CN107478985B - 变压器有载分接开关状态在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器有载分接开关状态在线监测装置及其监测方法，其特征在于，包括振动加速度传感器、霍尔电流传感器、信息采集控制模块、电源、微处理器、显示屏、按键、存储器、时钟、通信接口、报警器、角位移传感器；本发明能够在变压器有载分接开关带电状态下，利用振动加速度传感器、角位移传感器和霍尔电流互感器实现变压器有载分接开关状态的在线监测，对提高变压器安全运行具有重要的意义。

Description

变压器有载分接开关状态在线监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种变压器有载分接开关状态在线监测装置及其监测方法，可广泛应用于变压器有载分接开关在线监测及检修领域。

背景技术

有载分接开关，是一种为变压器在负载变化时提供恒定电压的开关装置。其基本原理就是在保证不中断负载电流的情况下，实现变压器绕组中分接头之间的切换，从而改变绕组的匝数，即变压器的电压比，最终实现调压的目的。

在现今输变电行业中，大型变压器都广泛地安装了有载调压开关，其对保证系统和用户的电压质量起到了重要的作用。目前发达国家对容量在10MVA及以上的变压器大都安装了有载分接开关，我国电力系统及用户也愈来愈多地采用了有载调压变压器，而有载分接开关是其最关键元件。目前变压器有载分接开关检修工作绝大部分需要在停电状态下完成，停电时间长度的严格控制导致停电检修时工作强度大，投入的人力设备成本也随之升高，有载分接开关的运行工况直接关系到有载调压变压器的运行安全，随着有载调压变压器的推广应用，故障频繁发生，急需解决带电条件下分接开关在线监测问题，为此本发明提出一种带电环境下变压器有载分接开关状态在线监测装置及其监测方法，利用振动加速度传感器、角位移传感器和霍尔电流传感器实现开关设备状态的快速诊断和高效维护，同时可以实现分接开关多个随机点的状态检测，具有检测范围广、发现问题及时，对提高电网安全运行具有重要意义。

如图2所示，有载分接开关触头分为动触头和静触头两个部分，在一开始的断开状态两个触头的距离称作开距，动触头开始向静触头靠拢，两触头刚刚接触时被称作刚分或刚合状态，这个时间点被称作刚分或刚合点。由于开关并未完全闭合，动触头需要继续向前移动，直至完全闭合，此间移动的距离被称作超程。而开距与超程之和被称作总行程，即总行程＝开距+超程，如果动触头由于使用时间过长而导致磨损，会使开距加长，而触头磨损会导致触头间接触面积减小，接触电阻加大，同时导致电弧不易熄灭，最终使得开关烧毁等严重事故，而目前开距和超程的检测，目前只能采取离线的方式停电时进行检修，主要采取在测试回路中加入电压激励信号，由于加入电压激励信号在开关刚刚闭合或断开的瞬间电流会产生突变，即从无到有或从有到无，此突变点就是开关的刚合或刚分点，这样根据总行程，并结合刚分或刚合点后就可以获得开距和超程，但是在线检测时在不停电的情况下进行刚合或刚分点采用传统方法无法满足实际测试的要求，原因是投运状态，开关回路有高电压加入，不允许加入电压激励信号，这样给开关刚合或刚分点地在线检测带来了困难。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种变压器有载分接开关状态在线监测装置及其监测方法，能够在变压器有载分接开关带电状态下，利用振动加速度传感器、角位移传感器和霍尔电流互感器实现变压器有载分接开关状态的在线监测，对提高变压器安全运行具有重要的意义。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征在于，包括振动加速度传感器、霍尔电流传感器、信息采集控制模块、电源、微处理器、显示屏、按键、存储器、时钟、通信接口、报警器、角位移传感器；所述振动加速度传感器和霍尔电流传感器的输出端分别与微处理器的A/D端连接；所述信息采集控制模块的输出端与微处理器的I/O口连接；所述电源的输出端与微处理器的电源端连接；所述显示器的输入端与微处理器的I/O口连接；所述按键的输出端与微处理器的输入端I/O口连接；所述存储器与微处理器的I/O口连接；所述时钟的输出端与微处理器的I/O口连接；所述通信接口与微处理器的对应通信接口连接；所述报警器的输入端与微处理器电路的I/O口连接，所述角位移传感器与微处理器的I/O口连接；所述信息采集控制模块输入端与变压器有载分接开关分合闸按钮输出接点连接，用于控制微处理器采集振动信号、电流信号、角位移信息。

前述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述霍尔电流传感器串接在变压器有载分接开关驱动电机线圈回路中，利用霍尔电流传感器监测驱动电机的工作电流。

前述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述振动加速度传感器固定在变压器有载分接开关动触头端，变压器有载分接开关动触头运动带动振动加速度传感器运动，获得变压器有载分接开关动触头振动频谱。

前述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述角位移传感器固定在有载分接开关驱动电机输出轴上，利用角位移传感器根据电机旋转角度间接测得变压器有载分接开关位移-时间曲线及总行程。

前述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述信息采集控制模块为光耦隔离电路，接收来自于分合闸按钮输出接点信号；所述分合闸按钮包括分闸按钮和合闸按钮，用于人为按钮控制变压器有载分接开关的分闸或者合闸。

前述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述显示器采用OLED彩色屏。

前述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述按键采用4个复位按键，为加键、减键、确认键和返回键。

一种变压器有载分接开关状态在线监测方法，其特征是：监测步骤为：

1)上电后微处理器进行初始化，初始化结束后设定电流报警上限值，显示器显示当前时间、变压器有载分接开关位置状态，处于待机检测状态，等待分合闸命令；

2)按下变压器有载分接开关分闸或合闸按钮，信息采集控制模块同时接收到分闸或合闸命令，此时信息采集控制模块给微处理器发送高或低电平信号，微处理器开始检测振动加速度传感器、角位移传感器和霍尔电流传感器的输出信号，获得实时振动加速度值、位移值和电流值，若电流值超过设定的上限值报警器发出报警信号；

3)微处理器根据获得实时振动加速度值、位移值和电流值在显示器上绘制有载分接开关驱动电机工作电流-时间曲线及其±5％电流-时间曲线包络线；绘制位移-时间曲线；绘制振动频谱图和加速度-时间曲线，若获得的当前测得的曲线超过投运时的曲线或者电机工作电流-时间曲线消失，则报警器发出报警信号；

4)微处理器根据绘制的电流-时间曲线、位移-时间曲线和加速度-时间曲线判断出有载分接开关的刚分或刚合点、总行程、开距、超程，并计算出分闸或合闸的平均速度，并存储在存储器内，若超程减小到规定值或分闸平均速度低于规定值时，报警器发出报警信号；

5)微处理器根据绘制的振动频谱图判断变压器有载分接三相开关分合闸的同步性，若变压器有载分接三相开关分合闸的同步性超过设定值，报警器发出报警信号；

6)等待下一次变压器有载分接开关分合闸监测操作。

本发明所达到的有益效果：

(1)利用振动加速度传感器和角位移传感器实现有载分接开关设备刚分和刚合点的判断，以及开距、超程、总行程及平均分合闸速度在线监测，提前发现开关设备运行状态触头磨损问题，提高开关设备快速诊断和高效维护，保证开关设备安全运行；

(2)霍尔电流传感器串接在变压器有载分接开关驱动电机线圈回路中，监测电机工作电流，微处理器在显示器上绘制电机电流-时间曲线，根据监测的电机工作电流和绘制的电机电流-时间曲线及包络线判断变压器有载分接开关工作是否正常，若监测电机工作电流大于投运时的电流值或者绘制的电机电流-时间曲线超出设定的包络线表明驱动机构出现卡涩或断杆等机械问题，若电机工作电流-时间曲线消失，表明驱动机构线圈断线；

(3)振动加速度传感器固定在分接开关连杆机构上，分接开关连杆机构运动带动振动加速度传感器运动，这样可以获得分接开关连杆机构振动频谱，根据频谱图可以判断变压器有载分接三相开关分合闸的同步性，若变压器有载分接三相开关分合闸的同步性超过设定值，即机构存在机械问题，不能满足有载分合闸的要求，建议维修。

附图说明

图1为变压器有载分接开关状态在线监测装置原理结构图；

图2为开关刚分或刚合点及超程和开距关系原理图；

图3为驱动电机电流-时间曲线；

图4为驱动电机电流-时间包络曲线；

图5为合闸过程振动加速度-时间曲线；

图6为分闸过程振动加速度-时间曲线。

具体实施方式

下面结合附图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。

如附图1所示，一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，包括振动加速度传感器、霍尔电流传感器、信息采集控制模块、电源、微处理器、显示屏、按键、存储器、时钟、通信接口、报警器、角位移传感器；振动加速度传感器和霍尔电流传感器的输出端分别与微处理器的A/D端连接；信息采集控制模块的输出端与微处理器的I/O口连接；电源的输出端与微处理器电的电源端连接；显示器的输入端与微处理器的I/O口连接；按键的输出端与微处理器的输入端I/O口连接；存储器与微处理器的I/O口连接；时钟的输出端与微处理器的I/O口连接；通信接口与微处理器的对应通信接口连接；报警器的输入端与微处理器电路的I/O口连接，所述角位移传感器与微处理器的I/O口连接；信息采集控制模块输入端与变压器有载分接开关分合闸按钮输出接点连接，用于控制微处理器采集振动信号、电流信号、角位移信息。

霍尔电流传感器串接在变压器有载分接开关驱动电机线圈回路中，利用霍尔电流传感器监测驱动电机的工作电流，微处理器在显示器上绘制驱动电机电流-时间曲线(如图3所示)和±5％偏差的驱动电机电流-时间包络曲线(如图4所示)，微处理器根据监测的驱动电机工作电流和绘制的驱动电机电流-时间包络曲线判断变压器有载分接开关工作是否正常，若监测到驱动电机工作电流大于投运时的电流值，绘制的驱动电机电流-时间包络曲线超出设定的包络线表明变压器有载分接开关驱动电机出现卡涩或断杆等机械问题，若电机工作电流-时间曲线消失，表明驱动电机线圈断线。

振动加速度传感器固定在变压器有载分接开关动触头端，变压器有载分接开关动触头运动带动振动加速度传感器运动，这样可以获得变压器有载分接开关动触头振动频谱，微处理器根据频谱图可以判断变压器有载分接开关A相、B相、C相有载分合闸的同步性，若变压器有载分接开关三相有载分合闸的同步性超过设定值，即机构存在机械问题，不能满足有载分合闸的要求，建议维修。

角位移传感器固定在有载分接开关驱动电机输出轴上，利用角位移传感器根据电机旋转角度间接测得变压器有载分接开关位移-时间曲线及总行程。

按键采用4个复位按键，为：加键、减键、确认键和返回键；按键可以设定电机工作电流最大值，时间校准设定，历史数据查询，历史数据清除，显示有载分接开关档位切换状态，即由第N档调到第N+1档。

显示器采用OLED彩色屏，显示电流-时间曲线、振动频谱图、最大工作电流值、当前运行电流值、有载分接开关状态(即分接在第几档位)、通信状态、当前时间、有载开关工作状态(是升压调节，还是降压调节，还是停止)、历史数据。微处理器为STM32单片机。

信息采集控制模块为光耦隔离电路，接收来自于分合闸按钮输出接点信号；所述分合闸按钮包括分闸按钮和合闸按钮，用于人为按钮控制变压器有载分接开关的分闸或者合闸。

当按下分合闸按钮的分闸或者合闸按钮后，变压器有载分接开关合闸或者合闸，分合闸按钮同时向光耦合隔离电路输出分闸或合闸开关量信号，光耦导通送给微处理器高电平信号，反之光耦不导通送给微处理器低电平信号。这样，变压器有载分接开关切换与信息采集控制模块输出同步，节省微处理器资源，即在微处理器接收到分合闸按钮分合闸命令时微处理器A/D端口才开始检测电流，分合闸结束后(一般按下按钮5秒左右后)微处理器A/D端口停止检测电流，这样避免微处理器A/D端口一直处于检测电流状态。

一种变压器有载分接开关状态在线监测方法，监测步骤为：

1)上电后微处理器进行初始化，初始化结束后设定电流报警上限值，显示器显示当前时间、变压器有载分接开关位置状态，处于待机检测状态，等待分合闸命令；

2)按下变压器有载分接开关分闸或合闸按钮，信息采集控制模块同步接收到分闸或合闸命令，此时信息采集控制模块给微处理器发送高或低电平信号，微处理器开始检测振动加速度传感器、角位移传感器和霍尔电流传感器的输出信号，获得实时振动加速度值、位移值和电流值，若电流值超过设定的上限值报警器发出报警信号，此时有可能出现有载开关结构卡涩、油脂凝固等问题；

3)微处理器根据获得实时振动加速度值、位移值和电流值在显示器上绘制有载分接开关驱动电机工作电流-时间曲线及其±5％电流-时间曲线包络线；绘制位移-时间曲线；绘制振动频谱图和加速度-时间曲线，若当前测得的曲线超过第一次投运获得的曲线，则报警器发出报警信号，表明驱动机构出现卡涩或断杆等机械问题；若电机工作电流-时间曲线消失，表明驱动机构线圈断线；

4)微处理器根据绘制的位移-时间曲线和加速度-时间曲线判断出有载分接开关的刚分或刚合点、总行程、开距、超程，并计算出分闸或合闸的平均速度，并存储在存储器内，若超程减小到规定值或分闸平均速度低于规定值时，报警器发出报警信号；表明有载分接开关的触头出现磨损问题；刚分和刚合点的判断是根据振动加速度传感器振动拐点，并结合位移-时间曲线进行判断；

5)微处理器也可以绘制振动加速度传感器振动的频谱，根据振动频谱图判断变压器有载分接三相开关分合闸的同步性，若变压器有载分接三相开关分合闸的同步性超过设定值，报警器发出报警信号；表明机构存在运动不协调的机械问题，不能满足有载分合闸的要求，建议维修。

6)等待下一次变压器有载分接开关分合闸监测操作。

如图5所示，为合闸过程振动加速度-时间曲线，通常振动加速度传感器固定在有载分接开关动触头上，有载分接开关会进行合闸的动作，在刚刚闭合的瞬间，振动加速度传感器会伴随动触头的动作产生振动，振动的同时振动加速度传感器的振动片会突然有形变现象出现，随之会产生相应突然变化的电压信号，利用振动加速度传感器就可判断有载分接开关触头接触受力点，即刚合点。

如图6所示，为分闸过程振动加速度-时间曲线，通常振动加速度传感器固定在有载分接开关动触头上，有载分接开关会进行分闸的动作，在刚刚断开的瞬间，振动加速度传感器会伴随动触头的动作产生振动，振动的同时振动加速度传感器的振动片会突然有形变现象出现，随之会产生相应突然变化的电压信号，利用振动加速度传感器就可判断有载分接开关触头受力消失点，即刚分点。

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 (7)

1.一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征在于，包括振动加速度传感器、霍尔电流传感器、信息采集控制模块、电源、微处理器、显示屏、按键、存储器、时钟、通信接口、报警器、角位移传感器；所述振动加速度传感器和霍尔电流传感器的输出端分别与微处理器的A/D端连接；所述信息采集控制模块的输出端与微处理器的I/O口连接；所述电源的输出端与微处理器的电源端连接；所述显示器的输入端与微处理器的I/O口连接；所述按键的输出端与微处理器的输入端I/O口连接；所述存储器与微处理器的I/O口连接；所述时钟的输出端与微处理器的I/O口连接；所述通信接口与微处理器的对应通信接口连接；所述报警器的输入端与微处理器电路的I/O口连接，所述角位移传感器与微处理器的I/O口连接；所述信息采集控制模块输入端与变压器有载分接开关分合闸按钮输出接点连接，用于控制微处理器采集振动信号、电流信号、角位移信息；

所述信息采集控制模块为光耦隔离电路，接收来自于分合闸按钮输出接点信号；所述分合闸按钮包括分闸按钮和合闸按钮，用于人为按钮控制变压器有载分接开关的分闸或者合闸；

当按下分合闸按钮的分闸或者合闸按钮后，变压器有载分接开关对应为分闸或者合闸，分合闸按钮同时向光耦隔离电路输出分闸或合闸开关量信号，合闸时光耦导通送给微处理器高电平信号，分闸时光耦不导通送给微处理器低电平信号，微处理器接收到分合闸按钮分或合闸命令时微处理器A/D端口开始检测电流，分或合闸结束后微处理器A/D端口停止检测电流。

2.根据权利要求1所述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述霍尔电流传感器串接在变压器有载分接开关驱动电机线圈回路中，利用霍尔电流传感器监测驱动电机的工作电流。

3.根据权利要求1所述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述振动加速度传感器固定在变压器有载分接开关动触头端，变压器有载分接开关动触头运动带动振动加速度传感器运动，获得变压器有载分接开关动触头振动频谱。

4.根据权利要求1所述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述角位移传感器固定在有载分接开关驱动电机输出轴上，利用角位移传感器根据电机旋转角度间接测得变压器有载分接开关位移-时间曲线及总行程。

5.根据权利要求1所述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述显示器采用OLED彩色屏。

6.根据权利要求1所述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置，其特征是：所述按键采用4个按键，为加键、减键、确认键和返回键。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的一种变压器有载分接开关状态在线监测装置的监测方法，其特征是：监测步骤为：

1)上电后微处理器进行初始化，初始化结束后设定电流报警上限值，显示器显示当前时间、变压器有载分接开关位置状态，处于待机检测状态，等待分合闸命令；

2)按下变压器有载分接开关分闸或合闸按钮，信息采集控制模块同时接收到分闸或合闸命令，此时信息采集控制模块给微处理器发送高或低电平信号，微处理器开始检测振动加速度传感器、角位移传感器和霍尔电流传感器的输出信号，获得实时振动加速度值、位移值和电流值，若电流值超过设定的上限值报警器发出报警信号；

3)微处理器根据获得实时振动加速度值、位移值和电流值在显示器上绘制有载分接开关驱动电机工作电流-时间曲线及其±5％电流-时间曲线包络线；绘制位移-时间曲线；绘制振动频谱图和加速度-时间曲线，若获得的当前测得的曲线超过投运时的曲线或者电机工作电流-时间曲线消失，则报警器发出报警信号；

4)微处理器根据绘制的电流-时间曲线、位移-时间曲线和加速度-时间曲线判断出有载分接开关的刚分或刚合点、总行程、开距、超程，并计算出分闸或合闸的平均速度，并存储在存储器内，若超程减小到规定值或分闸平均速度低于规定值时，报警器发出报警信号；

5)微处理器根据绘制的振动频谱图判断变压器有载分接三相开关分合闸的同步性，若变压器有载分接三相开关分合闸的同步性超过设定值，报警器发出报警信号；

6)等待下一次变压器有载分接开关分合闸监测操作。

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