CN107064786B - 一种10kV断路器弹跳监测方法 - Google Patents
一种10kV断路器弹跳监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种10kV断路器弹跳监测方法,具体按照以下步骤实施:步骤1:信号采集模块采集信号;步骤2:信号调理模块对步骤1采集到的信号进行滤波、放大处理,然后传输到处理器;步骤3:处理器采集过程中判断被采集信号是否超过设定的阈值;步骤4:处理器对采集信号进行小波去噪;步骤5:根据小波去噪后的断路器主轴角位移计算得到触头直线位移L;步骤6:计算断路器的弹跳时间;步骤7:处理器将断路器的弹跳时间上传至断路器状态监测IDE进行断路器健康状态的监测、触头点寿命的预测。本发明一种10kV断路器弹跳监测方法,可以计算出精确的断路器弹跳时间,从而判断断路器的健康状况和机械寿命。
Description
技术领域
本发明属于智能电网配电自动化技术领域,具体涉及一种10kV断路器弹跳监测方法。
背景技术
断路器是开关电气中作为绝缘和灭弧最为关键的一种电气设备。正常运行时用来进行切换设备或线路的运行方式,把设备或线路投入或退出运行。当设备和线路发生故障时,快速切除、隔离故障保证非故障用户正常运行。因此,断路器是电力系统中动作最频繁的开关设备,而断路器每次分/合闸过程会产生弹跳。弹跳时间是影响断路器的电寿命、机械寿命的重要因素,而且弹跳时间过长会引发一系列故障,如触头熔焊、合闸过电压等。JB/T3855-2008《高压交流真空断路器》中对动触头合闸弹跳时间进行了定义:从触头第一次接触开始到触头稳定接通时刻为断路器合闸弹跳时间。
断路器弹跳实际上属于一种阻尼振荡,尤其在合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生L,C高频振荡,产生的过电压对设备的绝缘造成危害。此外,若断路器带电操作时,两触头之间若存在弹跳,电弧的燃弧时间延长,使触头表面熔化的深度和广度增加,合闸时成两触头液面接触,瞬间冷却后两触头熔焊在一起,靠操作机构几千牛顿的分闸力都拉不开。若熔焊点很小,虽然分闸力能拉开,但常常把触头表面拉变形,造成开断后恢复电压短路。因此,熔焊的结果可能使短路开断失败,甚至有时会引起灭弧室的损坏。综上所述,对断路器弹跳进行监测十分必要,而如何获得准确的弹跳时间最为关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种10kV断路器弹跳监测方法,可以计算出精确的断路器弹跳时间,从而判断断路器的健康状况和机械寿命。
本发明所采用的技术方案是,一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1:信号采集模块测量得到断路器主轴角位移及断路器三相主回路电流信号;
步骤2:信号调理模块对步骤1得到的断路器主轴角位移及断路器三相主回路电流信号进行滤波、放大处理,处理后的信号经AD采样传输到处理器;
步骤3:处理器运行分/合闸采样程序,不断采集合闸过程中的断路器主轴角位移信号,采集过程中判断被采集信号是否超过设定的阈值,如果没有超过阈值,则处理器进行连续采样,超过阈值时,如果连续3次超过阈值,将采集到的数据存储到EEPROM;
步骤4:处理器对采集到的断路器三相主回路电流信号及存储到EEPROM的断路器主轴角位移进行小波去噪;
步骤5:根据小波去噪后的断路器主轴角位移计算得到触头直线位移L;
步骤6:计算断路器的弹跳时间;
步骤7:处理器将断路器的弹跳时间上传至断路器状态监测IDE进行断路器健康状态的监测、触头点寿命的预测。
本发明的特点还在于:
步骤5具体为:
连杆l1的远离连杆l2的一端与连杆l3的中点的连线定义为连杆l4,连杆l1、连杆l2、连杆l3的左半部分与连杆l4组成了四连杆,连杆l4所在的直线设定为x轴,连杆l1与连杆l4的交点设定为原点,
四个连杆在x、y轴上的投影关系式为:
其中,L1是连杆l1的长度,L2是连杆l2的长度,L3′是连杆l3左半部分l3′的长度,L4是连杆l4的长度,αi为分闸时连杆l1与连杆l4的夹角,为分闸时连杆l3与连杆l4的夹角,δ为合闸时连杆l2与连杆l4的空间夹角;
将两式中消去δ,整理得:
式中:最后化解式得:
断路器分合闸过程中主轴转角为Δα=αi-α0,即连杆l1转角为Δα时,当连杆l3的左边部分旋转角度为时,连杆l3的右半部分的转角同样为此时对应的断路器的触头直线位移为L:
其中,L″3为连杆l3的右半部分的长度。
步骤6计算断路器的弹跳时间,通过判断分合闸过程断路器触头速度/加速度的变化来确定弹跳时间,具体为:根据步骤5得到精确的触头行程- 时间位移曲线,断路器合闸操作时,当断路器接到合闸指令后,合闸线圈通电驱动储能结构释放能量,储能电机将电能转化为动触头的机械能,动触头开始运动,速度不断增大,加速度持续增加至最大,但是触头运动过程中会遇到各种摩擦或者阻力的影响,而且当动触头运动到离静触头一定位置时会产生电弧,电弧的电动力对动触头来说也是阻力,此时加速度会减小但是还与触头运动的方向一致,速度还在持续增大,当加速度由正变为负的时刻,速度达到最大,此时为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去刚合时刻为断路器弹跳时间。
步骤6计算断路器的弹跳时间,具体为:判断主回路三相电流采样值大小,如果三相都大于某一门坎值则认为三相全合,即该时刻为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去刚合时刻为断路器弹跳时间。
步骤6计算断路器的弹跳时间,具体为:
方法一:根据步骤5得到精确的触头行程-时间位移曲线,断路器合闸操作时,当断路器接到合闸指令后,合闸线圈通电驱动储能结构释放能量,储能电机将电能转化为动触头的机械能,动触头开始运动,速度不断增大,加速度持续增加至最大,但是触头运动过程中会遇到各种摩擦或者阻力的影响,而且当动触头运动到离静触头一定位置时会产生电弧,电弧的电动力对动触头来说也是阻力,此时加速度会减小但是还与触头运动的方向一致,速度还在持续增大,当加速度由正变为负的时刻,速度达到最大,此时为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器刚合时刻,稳定合闸时刻减去断路器刚合时刻为断路器弹跳时间;
方法二:判断主回路三相电流采样值大小,如果三相都大于某一门坎值则认为三相全合,即该时刻为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去断路器刚合时刻为断路器弹跳时间;
将方法一和方法二得到的断路器弹跳时间求平均值即为最终的断路器弹跳时间。
采用的断路器弹跳监测装置具体结构为:包括依次连接的信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块,数据处理模块还与人机交互模块连接,数据处理模块通过RS485与断路器状态监测IDE连接;
信号采集模块包括测量断路器主轴角位移的角位移传感器和测量断路器三相主回路电流信号的电流互感器;
数据处理模块包括信号调理模块和处理器,信号调理模块分别与角位移传感器和电流互感器连接,处理器分别与数据存储模块、人机交互模块、断路器状态监测IDE连接。
数据存储模块采用EEPROM。
人机交互模块包括数码管、蜂鸣器、按键,数码管、蜂鸣器、按键均与处理器连接。
本发明的有益效果是:本发明一种10kV断路器弹跳监测方法中,采用角位移传感器测量断路器主轴旋转角度,从而间接获得断路器的触头行程,没有破坏断路器的原始结构,进而不影响它的绝缘性能;采用小波去噪的方法对数据进行处理后,有效去除各种干扰的影响且保真地还原信号;通过判断主回路三相电流及分合闸过程断路器动触头速度/加速度的变化共同来确定弹跳时间,两种方法综合获得弹跳时间更加精确。
附图说明
图1是本发明一种10kV断路器弹跳监测方法中采用的装置的结构示意图;
图2是VS1真空断路器的内部机械结构图;
图3是本发明一种10kV断路器弹跳监测方法中四连杆传动关系示意图。
图中,1.角位移传感器,2.电流互感器,3.信号调理模块,4.处理器,5.EEPROM,6.断路器状态监测IDE,7.数码管,8.蜂鸣器,9.按键。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种10kV断路器弹跳监测方法采用的监测装置,如图1所示,包括依次连接的信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块,数据存储模块采用EERPOM5,数据处理模块还与人机交互模块连接,数据处理模块通过RS485与断路器状态监测IDE6连接;信号采集模块包括测量断路器主轴角位移的角位移传感器1(角位移传感器1安装在断路器主轴上)和测量断路器三相主回路电流信号的电流互感器2(采用南京泽明电子的电压型电流互感器);数据处理模块包括信号调理模块3和处理器4,信号调理模块3分别与角位移传感器1和电流互感器2连接,处理器4分别与数据存储模块、人机交互模块、断路器状态监测IDE6连接。其中,人机交互模块包括数码管7、蜂鸣器8、按键9,数码管7、蜂鸣器8、按键9均与处理器4连接。24VDC电源给整个装置进行供电。
本发明一种10kV断路器弹跳监测方法,首先,通过其信号采集模块获取断路器主轴旋转角位移和断路器主回路的三相电流,经信号调理模块3对各个采集数据进行滤波、放大、AD采样之后,存储到EEPROM5中;其次,当断路器分合闸完成后,处理器4再读取出EEPROM5中数据,采用小波去噪对数据进一步处理,获取精确的三相主回路电流信号及断路器主轴旋转角位移信号来确定弹跳起始时间,通过换位点(主回路三相电流都出现时刻)来确定断路器稳定合闸时刻,在此基础上计算出精确的弹跳时间。最后,通过RS485总线将计算结果上传至断路器状态监测IED6进行断路器健康状况的监测、触头电寿命的预测。
具体为:
步骤1:信号采集模块测量得到断路器主轴角位移及断路器三相主回路电流信号;
步骤2:信号调理模块3对步骤1得到的断路器主轴角位移及断路器三相主回路电流信号进行滤波、放大处理,处理后的信号经AD采样传输到处理器4;
步骤3:处理器4运行分/合闸采样程序,不断采集合闸过程中的断路器主轴角位移信号,采集过程中判断被采集信号是否超过设定的阈值,如果没有超过阈值,则处理器4进行连续采样,超过阈值时,如果连续3次超过阈值,将采集到的数据存储到EEPROM5;
步骤4:处理器4对采集到的断路器三相主回路电流信号及存储到EEPROM5的断路器主轴角位移进行小波去噪,具体为:
断路器三相主回路电流信号和断路器主轴角位移均是一维的、非平稳信号S(t)。
S(t)=f(t)+e(t)
其中,t=(1,.....m),f(t)为真实信号,e(t)为噪声信号;
基于小波的多分辨分析,把信号S(t)分解成频率小于的低频成分和频率介于2-j和2-j-1之间的高频成分Dj·S(t):
其中,表示信号S(t)中频率小于的部分,表示信号S(t)中频率介于2-j和2-j-1之间的部分,j表示小波分解层数,k表示采样点数,(J1+1)≤j≤J2,表示小波分解系数。
然后再对每一段频率成分和Dj·S(t)又分解成具相同频率程区不同相位的成分。
如果尺度函数与小波函数ψ的能量分别集中在X=a和X=b附近,则说明信号中的高频噪声就分别集中在t=2j(k+a)和t=2j(k+b)附近。将与噪声信号对应的系数Dl,k设置为零其中((J1+1)≤l≤J2),这样就将信号中的噪声滤掉,还原了真实信号,由处理后的小波系数{Dl-1,k}k∈Z和尺度系数{Cl-1,k}k∈Z,利用重构算法
求得小波系数{Cl,k}k∈Z得到重构后的信号这样就能实现对信号的去噪。
步骤5:根据小波去噪后的断路器主轴角位移计算得到触头直线位移L;
步骤5具体为:
断路器进行分合闸操作时,动触头会与静触头接触或者分开,与此同时,操动主轴也会产生转动,本发明通过测量主轴旋转的角度从而间接的获得断路器触头的直线位移,为有效的将主轴转过的角度转化为动触头的直线位移,本发明通过分析VS1真空断路器的内部机械结构如图2所示,连杆l1的远离连杆l2的一端与连杆l3的中点的连线定义为连杆l4,连杆l1、连杆l2和连杆l3的左半部分l3′与连杆l4组成了四连杆,如图3所示。本发明通过对断路器四连杆机构运动过程分析,建立了主轴旋转角度与动触头直线位移关系。
连杆l4所在的直线设定为x轴,连杆l1与连杆l4的交点设定为原点,四个连杆在x、y轴上的投影关系式为:
其中,L1是连杆l1的长度,L2是连杆l2的长度,L3′是连杆l3左半部分l3′的长度,L4是连杆l4的长度,αi为分闸时连杆l1与连杆l4的夹角,为分闸时连杆l3与连杆l4的夹角,δ为合闸时连杆l2与连杆l4的空间夹角;
将两式中消去δ,整理得:
式中:最后化解式得:
如图3知,断路器分合闸过程中主轴转角为Δα=αi-α0,即连杆l1转角为Δα时,当连杆l3的左边部分旋转角度为时,连杆l3的右半部分的转角同样为其中,四个连杆的长度L1、L2、L3′、L″3、L4及初始角度α0、都是已知量,此时对应的断路器的触头直线位移为L:
其中,L″3为连杆l3的右半部分的长度。
步骤6:计算断路器的弹跳时间。
弹跳时间计算
方法一:通过判断分合闸过程断路器触头速度/加速度的变化来确定弹跳时间,具体为:根据步骤5得到精确的触头行程-时间位移曲线,通过分析分合闸过程中动触头的速度/加速度的变化规律获取刚合点,例如,断路器合闸操作时,当断路器接到合闸指令后,合闸线圈通电驱动储能结构释放能量,储能电机将电能转化为动触头的机械能,动触头开始运动,速度不断增大,加速度持续增加至最大,但是触头运动过程中会遇到各种摩擦或者阻力的影响,而且当动触头运动到离静触头一定位置时会产生电弧,电弧的电动力对动触头来说也是阻力,此时加速度会减小但是还与触头运动的方向一致,速度还在持续增大,当加速度由正变为负的时刻,速度达到最大,此时为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去刚合时刻为断路器弹跳时间。
方法二:判断主回路三相电流采样值大小,如果三相都大于某一门坎值则认为三相全合,即该时刻为断路器刚合时刻(即断路器弹跳起始时刻);然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去刚合时刻为断路器弹跳时间。
方法三:将方法一和方法二得到的断路器弹跳时间求平均值即为最终的断路器弹跳时间。
采用方法三得到的断路器弹跳时间更为精确。
步骤7:处理器4将断路器的弹跳时间上传至断路器状态监测IDE6进行断路器健康状态的监测、触头点寿命的预测。
人机交互模块中数码管7用来显示弹跳时间,按键9用来设置告警阈值等参数,蜂鸣器8用来告警。
Claims (7)
1.一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1:信号采集模块测量得到断路器主轴角位移及断路器三相主回路电流信号;
步骤2:信号调理模块(3)对步骤1得到的断路器主轴角位移及断路器三相主回路电流信号进行滤波、放大处理,处理后的信号经AD采样传输到处理器(4);
步骤3:处理器(4)运行分/合闸采样程序,不断采集合闸过程中的断路器主轴角位移信号,采集过程中判断被采集信号是否超过设定的阈值,如果没有超过阈值,则处理器(4)进行连续采样,超过阈值时,如果连续3次超过阈值,将采集到的数据存储到EEPROM(5);
步骤4:处理器(4)对采集到的断路器三相主回路电流信号及存储到EEPROM(5)的断路器主轴角位移进行小波去噪;
步骤5:根据小波去噪后的断路器主轴角位移计算得到触头直线位移L;
所述步骤5具体为:
连杆l1的远离连杆l2的一端与连杆l3的中点的连线定义为连杆l4,连杆l1、连杆l2、连杆l3的左半部分与连杆l4组成了四连杆,连杆l4所在的直线设定为x轴,连杆l1与连杆l4的交点设定为原点,
四个连杆在x、y轴上的投影关系式为:
其中,L1是连杆l1的长度,L2是连杆l2的长度,L3′是连杆l3左半部分l3′的长度,L4是连杆l4的长度,αi为分闸时连杆l1与连杆l4的夹角,为分闸时连杆l3与连杆l4的夹角,δ为合闸时连杆l2与连杆l4的空间夹角;
将两式中消去δ,整理得:
式中:最后化解式得:
断路器分合闸过程中主轴转角为Δα=αi-α0,即连杆l1转角为Δα时,当连杆l3的左边部分旋转角度为时,连杆l3的右半部分的转角同样为此时对应的断路器的触头直线位移为L:
其中,L″3为连杆l3的右半部分的长度;
步骤6:计算断路器的弹跳时间;
步骤7:处理器(4)将断路器的弹跳时间上传至断路器状态监测IDE(6)进行断路器健康状态的监测、触头点寿命的预测。
2.根据权利要求1所述的一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,所述步骤6计算断路器的弹跳时间,通过判断分合闸过程断路器触头速度/加速度的变化来确定弹跳时间,具体为:根据步骤5得到精确的触头行程-时间位移曲线,断路器合闸操作时,当断路器接到合闸指令后,合闸线圈通电驱动储能结构释放能量,储能电机将电能转化为动触头的机械能,动触头开始运动,速度不断增大,加速度持续增加至最大,但是触头运动过程中会遇到各种摩擦或者阻力的影响,而且当动触头运动到离静触头一定位置时会产生电弧,电弧的电动力对动触头来说也是阻力,此时加速度会减小但是还与触头运动的方向一致,速度还在持续增大,当加速度由正变为负的时刻,速度达到最大,此时为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去刚合时刻为断路器弹跳时间。
3.根据权利要求1所述的一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,所述步骤6计算断路器的弹跳时间,具体为:判断主回路三相电流采样值大小,如果三相都大于某一门坎值则认为三相全合,即该时刻为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去刚合时刻为断路器弹跳时间。
4.根据权利要求1所述的一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,所述步骤6计算断路器的弹跳时间,具体为:
方法一:根据步骤5得到精确的触头行程-时间位移曲线,断路器合闸操作时,当断路器接到合闸指令后,合闸线圈通电驱动储能结构释放能量,储能电机将电能转化为动触头的机械能,动触头开始运动,速度不断增大,加速度持续增加至最大,但是触头运动过程中会遇到各种摩擦或者阻力的影响,而且当动触头运动到离静触头一定位置时会产生电弧,电弧的电动力对动触头来说也是阻力,此时加速度会减小但是还与触头运动的方向一致,速度还在持续增大,当加速度由正变为负的时刻,速度达到最大,此时为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器刚合时刻,稳定合闸时刻减去断路器刚合时刻为断路器弹跳时间;
方法二:判断主回路三相电流采样值大小,如果三相都大于某一门坎值则认为三相全合,即该时刻为断路器刚合时刻;然后通过换位点即主回路三相电流都出现时刻确定为断路器稳定合闸时刻,稳定合闸时刻减去断路器刚合时刻为断路器弹跳时间;
将方法一和方法二得到的断路器弹跳时间求平均值即为最终的断路器弹跳时间。
5.根据权利要求1所述的一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,采用的断路器弹跳监测装置具体结构为:包括依次连接的信号采集模块、数据处理模块、数据存储模块,数据处理模块还与人机交互模块连接,数据处理模块通过RS485与断路器状态监测IDE(6)连接;
信号采集模块包括测量断路器主轴角位移的角位移传感器(1)和测量断路器三相主回路电流信号的电流互感器(2);
数据处理模块包括信号调理模块(3)和处理器(4),信号调理模块(3)分别与角位移传感器(1)和电流互感器(2)连接,处理器(4)分别与数据存储模块、人机交互模块、断路器状态监测IDE(6)连接。
6.根据权利要求5所述的一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,所述数据存储模块采用EEPROM(5)。
7.根据权利要求5所述的一种10kV断路器弹跳监测方法,其特征在于,所述人机交互模块包括数码管(7)、蜂鸣器(8)、按键(9),数码管(7)、蜂鸣器(8)、按键(9)均与所述处理器(4)连接。
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CN107064786A (zh) | 2017-08-18 |
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