CN107632257A - 一种高压开关设备故障模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压开关设备故障模拟试验装置及方法，涉及电气技术领域，用于有效构建高压开关设备中分合闸线圈指纹库，以提前识别高压开关设备的潜在故障，提高电力系统的运行可靠性。所述高压开关设备故障模拟试验装置包括高压开关模拟设备以及与高压开关模拟设备连接的数据监测装置；其中，高压开关模拟设备包括分合闸线圈、断路器辅助触点以及设在分合闸线圈和断路器辅助触点之间的操动机构；分合闸线圈通过模拟电路与数据监测装置连接；数据监测装置还分别与断路器辅助触点和操动机构连接。本发明提供的高压开关设备故障模拟试验装置用于模拟试验各种高压开关设备故障。

Description

一种高压开关设备故障模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种高压开关设备故障模拟试验装置及方法。

背景技术

高压开关设备是指运行在电压3kV及以上，频率50Hz及以下的电力系统中的户内和户外开关设备，通常用于控制和保护电力系统中的电力设备，比如发电厂、变电站以及输配电线路等。

断路器作为一种常见的高压开关设备，其具有长期承载正常工作电流、短时承载短路电流以及分断电流的能力，对电力系统的可靠运行起着非常重要的作用。

然而，在断路器的使用过程中，如果断路器的分合闸操动机构卡涩或变形，或者断路器的二次控制回路出现故障，都容易导致断路器发生拒动故障，即断路器拒绝合闸或分闸。而一旦断路器发生拒动故障，轻则使得断路器所控制和保护的电力设备受损，重则使得电力系统大面积停电，从而导致电力系统无法可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压开关设备故障模拟试验装置及方法，用于有效构建高压开关设备中分合闸线圈指纹库，以提前识别高压开关设备的潜在故障，提高电力系统的运行可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的第一方面提供了一种高压开关设备故障模拟试验装置，包括高压开关模拟设备以及与高压开关模拟设备连接的数据监测装置；其中，高压开关模拟设备包括分合闸线圈、断路器辅助触点以及设在分合闸线圈和断路器辅助触点之间的操动机构；分合闸线圈通过模拟电路与数据监测装置连接；数据监测装置还分别与断路器辅助触点和操动机构连接。

与现有技术相比，本发明提供的高压开关设备故障模拟试验装置具有以下有益效果：

在本发明提供的高压开关设备故障模拟试验装置中，利用高压开关模拟设备能够逐一模拟多种高压开关设备故障，而高压开关模拟设备与数据监测装置连接，利用数据监测装置能够在各高压开关设备故障的模拟过程中，对应采集记录高压开关模拟设备中的分合闸线圈的电流波形，以及采集与电流波形对应的操动机构的动作信号，此时，利用数据监测装置对分合闸线圈的电流波形，以及与电流波形对应的操动机构的动作信号进行分析处理，可以获得分合闸线圈匹配各高压开关设备故障的指纹特征，从而构建出分合闸线圈指纹库。

因此，本发明提供的高压开关设备故障模拟试验装置，通过多次高压开关设备故障模拟试验，可以有效构建高压开关设备中分合闸线圈指纹库，有助于准确判断高压开关设备的结构及其分合闸线圈的运行状态，提前识别潜在故障，从而为深入进行高压开关设备及其二次控制回路的状态评估、故障诊断和寿命评估奠定基础，以提高电力系统的运行可靠性。

基于上述高压开关设备故障模拟试验装置的技术方案，本发明的第二方面提供一种高压开关设备故障模拟试验方法，所述高压开关设备故障模拟试验方法包括：

步骤1，利用高压开关模拟设备逐一模拟多种高压开关设备故障；

步骤2，在各高压开关设备故障的模拟过程中，利用数据监测装置对应采集记录高压开关模拟设备中的分合闸线圈的电流波形，以及采集与所述电流波形对应的操动机构的动作信号；

步骤3，根据分合闸线圈的电流波形，以及与所述电流波形对应的操动机构的动作信号，利用数据监测装置获取分合闸线圈的指纹特征，构建分合闸线圈指纹库。

与现有技术相比，本发明提供的高压开关设备故障模拟试验方法所能实现的有益效果，与上述技术方案提供的高压开关设备故障模拟试验装置所能达到的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的直流可调电源的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的高压开关模拟设备的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的高压开关模拟设备的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的操动机构的机械原理示意图；

图6为本发明实施例提供的分合闸线圈的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的模拟电路的电路原理图；

图8为本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验方法的流程图。

附图标记：

1-高压开关模拟设备， 10-试验平台，

11-支撑架， 12-分合闸线圈，

121-分合闸线圈本体， 122-导线绕组，

123-动铁芯， 124-推杆，

125-动铁芯复位弹簧， 126-卡涩模拟垫片，

13-分合闸掣子， 14-保持掣子，

15-动触杆， 16-断路器辅助触点，

17-调节手轮， 171-压簧，

18-分合闸掣子复位弹簧， 19-保持掣子复位弹簧，

2-模拟电路， 20–直流可调电源，

201-交流系统， 202-交流变压器，

203-整流电路， 204-滤波电容，

21-手动开关， 22-辅助继电器，

23-时间继电器， 24-辅助开关，

25-可调电阻， 3-数据监测装置，

31-数据采集卡， 32-上位机。

具体实施方式

为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置及方法进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置，包括高压开关模拟设备1以及与高压开关模拟设备1连接的数据监测装置3；其中，

高压开关模拟设备1包括分合闸线圈12、断路器辅助触点16以及设在分合闸线圈12和断路器辅助触点16之间的操动机构；

分合闸线圈12通过模拟电路2与数据监测装置3连接；数据监测装置3还分别与断路器辅助触点16和操动机构连接。

在本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置中，利用高压开关模拟设备1能够逐一模拟多种高压开关设备故障，而高压开关模拟设备1与数据监测装置3连接，利用数据监测装置3能够在各高压开关设备故障的模拟过程中，对应采集记录高压开关模拟设备1中的分合闸线圈12的电流波形，以及采集与电流波形对应的操动机构的动作信号，此时，利用数据监测装置3对分合闸线圈12的电流波形，以及与电流波形对应的操动机构的动作信号进行分析处理，可以获得分合闸线圈12匹配各高压开关设备故障的指纹特征，从而构建出分合闸线圈12指纹库。

因此，本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置，通过多次高压开关设备故障模拟试验，可以有效构建高压开关设备中的分合闸线圈指纹库，有助于准确判断高压开关设备的结构及其分合闸线圈的运行状态，提前识别潜在故障，从而为深入进行高压开关设备及其二次控制回路的状态评估、故障诊断和寿命评估奠定基础，以提高电力系统的运行可靠性。

可以理解的是，上述操动机构可以为弹簧操动机构、电磁操动机构或液压操动机构等。为了便于多次调试以获得有效的试验结果，本实施例中的操动机构选用弹簧手动储能操动机构，请参阅图3、图4和图6，所述操动机构包括：与分合闸线圈12匹配设置的分合闸掣子13，与分合闸掣子13扣合的保持掣子14，以及与保持掣子14通过压簧171连接的调节手轮17；其中，

分合闸掣子13和保持掣子14分别与试验平台10伸出的固定架铰接，且分合闸掣子13通过分合闸掣子复位弹簧18与试验平台10连接，保持掣子14通过保持掣子复位弹簧19与试验平台10伸出的支撑架11连接；分合闸掣子复位弹簧18的形变方向与保持掣子复位弹簧19的形变方向垂直，而保持掣子复位弹簧19的形变方向与压簧171的形变方向平行；

保持掣子14靠近断路器辅助触点16的端部设有用于与断路器辅助触点16接触的动触杆15。

在上述实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置，请参阅图5和图6，上述分合闸线圈12包括设有导线绕组122的分合闸线圈本体121，以及设在分合闸线圈本体121背向分合闸掣子13的一侧的动铁芯123，动铁芯123的推杆124穿过分合闸线圈本体121与分合闸掣子13接触；动铁芯复位弹簧125套设在推杆124位于分合闸线圈本体121内的杆段上。为了便于模拟分合闸线圈铁芯卡涩故障，分合闸线圈本体121用于与动铁芯123接触的表面可以设置卡涩模拟垫片126。

需要补充的是，请参阅图1，模拟电路2包括直流可调电源20，直流可调电源20的正极引线与分合闸线圈12的正极连接，直流可调电源20的负极引线分别与手动开关21和辅助继电器22连接，手动开关21和辅助继电器22均通过时间继电器23与分合闸线圈12的负极连接。当然，在时间继电器23与分合闸线圈12之间，还可视实际使用情况设置辅助开关24。数据监测装置3分别与直流可调电源20的正极引线和负极引线连接，用于采集记录分合闸线圈的电流波形。

此外，为了便于模拟分合闸线圈接触不良故障，在上述实施例中，时间继电器23与分合闸线圈12的负极之间还可以串联可调电阻25。通过调节可调电阻25的电阻值，可以增大分合闸线圈12所在回路的总电阻值，减小分合闸线圈12所在回路的电流，从而对分合闸线圈12中的动铁芯123出力产生影响，以便模拟出分合闸线圈接触不良的故障。

为了便于模拟分合闸线圈过压/欠压故障，本实施例提供一种结构简单且容易实现的直流可调电源。请参阅图1和图2，上述直流可调电源20包括与交流系统201通过交流变压器202连接的整流电路203，以及与整流电路203并联的滤波电容204；滤波电容204的正极引线和负极引线分别对应为直流可调电源20的正极引线和负极引线。滤波电容204的正极引线与分合闸线圈12的正极连接，滤波电容的负极引线分别与手动开关21和辅助继电器22连接。

示例性的，整流电路203可选用单相桥式整流电路。直流可调电源20的电压调整范围为0V～240V，通过调节交流变压器202，可以使得直流可调电源20的输出电压在交流系统201额定电压220V的60％～110％之间变动，即在132V～242V之间变动，以便模拟分合闸线圈过压/欠压故障。

需要说明的是，请继续参阅图1，在上述实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置中，数据监测装置3包括数据采集卡31以及与数据采集卡31连接的上位机32；数据采集卡31分别与模拟电路2、断路器辅助触点16以及操动机构连接。数据采集卡31用于采集高压开关模拟设备中分合闸线圈12的电流波形，以及采集与电流波形对应的操动机构的动作信号，并将所采集的电流波形和动作信号传送至上位机32中，通过上位机32中的LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)对分合闸线圈12的电流波形和与电流波形对应的操动机构的动作信号进行记录、分析以及提取，能够获得分合闸线圈匹配各高压开关设备故障的指纹特征，从而构建分合闸线圈指纹库。

本发明实施例还提供了一种高压开关设备故障模拟试验方法，用于实施上述实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置，请参阅图8，该高压开关设备故障模拟试验方法包括：

步骤S1，利用高压开关模拟设备逐一模拟多种高压开关设备故障；

步骤S2，在各高压开关设备故障的模拟过程中，利用数据监测装置对应采集记录高压开关模拟设备中的分合闸线圈的电流波形，以及采集与电流波形对应的操动机构的动作信号；

步骤S3，根据分合闸线圈的电流波形，以及与电流波形对应的操动机构的动作信号，利用数据监测装置获取分合闸线圈匹配各高压开关设备故障的指纹特征，构建分合闸线圈指纹库。

与现有技术相比，本发明实施例提供的高压开关设备故障模拟试验方法，所能实现的有益效果，与上述实施例提供的高压开关设备故障模拟试验装置所能达到的有益效果相同，在此不做赘述。

需要说明的是，在上述实施例提供的高压开关设备故障模拟试验方法中，利用高压开关设备故障模拟试验装置模拟实施的高压开关设备故障类型可以有多种，示例性的，在本实施中，所述高压开关设备故障的类型包括分合闸掣子卡涩故障、分合闸线圈铁芯卡涩故障、分合闸线圈欠压故障、分合闸线圈接触不良故障以及分合闸线圈匝间短路故障。

当高压开关设备故障的类型为分合闸掣子卡涩故障时，其模拟实施方式可以有两种，请参阅图6，第一种模拟实施方式表现为：通过调节手轮17调整压簧171的压力，对保持掣子14与分合闸掣子13之间接触面所承受的正压力进行调节，使得保持掣子14与分合闸掣子13之间的摩擦力增大，模拟出分合闸掣子13润滑不足的情形，即分合闸掣子卡涩故障。第二种模拟实施方式表现为：更换具有不同原长、不同丝径和/或不同劲度系数的分合闸挚子复位弹簧18，调整分合闸挚子复位弹簧18对分合闸挚子13的压力输出，从而改变与分合闸掣子13接触的动铁芯的推杆的出力，模拟出分合闸掣子13轴承卡涩的情形，即分合闸掣子卡涩故障。

当高压开关设备故障的类型为分合闸线圈铁芯卡涩故障时，其模拟实施方式可以有两种，请参阅图5，第一种模拟实施方式表现为：在分合闸线圈中更换具有不同原长、不同丝径和不同劲度系数的动铁芯复位弹簧125，以逐渐增大动铁芯复位弹簧125的预压力，从而逐渐增大分合闸线圈中动铁芯123的出力阻力，改变动铁芯123的行程特性，模拟出分合闸线圈铁芯卡涩故障。第二种模拟实施方式表现为：在分合闸线圈本体121用于与动铁芯123接触的表面设置卡涩模拟垫片126，当分合闸线圈被触发后，其动铁芯123在接近行程终点时与卡涩模拟垫片126接触，可模拟出分合闸线圈铁芯卡涩故障；此外，通过更换具有不同厚度的卡涩模拟垫片126，还可以有效研究动铁芯123出力行程缩短长度与分合闸掣子脱扣的对应关系。

请参阅图1和图2，由于直流可调电源20包括与交流系统201通过交流变压器202连接的整流电路203，以及与整流电路203并联的滤波电容204；滤波电容204的输出电压对应为直流可调电源20的输出电压。当高压开关设备故障的类型为分合闸线圈过压/欠压故障时，其模拟实施方式为：通过调节交流变压器202，使得直流可调电源20的输出电压在交流系统201额定电压220V的60％～110％之间变动，即在132V～242V之间变动，从而模拟出分合闸线圈过压/欠压故障。

当高压开关设备故障的类型为分合闸线圈接触不良故障时，请参阅图7，其模拟实施方式为：在模拟电路中的时间继电器23与分合闸线圈12的负极之间串联可调电阻25，通过调节可调电阻25的电阻值，增大分合闸线圈12所在回路的总电阻值，减小分合闸线圈12所在回路的电流，从而对分合闸线圈12中的动铁芯123出力产生影响，模拟出分合闸线圈接触不良的故障。

当高压开关设备故障的类型为分合闸线圈匝间短路故障时，可以为高压开关模拟设备配套设置多个小于额定匝数的分合闸线圈，然后按照分合闸线圈匝数由大到小的顺序，逐一更换分合闸线圈进行试验，采集各分合闸线圈的不同电流波形；当分合闸线圈的匝数减少到一定数值时，如果动铁芯正常动作，但其辅助继电器未能将分合闸线圈的通电电流快速切断，使得分合闸线圈的导线绕组因长时间通电而发热，容易造成分合闸线圈匝间短路，直至烧毁。

不论高压开关模拟设备在模拟上述哪种类型的高压开关设备故障，数据监测装置中的数据采集卡均可以采集高压开关模拟设备中分合闸线圈的电流波形，以及采集与电流波形对应的操动机构的动作信号，并将所采集的电流波形和动作信号传送至上位机中，以利用上位机中的LabVIEW软件对分合闸线圈的电流波形和与电流波形对应的操动机构的动作信号进行记录、分析以及提取，以便获得分合闸线圈匹配各高压开关设备故障的指纹特征，从而构建分合闸线圈指纹库。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，包括高压开关模拟设备以及与所述高压开关模拟设备连接的数据监测装置；其中，

所述高压开关模拟设备包括分合闸线圈、断路器辅助触点以及设在所述分合闸线圈和所述断路器辅助触点之间的操动机构；

所述分合闸线圈通过模拟电路与所述数据监测装置连接；所述数据监测装置还分别与所述断路器辅助触点和所述操动机构连接。

2.根据权利要求1所述的高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，

所述操动机构包括：与所述分合闸线圈匹配设置的分合闸掣子，与所述分合闸掣子扣合的保持掣子，以及与所述保持掣子通过压簧连接的调节手轮；其中，

所述分合闸掣子和所述保持掣子分别与试验平台伸出的固定架铰接，且所述分合闸掣子通过分合闸掣子复位弹簧与所述试验平台连接，所述保持掣子通过保持掣子复位弹簧与所述试验平台伸出的支撑架连接；

所述保持掣子靠近所述断路器辅助触点的端部设有用于与所述断路器辅助触点接触的动触杆。

3.根据权利要求2所述的高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，所述分合闸线圈包括设有导线绕组的分合闸线圈本体，以及设在所述分合闸线圈本体背向所述分合闸掣子的一侧的动铁芯，所述动铁芯的推杆穿过所述分合闸线圈本体与所述分合闸掣子接触；动铁芯复位弹簧套设在所述推杆位于所述分合闸线圈本体内的杆段上；所述分合闸线圈本体用于与所述动铁芯接触的表面设有卡涩模拟垫片。

4.根据权利要求1所述的高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，所述模拟电路包括直流可调电源，所述直流可调电源的正极引线与所述分合闸线圈的正极连接，所述直流可调电源的负极引线分别与手动开关和辅助继电器连接，所述手动开关和所述辅助继电器均通过时间继电器与所述分合闸线圈的负极连接；

所述数据监测装置分别与所述直流可调电源的正极引线和负极引线连接。

5.根据权利要求4所述的高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，所述时间继电器与所述分合闸线圈的负极之间串联有可调电阻。

6.根据权利要求4所述的高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，所述直流可调电源包括与交流系统通过交流变压器连接的整流电路，以及与所述整流电路并联的滤波电容；所述滤波电容的正极引线与所述分合闸线圈的正极连接，所述滤波电容的负极引线分别与所述手动开关和所述辅助继电器连接。

7.根据权利要求1所述的高压开关设备故障模拟试验装置，其特征在于，所述数据监测装置包括数据采集卡以及与所述数据采集卡连接的上位机；所述数据采集卡分别与所述模拟电路、所述断路器辅助触点以及所述操动机构连接。

8.一种高压开关设备故障模拟试验方法，其特征在于，包括：

步骤1，利用高压开关模拟设备逐一模拟多种高压开关设备故障；

步骤2，在各所述高压开关设备故障的模拟过程中，利用数据监测装置对应采集记录所述高压开关模拟设备中的分合闸线圈的电流波形，以及采集与所述电流波形对应的操动机构的动作信号；

步骤3，根据所述分合闸线圈的电流波形，以及与所述电流波形对应的操动机构的动作信号，利用数据监测装置获取分合闸线圈匹配各高压开关设备故障的指纹特征，构建分合闸线圈指纹库。

9.根据权利要求8所述的高压开关设备故障模拟试验方法，其特征在于，所述高压开关设备故障的类型包括分合闸掣子卡涩故障、分合闸线圈铁芯卡涩故障、分合闸线圈过压/欠压故障、分合闸线圈接触不良故障以及分合闸线圈匝间短路故障。