CN107015143A - 一种隔离开关机械负载自动测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔离开关机械负载自动测量装置及测量方法，该装置包括：现场测量组件：用以在现场测量隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号；诊断上位机：与现场测量组件连接，并且获取隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号进行判断。与现有技术相比，本发明具有无损自动检测、客观准确及时等优点。

Description

一种隔离开关机械负载自动测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及供电或配电用的开关装置，尤其是涉及一种隔离开关机械负载自动测量装置及测量方法。

背景技术

高压隔离开关是变电站用量最多的设备之一，它的故障率也高居榜首。主要是因为户外隔离开关传动环节直接暴露在大气中经受着日晒雨淋，平时操作频率较低，轴销、轴承等传动部位缺少润滑和相对运动，因此其操作卡涩的情况较多。目前，高压隔离开关的状态检测手段主要依赖红外、接触电阻、超声进行，惟独机械故障还没有一个有效监测手段。隔离开关的机械故障不能早诊断、早处理，往往处于“不坏不知，不坏不修、坏了已晚”的被动局面，导致因隔离开关机械卡涩故障造成“非停”的事故频发。

中国发明专利申请“一种户外高压隔离开关的检测装置及检测方法”(发明专利申请号：201410333992.X公开号：CN104198929A)公开了一种户外高压隔离开关的检测装置及检测方法，检测装置包括用于检测主轴转动力矩的机械特性测量仪、用于检测触指压力的触指压力测量仪、用于检测回路电阻的回路电阻测量仪以及用于对检测结果进行监测的监测单元，机械特性测量仪、触指压力测量仪和回路电阻测量仪与监测单元的输入端口连接。该技术方案的结构原理如图1所示，其中的机械特性测量仪包括安装在传动机构主轴上用于检测主轴转动角度的角度传感器以及安装在操动机构上用于检测主轴转动力矩的主轴力矩检测设备；转角测量采用光电传感器加分度盘的方案，主轴力矩检测则是利用三相功率传感器测量电机输入功率的方法间接获得主轴扭矩的变化。由于光电传感器需要将传感器长期装在主轴上，并在户外的环境中，传感器受灰尘、雨水的影响较大。如果发射管或接收管受到灰尘的污染，将影响光脉冲的产生，甚至无效。为了降低阳光、灰尘的影响，也有采用增量光电编码器替代光电传感器的技术方案。

中国发明专利申请“一种基于拉线式传感器的隔离开关在线监测系统及其方法”(发明专利申请号：201510616575.0公开号：CN105319500A)公开了一种使用拉线式传感器作为角度传感器的隔离开关在线监测系统，包括：电机电流测量模块、机构输出角度测量模块、数据采集前端模块、上位机软件模块，电机电流测量模块用于测量电机的电流；机构输出角度测量模块用于测量隔离开关操动机构的输出角度；数据采集前端模块用于储存接收到的各类数据；上位机软件模块，用于判定接收到的数据是否合格，并根据出现的故障和故障解决的方法建立数据库。该现有技术方案采用拉线式位移传感器测量隔离开关操动机构的输出角度，拉线式位移传感器通过固定于隔离开关操动机构主轴上的凸轮等安装配件实现角度测量。

因长期置于户外环境中，增量光电编码器或拉线式位移传感器本身及其安装配件同样会受到雨水侵袭。由于传感器与主轴(隔离开关操动机构主轴)之间需要有相对运动，防水密封问题也较难解决。除此之外，对于已经运行在高压线路上的大量已有隔离开关来说，上述各现有技术方案中的传感器安装操作并非易事。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无损自动检测、客观准确及时的隔离开关机械负载自动测量装置及测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隔离开关机械负载自动测量装置，该装置包括：

现场测量组件：设置在，用以在隔离开关操动机构的机构箱内，现场测量隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号；

诊断上位机：与现场测量组件连接，并且获取隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号进行判断。

所述的现场测量组件包括扭矩传感器、三相输入功率传感器、角度生成模块、接口电路、可移动外部存储器、单片机及无线数据传输模块，所述的扭矩传感器、三相输入功率传感器分别通过接口电路与单片机连接，所述的单片机分别与角度生成模块、发射模块和外置存储器连接，并且与诊断上位机通信。

所述的扭矩传感器安装在隔离开关操动机构的主轴上，所述的三相输入功率传感器、接口电路、外置存储器、单片机和发射模块均设置在隔离开关的机构箱内。

所述的角度生成模块用以设定单片机的扭矩采样周期。

所述的扭矩传感器包括一由4片压力应变片组成的全桥测量电路、电源、运算放大器和A/D转换器，所述的压力应变片粘贴在主轴上，所述的全桥测量电路的输入信号端与电源连接，输出信号端连接到运算放大器的差分信号输入端，输出信号经过运算放大器放大并整形后，通过A/D转换器转变为数字信号传送给单片机。

所述的现场测量组件还包括与单片机通信的现场标定传感器。

一种隔离开关机械负载自动测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)将扭矩传感器的4片压力应变片粘贴在主轴上，并且对扭矩传感器进行标定；

2)通过角度生成模块设定扭矩的采样周期，每转动2°采样一次主轴输出扭矩，该采样间隔为其中，t₀为隔离开关分合闸时间，θ为主轴最大转角；

3)诊断上位机分别获取隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号，并绘制扭矩-转角曲线和功率-转角曲线，并与历史标准数据做对比，找出差异位置并记录。

所述的步骤1)中，对扭矩传感器进行标定具体为：

扭矩标定传感器在执行扭矩标定操作期间临时可拆卸地固定在主轴上，定位安装在邻近被标定的扭矩传感器的部位，扭矩标定传感器和扭矩传感器同时检测施加在主轴上的扭矩，得到标定扭矩值M0和扭矩采样值M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储在单片机的外置存储器中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、无损自动检测：本发明采用角度生成模块替代现有技术方案中的角度传感器，通过计算机程序模拟角度传感器的功能输出主轴转角信号，省略了角度传感器这一基本要素；配合贴装在主轴上的应变片构成的扭矩传感器，实现对主轴扭矩的无损检测和隔离开关机械性能的自动监测。

二、客观准确及时：本发明通过软件模拟实现隔离开关主轴转角的无传感器检测，解决了长期置于户外的角度传感器易受污染和干扰、可靠性不高的技术问题；隔离开关只要有分闸或合闸操作，就有数据反馈，从而能够客观、准确、及时地对隔离开关运行状态进行掌控；通过诊断上位机极早发现故障隐患，可以更好地保证供电系统的安全运行。

附图说明

图1为现有户外高压隔离开关检测装置的系统原理图。

图2为本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的结构框图。

图3为角度生成模块的检测原理框图。

图4为本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的总体布置图。

图5为连接为全桥模式的扭矩传感器的电原理图。

图6为现有户外高压隔离开关检测装置之三相功率传感器的结构示意图。

其中，1-主轴，2-机构箱，21-电机功率信号采集点，100-现场测量组件，110-单片机，111-基础参数设置模块，112-系统初始化模块，120-扭矩传感器，130-角度生成模块，131-辅助开关触点，140-三相输入功率传感器，150-扭矩标定传感器，160-可移动外部存储器，170-无线数据传输模块，200-诊断上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

根据图1所示的发明专利申请201410333992.X所公开的户外高压隔离开关检测装置，隔离开关检测装置由现场测量组件100与诊断上位机200两部分组成；现场测量组件100同步对隔离开关动作过程中主轴负载扭矩、电机输入功率和转动角度进行测量，采集和保存被检测隔离开关的测量数据并传送给诊断上位机200；所述的测量数据包括“扭矩-转角”或“功率-转角”数据；诊断上位机200.根据被测设备的型号建立分析系统，将测量数据通过坐标系绘制生成展示主轴扭矩变化的关系曲线，包括“扭矩-转角”和“功率-转角”曲线，并且保存到数据库中形成被检测隔离开关的历史曲线；所述的诊断上位机200通过将关系曲线与历史曲线比较，考虑弹簧疲软、腐蚀、润滑失效、原件变形等各种因素对关系曲线的影响，判断被检测隔离开关的主轴扭矩增加的趋势及增加部位，并给出对应的检修策略。

该现有技术方案利用固定在机构支架上的光电传感器测量主轴转角，当主轴旋转时，在隔离开关操动机构主轴上固定的分度盘随之旋转，分度盘上的齿在光电传感器的发射管与接收管之间转动，接收管被遮光与透光若干次，形成若干个与主轴转角对应的角度计数脉冲。但是，由于装在主轴上的光电传感器长期置于户外的环境中，存在受灰尘和雨水的影响而失效的致命缺陷。本发明的隔离开关机械负载自动测量装置针对这一技术问题进行改进，采用角度生成模块替代现有的角度传感器，通过计算机程序模拟角度传感器的功能输出主轴转角信号，省略了现有技术方案中的角度传感器这一基本要素，实现主轴转角的无传感器检测。

图2和图4是本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一个实施例，用于高压隔离开关机械性能的自动检测，包括置于隔离开关操动机构的机构箱2内部的现场测量组件100，以及连接到现场测量组件100的诊断上位机200；所述的现场测量组件100采集被检测隔离开关的测量数据并传送给诊断上位机200；如图2和图4所示，所述的现场测量组件100包括用于执行控制运算程序的单片机110，安装在操动机构的主轴1上的扭矩传感器120，以及实现主轴转角无传感器检测的角度生成模块130；所述的扭矩传感器120连接到单片机110的接口电路上；所述的角度生成模块130是由单片机110执行的软件功能模块，能够根据隔离开关的基础参数计算生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号；单片机110根据主轴转角信号确定采样周期，通过扭矩传感器120测量主轴扭矩。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的角度生成模块的一个实施例如图3所示，所述的角度生成模块130连接到隔离开关的辅助开关触点131；隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号，通过辅助开关触点131传送到角度生成模块130；所述的角度生成模块130连接到基础参数设置模块111和系统初始化模块112，获取隔离开关的基础参数，根据隔离开关的基础参数计算主轴扭矩的采样周期，生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号。

测量主轴扭矩目前有两种方案，方案一是把输出轴断开，将扭力传感器直接串接在主轴操作回路里，但对于已安装或已运行的隔离开关而言，断开操作管接入传感器不仅破坏了操作管，而且隔离开关需要重新调试来恢复原始状态，该方案显然是费料费时不便于现场测量。方案二是在主轴上贴应变片，然后在不拆卸原有传动轴系的情况下对应变传感器进行现场标定。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置是对主轴扭矩进行自动测量，扭矩传感器需要长期固定在主轴上，不需要经常拆卸。因此，采用用粘贴应变片的方案二是可行的。应变片用专用胶粘贴在主轴上，当主轴驱动负载转动时，负载阻力使主轴发生微量弹性变形，应变片上电阻丝的电阻值随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化，检测电阻的变化值就能方便地测量施加在主轴上的扭矩。本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的扭矩传感器的一个实施例如图5所示，所述的扭矩传感器120由粘贴在操动机构的主轴1上的4只应变片R1至R4构成，所述的4只应变片连接成全桥电路，全桥电路的输出信号端连接到运算放大器的差分信号输入端，输出信号经过运算放大器放大并整形后，通过A/D转换接口转变为数字信号传送给单片机110。

根据材料力学可知，扭矩M的计算公式为(隔离开关操作轴均为空心钢管)：

式中E——传动轴承受的扭矩；μ——传动轴承受的剪切力；ε——抗扭断面系数；D——钢管外径；α——钢管内外直径比α＝d/D；d——钢管内径。

由式(1)可知，扭矩M与钢管应变ε呈线性关系(假设原隔离开关垂直操作管在最大负载扭矩下仍是弹性变形)。因此，只要测量钢管的应变值就能计算扭矩的大小，而且是线性的。基于这一原理可以用电阻应变片来将钢管的应变值转换成电量，通过现代测量技术、计算机技术完成隔离开关负载扭矩的自动检测。

根据本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的角度生成模块的一个实施例，所述隔离开关的基础参数包括主轴最大转角θm、扭矩采样间隔θs和隔离开关的分合闸时间t0；所述的角度生成模块130依据公式t2＝θs*t1＝θs*t0/θm计算采样周期，生成主轴转角信号，式中，t2为采样周期，t1为主轴1每转动1°所需要的时间，t1＝t0/θm。主轴最大转角θm是由操动机构的结构确定的常数，其值为隔离开关分闸或合闸操作整个动程中主轴1所转动的角度；扭矩采样间隔θs是根据“扭矩-转角”曲线采样点密度确定的常数，其值为相邻两次扭矩采样之间主轴1所转动的角度；主轴最大转角θm和扭矩采样间隔θs通过基础参数设置模块111录入并存储在单片机110的非易失存储器中；分合闸时间t0是隔离开关完成一次分闸或合闸操作所需要的时间；在被检测隔离开关投入使用之前，系统初始化模块112测定分合闸时间t0并存储在单片机110的非易失存储器中。

对于同一型号的隔离开关，主轴1的最大转角θm和分合闸时间t0基本为常数。如果以分闸或合闸时间t为坐标X轴，以主轴扭矩M为Y轴，绘制主轴扭矩M随采样时间t变化的M(t)曲线，也能反应隔离开关负载的变化情况。由于M(t)曲线不能直接反应隔离开关主轴扭矩M随主轴转角θ变化的关系，为了直观的反映负载变化的部位，在本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一个实施例中，现场测量组件100根据角度生成模块130确定采样周期，每个采样周期通过扭矩传感器120对主轴输出扭矩进行一次采样；单片机110依据公式θ＝t/t1＝t*θm/t0将采样时间t转化为主轴转角θ,得到“扭矩-转角”数据，传送给诊断上位机200，由诊断上位机200生成直观展示主轴扭矩随转角变化的“扭矩-转角”曲线(M-θ曲线)。

考虑绘制曲线点不能太密，采样周期不能太高，在本实施例中，扭矩采样间隔θs设定为2°，即主轴1每转动2°采样一次主轴输出扭矩，主轴1每转动1°所需要的时间t1＝t0/θm，采样周期t2＝θs*t1＝2*t1＝2*t0/θm＝t0/90。最大转角θm为180°时，对应于扭矩传感器120输出端的90个扭矩值。

根据图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括测量主轴电机功率的功率传感器140；所述的功率传感器140通过机构箱2内的电机功率信号采集点21，连接到从操动机构的三相电机供电线路上；现场测量组件100根据角度生成模块130确定采样周期，每个采样周期通过功率传感器140对电源电压和电流进行一次采样，采样得到的电压和电流取样值通过A/D转换电路传送到功率模块，计算出对应采样时刻的电机功率P(参见图6)；单片机110依据公式θ＝t/t1＝t*θm/t0将采样时间t转化为主轴转角θ，得到“功率-转角”数据并传送给诊断上位机200，由诊断上位机200生成直观展示主轴电机功率随转角变化的“功率-转角”曲线(P-θ曲线)。

根据图2和图4所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括用于对扭矩传感器120进行现场标定的扭矩标定传感器150；所述的扭矩标定传感器150在执行扭矩标定操作期间临时可拆卸地固定在主轴1上，定位在邻近被标定的扭矩传感器120的部位；系统初始化模块112通过扭矩标定传感器150和扭矩传感器120同时检测施加在主轴1上的扭矩，得到扭矩标定传感器150输出的标定扭矩值M0和扭矩传感器120输出的扭矩采样值M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储在单片机110的非易失存储器中；在实际检测过程中，现场测量组件100将通过扭矩传感器120检测得到的采样值乘以扭矩校正系数a，得到准确的主轴扭矩M。扭矩标定传感器150不属于现场测量组件100的必要部件，仅用于扭矩传感器120的标定操作，在图4所示的实施例中采用虚线表示。

在图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例中，单片机110通过数据线连接到诊断上位机的移动终端(图2中的虚线框)；所述的的移动终端为笔记本电脑或手持式终端设备，用于被测试隔离开关基础参数的现场录入(例如，隔离开关的型号、编号，主轴最大转角θm和扭矩采样间隔θs等)，并且为隔离开关的分合闸时间t0测定和扭矩传感器的扭矩校正系数a的标定提供操作控制界面。

根据图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括可移动外部存储器160，当隔离开关分闸或合闸结束后，能够将检测得到的现场测量数据保存到可移动外部存储器160中，所述的可移动外部存储器160可以是U盘或SD卡。

根据图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括无线数据传输模块170，当隔离开关分闸或合闸结束后，能够将检测得到的现场测量数据通过无线数据传输模块170打包发送到无线网络。

用于本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一个实施例，包括以下步骤：

S100：在隔离开关操动机构的主轴上粘贴应变片，构成用于测量主轴扭矩的扭矩传感器；

S200：角度生成模块接收隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号，启动分闸或合闸动作计时；

S300：角度生成模块读取隔离开关的基础参数，计算生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号；

S400：根据主轴转角信号确定采样周期，通过扭矩传感器120采样测量主轴扭矩，记录主轴扭矩采样值和对应的采样时间；

S500：判断隔离开关分闸或合闸操作动程是否完成，若分闸或合闸操作动程结束，转步骤S600；否则，返回步骤S400；

S600：将采样时间转化为主轴转角,得到“扭矩-转角”数据，打包传送给诊断上位机。

根据本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一个实施例，所述的步骤S100还包括以下对隔离开关的基础参数进行测定和配置的操作：

S110：角度生成模块接收隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号；

S120：根据隔离开关的动作方向启动分闸或合闸动作计时，直到隔离开关分闸或合闸操作的整个动程结束，将完成分闸或合闸操作整个动程所用的时间，作为隔离开关的分合闸时间；

S130：将测定得到的隔离开关的分合闸时间，连同现场录入的隔离开关的型号、编号和主轴最大转角，以及根据“扭矩-转角”曲线采样点的密度要求选择的扭矩采样间隔，一并存储到非易失存储器中作为隔离开关的基础参数。

Claims (8)

1.一种隔离开关机械负载自动测量装置，其特征在于，该装置包括：

现场测量组件：设置在，用以在隔离开关操动机构的机构箱内，现场测量隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号；

诊断上位机：与现场测量组件连接，并且获取隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号进行判断。

2.根据权利要求1所述的一种隔离开关机械负载自动测量装置，其特征在于，所述的现场测量组件包括扭矩传感器、三相输入功率传感器、角度生成模块、接口电路、可移动外部存储器、单片机及无线数据传输模块，所述的扭矩传感器、三相输入功率传感器分别通过接口电路与单片机连接，所述的单片机分别与角度生成模块、发射模块和外置存储器连接，并且与诊断上位机通信。

3.根据权利要求2所述的一种隔离开关机械负载自动测量装置，其特征在于，所述的扭矩传感器安装在隔离开关操动机构的主轴上，所述的三相输入功率传感器、接口电路、外置存储器、单片机和发射模块均设置在隔离开关的机构箱内。

4.根据权利要求2所述的一种隔离开关机械负载自动测量装置，其特征在于，所述的角度生成模块用以设定单片机的扭矩采样周期。

5.根据权利要求2所述的一种隔离开关机械负载自动测量装置，其特征在于，所述的扭矩传感器包括一由4片压力应变片组成的全桥测量电路、电源、运算放大器和A/D转换器，所述的压力应变片粘贴在主轴上，所述的全桥测量电路的输入信号端与电源连接，输出信号端连接到运算放大器的差分信号输入端，输出信号经过运算放大器放大并整形后，通过A/D转换器转变为数字信号传送给单片机。

6.根据权利要求2所述的一种隔离开关机械负载自动测量装置，其特征在于，所述的现场测量组件还包括与单片机通信的转矩标定传感器。

7.一种应用如权利要求1-6任一项所述的隔离开关机械负载自动测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将扭矩传感器的4片压力应变片粘贴在主轴上，并且对扭矩传感器进行标定；

2)通过角度生成模块设定扭矩的采样周期，每转动2°采样一次主轴输出扭矩，该采样间隔为其中，t₀为隔离开关分合闸时间，θ为主轴最大转角；

3)诊断上位机分别获取隔离开关的主轴扭矩、主轴转角和电机功率信号，并绘制扭矩-转角曲线和功率-转角曲线，并与历史标准数据做对比，找出差异位置并记录。

8.根据权利要求7所述的一种隔离开关机械负载自动测量装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤1)中，对扭矩传感器进行标定具体为：

扭矩标定传感器在执行扭矩标定操作期间临时可拆卸地固定在主轴上，定位安装在邻近被标定的扭矩传感器的部位，扭矩标定传感器和扭矩传感器同时检测施加在主轴上的扭矩，得到标定扭矩值M0和扭矩采样值M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储在单片机的外置存储器中。