、动作时间和行程，信号采集模块的输出端连接驱动控制模块。

优选的，动力执行机构包括依次连接的伺服电机、减速机和直线式工作缸。

优选的，人机交互面板上设置有计数器，触摸屏，操作按钮和手/自转换开关；计数器的常闭点串入动力执行机构中电机的回路，用于对操作数进行计数；触摸屏，操作按钮和手/自转换开关分别与驱动控制模块连接。

一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，包括如下步骤，

步骤1，根据被测高压开关的分合闸特性曲线，设置动力执行机构对应分合闸过程的运动速度；

步骤2，将被测高压开关的操动端与动力执行机构的输出端连接；

步骤3，根据设定的运动速度通过驱动控制模块对动力执行机构进行控制，动力执行机构操动被测高压开关进行分合闸动作；

步骤4，通过力值传感器检测得到作用力，通过信号采集模块检测得到分合闸过程的运动速度、动作时间和行程；

步骤5，驱动控制系统通过作用力、运动速度、动作时间和行程得到被测高压开关的分合闸力值变化统计曲线；

步骤6，在步骤1设定的运动速度下，对同一型号的多台高压开关，进行如步骤2-5的多次检测，分别得到对应的分合闸力值变化统计曲线；对所有的分合闸力值变化统计曲线进行取平均得到标准曲线；

步骤7，以标准曲线为目标参考，设定监测阈值，对同一型号的被测高压开关进行如步骤1-5的检测；如果检测结果未超出设定的监测阈值，则产品合格；否则产品不合格进行报警，并显示出偏差数值。

优选的，还包括根据被测高压开关的设计特性选择力值传感器和动力执行机构中电机的步骤。

进一步，根据高压开关设计或者配用的操动机构分合闸操作功除以动作时间，得到驱动控制模块需要输出的平均功率，再除以动力执行机构的工作效率得到的功率，作为额定功率选择伺服电机。

进一步，根据行程14％处设定的运动速度乘以高压开关本体传动系统的实际质量，除以动作时间，得到操动分合闸动作所需的平均力值或扭矩值，作为动力执行机构输出力或扭矩特性参数的额定值选择力值传感器。

优选的，步骤1中，设置动力执行机构对应分合闸过程的运动速度时；对伺服电机分段设定分合闸过程的运动速度，包括从触头动作开始到行程的14％段的加速段运动速度，从行程的14％到行程的86％段的匀速段运动速度，从行程的86％到末端的减速段运动速度；直线驱动的高压开关设置线速度，旋转驱动的高压开关设置角速度；作为最高测试速度的匀速段运动速度设定为正常分合闸速度的40～50％。

优选的，还包括对被测高压开关进行复位的步骤；驱动控制模块中设定有高压开关分合闸位置对应的动力执行机构的行程位置；当输出轴初始位置与高压开关直动杆行程有偏差时，动力执行机构与被测高压开关连接后，驱动控制模块控制动力执行机构运动到对应的行程位置，被测高压开关达到分合闸位置。

优选的，还包括在在被监测的高压开关动静触头导体外接入断口信号线，得到开关断口随时间变化的位移时间曲线的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的设备实现等效替代操动机构的试验和运动测量方法及设备，它可以通过上位机控制系统灵活设定分合闸运动速度，及特性参数，且安装对接速度快，普适性强；相比使用操动机构驱动开关分合闸动作进行运动特性试验，优点在于运动速度较操动机构慢不需要对开关充SF6或氮气，不需要对罐体进行密封，提高了开关的质量检测效率。操作简单，易于实施，节省人力物力，设备与被监测高压开关连接好之后，只需对应高压开关本体参数在控制面板上进行参数设置即可，测试设备便可以自动运行，待监测结束后，设备自动停止并给出机械参数曲线经过与控制器程序设定的曲线捏合判定会给出5％包络线的参考数据。

本发明所述的方法通过对分\合闸动作过程的运动特性参数，包括时间、速度、作用力的获取与分析，判断开关内部运动零件的装配状态和质量，可用于高压开关的产品研发、批量制造过程的质量控制和产品数据分析。通过对多次测量的大数据分析和对比，可以推断出潜在的装配质量问题点，并能及时进行返修处理。

附图说明

图1为本发明实例中所述的设备原理框图。

图2为本发明实例中所述的设备的使用状态图。

图3为本发明实例中所述的动力执行机构的布置结构。

图4为本发明实例中所述人机交互面板的结构示意图。

图5为本发明实例中所述监测得到的分合闸力值变化统计曲线。

图6为本发明实例中所述检测到的开关合闸曲线。

图中，1.安装架，2.脚支架，3.高压开关本体，4.动力执行机构，5.箱体，6.直线工作缸，7.伺服电机，8.减速器，9.力值传感器，10.人机交互面板，11.信号采集模块，12.触摸屏，13.手动/自动转换开关，14.操作按钮，15.计数器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，利用本发明所述的设备替代操动机构提供分合闸动力，对装配完的高压开关进行分合闸机械特性监测，通过实时获取的运动速度v、操动力F、动作时间t和行程S，分合闸过程的操动力F、速度v曲线，计算出运动部件的等效质量m及分合闸力值变化统计曲线。所述的设备包括遥控与通讯模块、人机交互面板10、信号采集模块、驱动控制模块以及力值传感器，整个设备安装在可移动的箱体5中。通过遥控与通讯模块以及人机交互面板10可以对设备进行遥控和就近控制，设置驱动控制模块的动作参数，从而通过动力执行机构驱动高压开关进行分合闸动作，运动过程的扭矩、力、电流、速度等物理参数通过传感器和信号采集模块实时采集、处理与记录。进行监测时，通过驱动控制模块、动力执行机构以及转接轴对高压开关施加推拉力或扭矩开关，进行分合闸运动，传感器和信号采集模块实时获取作用在开关传动轴或直动杆上的扭矩或力、运动速度、行程以及驱动模块所做的功。

通过设定多种分合闸速度条件下的能量和动量，计算出开关运动部件的等效质量m变化曲线，从而推算出在额定分合闸速度下分合闸动作所需要的操作功J，对所配的操动机构提出明确的要求。

通过对同一工厂出产的同一型号高压开关，进行分合闸机械特性曲线监测，得到分合闸作用力和速度的统计曲线，求出各点的平均值，作为该型号高压开关装配的质量监测目标曲线，以相同的设备监测新装配的开关，并监测分合闸过程，设备人机交互控制模块中的数据处理与分析软件，实时对比力值和速度曲线，如果出现异常，设备自动进行报警。

通过对比分合闸力值、速度的偏差，对应开关的分合闸触头行程位置，分析传动件的运动状态，推断出高压开关内部存在的装配质量问题。

驱动控制模块能够在人机交互模块中设置运动参数，改变输出的速度/转速、扭矩/力、分合闸的行程等，针对同一种高压开关，可以进行多种不同运动特征参数的对比测试；对于旋转运动方式的高压开关，在驱动控制模块电机的功率范围之内，通过改变转接轴的连接方式和接口结构和驱动控制模块的运动参数设置，可以适用于不同类型的高压开关进行分合闸运动特性监测；对于直线运动方式的高压开关，在驱动模块电机的功率范围之内，同时传动变速模块的直线伸缩臂的行程范围内，通过改变转接轴的连接方式和驱动模块的运动参数设置，该方法和设备可以适用不同类型的高压开关进行分合闸运动特性监测。转接轴的结构将根据开关本体上传动轴或直动拉杆的形状进行适配，通过在转接轴上安装霍尔元件进行开关转角或直线运动初始位置的标定。

驱动控制模块对动力执行机构中的电机采用伺服控制方法，通过信号采集模块获取的信号与控制回路进行PID控制，能够分别对输出电机速度、扭矩和角度进行恒定设置，以便于通过固定运动参数值，推算开关内部的未知参数。

所述设备的安装架1提供与开关本体的固定位置连接，以确保监测设备能够与开关稳定的固定在一起，并确保在进行分合闸运动时，开关和监测设备不发生位置改变和松动。安装架1下设置有滚轮和能够伸缩的脚支架2，脚支架2能够伸出后将安装架1顶起固定。

对被测的高压开关进行监测时，包括如下步骤。

1、根据高压开关设计或者配用的操动机构分合闸操作功除以动作时间，得到驱动模块需要输出的平均功率，除以传动系统的工作效率作为额定功率选择伺服电机；

2、根据行程14％的速度v乘以高压开关本体传动系统的实际质量m，除以所花费的动作时间，得到推动触头分合闸动作所需的平均力值或扭矩值，作为监测装置传动轴端输出力或扭矩特性参数的额定力值选择力值传感器；

3、根据需要监测高压开关的分合闸特性曲线，也就是配操动机构进行分合闸操作测量的开关特性曲线，在人机交互面板10的上位机程序中，对驱动控制模块控制的伺服电机分段设定分合闸过程，加速段(从触头动作开始到行程14％段的速度)、匀速段(行程14％～86％段的速度)以及减速段(行程的86％到末端)的速度值(直线驱动的开关触头设置线速度，旋转驱动的开关触头设置角速度)，对于断路器如果监测的分合闸运动可不充填4～6Bar的气体，为了避免空载高速对灭弧室和传动环节零部件造成意外损坏，监测用的最高测试速度(匀速段)设定为正常分合闸速度的40～50％。

4、实现监测方法的设备采用结构设计的固定安装模式，将被监测对象，例如GIS罐体，固定在可移动的安装架1上，确保传动轴与罐体直动拉杆或转动轴，连接安装过程中不出现卡滞；监测设备在车间中可以自由移动到较大的罐体附近。

5、根据罐体直动杆(转动轴)的布置方式(垂直/水平)布置驱动控制模块、动力执行机构与转接轴的空间布置结构。

6、在转接轴安装力值传感器实时采集分合闸作用力；在动力执行机构中安装电流、直线/转角位置传感器采集伺服电机工作电流以及直线距离或转角位置。

7、在对被测试的开关本体上，可以接入断口线以便测量开关的分合闸运动位移与时间曲线。

8、在人机交互面板10上采用方便灵活的触摸交互方式，可以对获取的运动曲线进行放大、缩小查看，并可以通过交互界面设置驱动模块的运动参数。

9、遥控与通讯模块提供将测试数据上传到中央控制信息系统，并为移动终端提供通讯，以便可以同时在远端操控多台监测设备同时进行工作。

10、当输出轴初始位置与高压开关(断路器)直动杆基准不一致或行程有偏差时，装置提供“归零”复位功能，可将输出轴手动伸缩一段距离实现与被监测开关的连接，然后将该位置设定为标尺“基准点或零位”，然后运动分合闸行程；

11、对于操作功(分合闸力或扭矩)较大的高压开关本体，通过上位机的PID控制调节(通过测量比较和执行)提高电机的输入电流大小，实现在满足速度(角速度)和位置(转角)的条件下，同时满足分合闸力(转矩)的需求；并且在装置设计时，选用具有瞬间三倍过载能力的电机和驱动系统。

所述的设备包括安装在箱体5中的遥控与通讯模块、人机交互面板、操作按钮、驱动控制模块、动力执行机构、力值传感器、信号采集模块；其中，动力执行机构可以采用：电机+齿轮减速箱形式，或为电机+涡轮蜗杆减速箱形式，或为伺服电机机构；人机交互面10包括触摸屏12、软件控制以及通讯端口、包括分合闸按钮和急停按钮的操作按钮14，以及手动/自动转换开关13；驱动控制模块除了包含电机或伺服电机的上位机和PLC控制器外，还包含时间继电器和计数器。

其中，时间继电器为双段时间继电器，两对外置触点分别接入合闸与分闸回路，时间继电器接入第三条回路，与分合闸回路形成并联关系。当驱动控制回路接到时间继电器回路时，可通过时间继电器两对外置触点来控制监测设备的分闸与合闸动作过程，实现自动控制。获取多路传感器信号，并上传到人机交互面板的计算机中，采样频率可以通过上位机进行设置，箱体的结构设计便于对其他模块的外围保护剂与高压开关本体对接。

本发明通过控制对高压开关自动进行分合机械运动；通过监测对高压开关机械传动系统和动、静触头的力值进行实时监测；通过人机交互对各种参数进行设置，满足多型号高压开关特性设定要求。能够对实时监测的力值数据进行显示、保存、分析对比以及判定。对实时操作的数据进行采集、保存、分析、判定，完全替代原有的操作方式，减小操作人员重复劳动，提高工作效率，保证产品的一致性和稳定性，

根据一个实施例，本发明针对卧式布置的高压开关，直动杆水平直线运动，采用如图1所示的设备组成和连接原理，整个设备的布局结构如图2、图3和图4所示。

该监测设备动力源采用伺服电机7驱动，通过减速和运动转换的传动减速器8，驱动直线式工作缸6内部的活塞做直线伸缩运动，通过伺服电机加减速器加直线驱动工作缸加转接轴共同组成动力执行机构，安装固定到监测设备箱体5内部。同时设备箱体5中还安装有信号采集模块，以及带有遥控和通讯模块的人机交互面板10；整个箱体安装在带有轮子和脚支架2的可移动设备安装架1上。整个设备可以被推到被监测开关附近后，将被监测的高压开关本体3吊装到设备安装架1上；微调直线式工作缸6的伸缩距离，将动力执行机构4上的转接轴与高压开关本体3直动杆连接，然后升起脚支架2固定整个设备与地面，防止工作时支架移动。

开始进行监测工作时，在人机交互面板上如图4所示，

使用手动/自动转换开关13，先选择低速的手工工作模式调试：

方法如下：

1)在操作按钮14中选择复位功能，利用动力缸将开关置于分闸到底的位置；

2)手动合闸到底，利用设备测量分合闸的行程，监测设备行程要大于开关监测行程；

3)在工控触摸屏12的人机交互界面上，分别输入：开关的电压等级、分合闸的运动行程，分合闸动作分别运动时间(或最大的分合闸速度)，分合闸动作的间隔时间，监测的分合闸运动次数，传感器的采样频率；

调试完成后选择自动工作模式，将手动/自动转换开关13选择到自动工作模式，启动设备，按照设定参数进行分合闸动作及特性监测。

自动监测实现原理如下：

在该实施例中，分别设置分闸与合闸时间，考虑对电机的保护，分合闸操作之间设置短时间隔(5～8秒)。当设备切换到“自动”状态时，驱动控制模块时间继电器开始计时，利用PLC控制伺服电机输出的转速、扭矩、行程和工作时间；传感器在进行分合闸工作同时进行拉压力、速度、电机工作电流的测量，并将数据传送给信号采集模块，在控制模块程序的处理下进行曲线拟合，如图5所示，分别得到开关合闸各过程中的力值-时间曲线；

如果在被监测的高压开关动静触头导体外接入断口信号线，那么，在进行机械特性监测的过程中，也可以得到开关断口随时间变化的位移-时间曲线，如图6所示。

在进行多次测量后，可以得到同一型号的高压开关，在运动速度一定条件下的，分合闸力值变化统计曲线的平均值，作为标准曲线的目标，后续的高压开关监测时，以此标准曲线作为目标参考，并设定上下偏差值，如果有超差，则人机交互模块进行报警，并显示出偏差的数值。

人机交互面板采用软件模块控制，可以进行多种复杂计算的编程和数据处理，利用mv＝ft，动量守恒公式，在v、f、t(采样频率的倒数)可以直接获取的情况下，能够计算出开关内部运动件的等效质量m，通过m的变化曲线，从而判断出分合闸过程中，运动件以及罐体内零件配合间隙、润滑、摩擦的状态，如图5所示，分解在合闸过程中对应的高压开关触头动作行程与状态曲线。

能够实现高压开关分合闸操作功的测量与计算能力，对每个采样时间段的动能累计计算公式：J_合＝Σ1/2mv²(速度v代入实际合闸工作时的目标值)；J_分＝Σ1/2mv²(速度v代入实际分闸工作时的目标值)，可计算出在整个分合闸过程中，所需操作功的估算值，为操动机构操作力的选择提供参考，尤其是对弹簧操动机构，可以对分合闸弹簧的预压缩力值和操作功调节，提供参考：J_分簧≥J_分；J_合簧≥J_分簧+J_合。

该监测设备具有自我保护功能，在人机交互界面能够设置工作力值的最大值(最大速度)，当某次运动过程中因监测设备和高压开关的机械传动结构出现卡滞等问题，而导致某一点力值超过设置的最大力值时，预设程序会做出判断，发出一个信号，将数据采集控制板输出常闭节点断开，切断控制回路总线，同时电机回路断电，在保护监测设备和断路器的同时，操作人员可以及时的进行检修维护。

计数器常闭点同时也串入电机回路，其目的在于，整个监测设备的动力执行机构4具有自身最大机械寿命，即最大操作次数(按100万次计算)，该次数设置在计数器上，设备每操作一次，计数一次，当设备操作次数达到预设置最大操作次数时，计数器串在电机回路的常闭触点断开，对设备进行操作控制，并为设备使用人员进行报警，促使使用人员进行设备进行维修、润滑、状态检测，完成后可重新对计数器清零，继续操作。

监测完成的数据以文本格式保存在系统的硬盘中，并通过人机交互面板上的数据传输接口复制到外部存储介质上，以便进行批量的数据分析和打印处理。

Claims (10)

1.一种高压开关分合闸动作机械特性监测设备，其特征在于，包括交互的人机交互面板(10)和驱动控制模块，以及连接在驱动控制模块输出端的动力执行机构(4)；动力执行机构(4)的输出端与高压开关本体(3)的操动端连接；动力执行机构(4)的输出轴上设置力值传感器(9)；

所述的人机交互面板(10)用于设定动力执行机构(4)输出轴的运动速度；

所述的驱动控制模块用于根据人机交互面板(10)的设定对动力执行机构(4)进行控制；

所述的力值传感器(9)用于采集动力执行机构(4)输出的作用力，输出端连接信号采集模块；信号采集模块用于采集作用在动力执行机构(4)输出轴的运动速度、动作时间和行程，信号采集模块的输出端连接驱动控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测设备，其特征在于，动力执行机构(4)包括依次连接的伺服电机(7)、减速机(8)和直线式工作缸(6)。

3.根据权利要求1所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测设备，其特征在于，人机交互面板(10)上设置有计数器(15)，触摸屏(12)，操作按钮(14)和手动/自动转换开关(13)；计数器(15)的常闭点串入动力执行机构中的伺服电机的回路，用于对操作数进行计数；触摸屏(12)，操作按钮(14)和手动/自动转换开关(13)分别与驱动控制模块连接。

4.一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，根据被测高压开关的分合闸特性曲线，设置动力执行机构对应分合闸过程的运动速度；

步骤2，将被测高压开关的操动端与动力执行机构的输出端连接；

步骤3，根据设定的运动速度通过驱动控制模块对动力执行机构进行控制，动力执行机构操动被测高压开关进行分合闸动作；

步骤4，通过力值传感器检测得到作用力，通过信号采集模块检测得到分合闸过程的运动速度、动作时间和行程；

步骤5，驱动控制模块通过作用力、运动速度、动作时间和行程得到被测高压开关的分合闸力值变化统计曲线；

步骤6，在步骤1设定的运动速度下，对同一型号的多台高压开关，进行如步骤2-5的多次检测，分别得到对应的分合闸力值变化统计曲线；对所有的分合闸力值变化统计曲线进行取平均得到标准曲线；

步骤7，以标准曲线为目标参考，设定监测阈值，对同一型号的被测高压开关进行如步骤1-5的检测；如果检测结果未超出设定的监测阈值，则产品合格；否则产品不合格进行报警，并显示出偏差数值。

5.根据权利要求4所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，还包括根据被测高压开关的设计特性选择力值传感器和动力执行机构中的伺服电机的步骤。

6.根据权利要求5所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，根据高压开关设计或者配用的操动机构分合闸操作功除以动作时间，得到驱动控制模块需要输出的平均功率，再除以动力执行机构的工作效率得到的功率，作为额定功率选择伺服电机。

7.根据权利要求5所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，根据行程14％处设定的运动速度乘以高压开关本体传动系统的实际质量，除以动作时间，得到操动分合闸动作所需的平均力值或扭矩值，作为动力执行机构输出力或扭矩特性参数的额定值选择力值传感器。

8.根据权利要求4所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，步骤1中，设置动力执行机构对应分合闸过程的运动速度时；对伺服电机分段设定分合闸过程的运动速度，包括从触头动作开始到行程的14％段的加速段运动速度，从行程的14％到行程的86％段的匀速段运动速度，从行程的86％到末端的减速段运动速度；直线驱动的高压开关设置线速度，旋转驱动的高压开关设置角速度；作为最高测试速度的匀速段运动速度设定为正常分合闸速度的40～50％。

9.根据权利要求4所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，还包括对被测高压开关进行复位的步骤；驱动控制模块中设定有高压开关分合闸位置对应的动力执行机构的行程位置；当输出轴初始位置与高压开关直动杆行程有偏差时，动力执行机构与被测高压开关连接后，驱动控制模块控制动力执行机构运动到对应的行程位置，被测高压开关达到分合闸位置。

10.根据权利要求4所述的一种高压开关分合闸动作机械特性监测方法，其特征在于，还包括在被监测的高压开关动静触头导体外接入断口信号线，得到开关断口随时间变化的位移时间曲线的步骤。