CN109142943A - 一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置及方法，该装置包括分别安装在壳体内的激励源、控制电路、脉冲发生单元、数据采集单元、故障判断及定位单元，壳体上安装有控制按键、变压器、总开关、电源接口、显示器和一对连接端；激励源、控制按键、脉冲发生电路分别与控制电路电相连；数据采集单元与故障判断及定位单元电相连；连接端与激励源的输出端、脉冲发生单元的输出端、数据采集单元的输入端相连；控制电路与故障判断及定位单元电相连；显示器与故障判断及定位单元电相连。本发明设计巧妙，通过在断路器分合闸线圈两端接入激励源，能够便于工作人员及时发现并消除断路器分合闸线圈中的非金属性故障。

Description

一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置及方法

技术领域

本发明属于电气技术领域，涉及一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置及方法。

背景技术

分合闸线圈是断路器操作的重要控制元件，综合现场故障调研发现，断路器分合闸线圈匝间绝缘故障是造成线圈绕组变形甚至烧损的主要原因。因此，尽早发现线圈绕组的匝间绝缘问题对于保证断路器的安全运行非常重要，准确诊断线圈匝间短路故障位置具有重要意义。

重复脉冲法是一种简单有效的线圈匝间短路无损检测方法，其检测原理是分析注入线圈绕组的脉冲信号的反射波和折射波的响应特征曲线，根据特征波形的特征判断匝间绝缘故障位置。在采用重复脉冲法对断路器线圈匝间绝缘情况检测时，由于线圈匝间非金属性短路故障波阻抗变化较小，很难根据特征波形识别线圈匝间非金属性短路，工作人员无法及时对线圈匝间绝缘故障进行处理。

专利号为CN201610598612.4公开了一种断路器分合闸线圈匝间短路故障检测的方法，其通过脉冲发生器给线圈发送脉冲信号，由示波器处理相应的波形信号信息，该发明的有益效果是灵敏度高、设备便携、分析及操作简便，判断方法直观、具有较高可靠性且更适合现场应用，但是未提出解决上述问题的方法或装置。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种能够便于工作人员及时发现并消除断路器分合闸线圈中非金属性故障的断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，包括激励源、控制按键、控制电路、脉冲发生单元、数据采集单元、故障判断及定位单元和壳体；

所述的激励源、控制电路、脉冲发生单元、数据采集单元、故障判断及定位单元分别安装在壳体内；所述的控制按键安装在壳体上；所述的壳体上安装有变压器、总开关、电源接口、显示器和一对连接端；所述的电源接口通过总开关与变压器相连接；

所述的激励源、控制按键、脉冲发生电路分别与控制电路电相连；所述的数据采集单元与故障判断及定位单元电相连；所述的连接端与激励源的输出端、脉冲发生单元的输出端、数据采集单元的输入端相连；所述的控制电路与故障判断及定位单元电相连；所述的显示器与所述的故障判断及定位单元电相连；所述的激励源、控制电路、脉冲发生单元、数据采集单元、故障判断及定位单元、显示器分别与变压器电相连。

作为进一步的技术改进，所述的控制电路包括电路板、以及集成在电路板上的单片机和存储器。控制电路为采用本领域中常用的电路，单片机能够处理控制按键反馈过来的信息，并且控制激励源和脉冲发生单元的工作状态；以及控制电路能够反馈相应的数据信息给故障判断及定位单元。

作为进一步的技术改进，所述的激励源主要由电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q、继电器K组成；所述的电阻R1的一端与直流电源相连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、单片机的I/O接口相连接，电阻R2的另一端与NPN型三极管Q的基极相连，NPN型三极管Q的发射极与地相连；NPN型三极管Q的集电极与继电器K控制端的一端相连，继电器K控制端的另一端与直流电源相连，继电器K的电磁开关端的一端与220V市电的火线端相连，继电器K的电磁开关端的另一端与断路器分合闸线圈的一端相连，断路器分合闸线圈的另一端与220V市电的零线端相连。通过按动控制按键上激励源开关的键位，控制电路中的单片机接收到相应的请求信息后，输出高电平信号从电阻R2进入到NPN三极管Q的基极，三极管Q的基极和发射极导通，同时使得集电极和发射极导通，继电器K控制端被接通后，继电器K的电磁开关端被导通后，220V市电接入到断路器分合闸线圈的两端。

作为进一步的技术改进，所述的脉冲发生单元为脉冲发生器。

作为进一步的技术改进，所述的数据采集单元为脉冲采集模块。

作为进一步的技术改进，所述的故障判断及定位单元主要由ZyPi可重构电脑组成，ZyPi可重构电脑集成有ZYNQ7020芯片。

作为进一步的技术改进，所述的壳体内安装有隔板，隔板将壳体内部分隔出四个独立空间；所述的激励源、控制电路、脉冲发生单元和数据采集单元分别安装在壳体内的不同空间中；所述的故障判断及定位单元和控制电路安装在同一空间中。将壳体划分区域安装激励源、控制电路、脉冲发生单元、数据采集单元和故障判断及定位单元，能够避免相互间的电流信号的干扰。

一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励方法，包括以下步骤：

步骤一，脉冲发生单元输出两路完全相同的重复脉冲特征波至断路器分合闸线圈两端，同时激励源给断路器分合闸线圈两端施加激励电压；

步骤二，数据采集单元采集断路器分合闸线圈两侧重复脉冲特征波的反射波和折射波，并将重复脉冲特征波波形通过通信总线发送给故障判断及定位单元；

步骤三，故障判断及定位单元根据内置的判断算法对测试获取的重复脉冲特征波进行故障诊断，若断路器分合闸线圈存在非金属性故障时，在激励源施加的激励电压作用下，故障点将产生放电通道使阻抗产生较大的变化，导致重复脉冲特征波发生变形，从而可以判断被测断路器分合闸线圈是否发生非金属性短路故障，并根据该波形的断路器分合闸线圈短路故障信息获取故障线圈位置。

作为进一步的技术改进，在步骤三中判断算法的步骤具体为：

步骤一，故障判断及定位单元将获取的重复脉冲特征波转换为特征波函数，若断路器分合闸线圈不存在非金属性故障时，将会转化得到如下述的波函数表达式：

；

步骤二，若断路器分合闸线圈存在非金属性故障时，相应时间段内波函数与异常波进行叠加，会导致波函数在对应时间段内发生变形，通过确定波函数变形的时间段，故障判断及定位单元根据重复脉冲特征波的传播速度即可计算故障线圈位置。

本发明的工作原理：

使用时，通过导线将连接端接入断路器分合闸线圈两端，并且电源线接入电源接口，开启总开关，然后按压控制按键相应的键位可以开启激励源；控制按键还可以用于调整脉冲波形的相位、幅值、频率和产生间隔等参数；按压控制按键上不同的键位，控制电路收到控制按键的信息，一方面用于给脉冲发生单元中的控制寄存器写入控制字，实现对脉冲波形参数的调节和脉冲发生单元的开断；另一方面用于控制激励源的导通，实现220V激励源的开闭；数据采集单元采样率为100Ms/s；经过故障判断及定位单元进行数据处理后，故障判断及定位单元将信号发送给显示器，显示器显示脉冲波形的相位、幅值、频率、产生间隔和断路器分合闸线圈短路故障位置信息参数；变压器为激励源、控制电路、脉冲发生单元、数据采集单元、故障判断及定位单元和显示器提供电源保障。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

1.本发明通过在断路器分合闸线圈两端接入激励源，可以使非金属性短路故障点的波阻抗产生较大的变化，便于工作人员及时发现并消除断路器分合闸线圈中的非金属性故障。

2.本发明通过控制按键可快速、便捷调整脉冲波形的相位、幅值、频率和产生间隔等参数。

3.本发明通过故障判断及定位单元处理脉冲信号，能够快速掌握断路器分合闸线圈的故障信息。

4.本发明通过隔板将各部件分隔开，避免相互之间产生信号干扰现象。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的内部结构示意图。

图4为本发明中激励源的电路原理图。

附图标记：1-激励源，2-控制按键，3-控制电路，4-脉冲发生单元，5-数据采集单元，6-故障判断及定位单元，7-变压器，8-壳体，9-总开关，10-电源接口，11-连接端，12-显示器，13-隔板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，包括激励源1、控制按键2、控制电路3、脉冲发生单元4、数据采集单元5、故障判断及定位单元6和壳体8；

所述的激励源1、控制电路3、脉冲发生单元4、数据采集单元5、故障判断及定位单元6分别安装在壳体8内；所述的控制按键2安装在壳体8上；所述的壳体8上安装有变压器7、总开关9、电源接口10、显示器12和一对连接端11；所述的电源接口10通过总开关9与变压器7相连接；

所述的激励源1、控制按键2、脉冲发生电路分别与控制电路3电相连；所述的数据采集单元5与故障判断及定位单元6电相连；所述的连接端11与激励源1的输出端、脉冲发生单元4的输出端、数据采集单元5的输入端相连；所述的控制电路3与故障判断及定位单元6电相连；所述的显示器12与所述的故障判断及定位单元6电相连；所述的激励源1、控制电路3、脉冲发生单元4、数据采集单元5、故障判断及定位单元6、显示器12分别与变压器7电相连。

所述的控制电路3包括电路板、以及集成在电路板上的单片机和存储器。

所述的激励源1主要由电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q、继电器K组成；所述的电阻R1的一端与直流电源相连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、单片机的I/O接口相连接，电阻R2的另一端与NPN型三极管Q的基极相连，NPN型三极管Q的发射极与地相连；NPN型三极管Q的集电极与继电器K控制端的一端相连，继电器K控制端的另一端与直流电源相连，继电器K的电磁开关端的一端与220V市电的火线端相连，继电器K的电磁开关端的另一端与断路器分合闸线圈的一端相连，断路器分合闸线圈的另一端与220V市电的零线端相连。

所述的脉冲发生单元4为脉冲发生器。

所述的数据采集单元5为脉冲采集模块。

所述的故障判断及定位单元6主要由ZyPi可重构电脑组成，ZyPi可重构电脑集成有ZYNQ7020芯片。

所述的壳体8内安装有隔板13，隔板13将壳体8内部分隔出四个独立空间；所述的激励源1、控制电路3、脉冲发生单元4和数据采集单元5分别安装在壳体8内的不同空间中；所述的故障判断及定位单元6和控制电路3安装在同一空间中。

一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励方法，包括以下步骤：

步骤一，脉冲发生单元4输出两路完全相同的重复脉冲特征波至断路器分合闸线圈两端，同时激励源1给断路器分合闸线圈两端施加激励电压；

步骤二，数据采集单元5采集断路器分合闸线圈两侧重复脉冲特征波的反射波和折射波，并将重复脉冲特征波波形通过通信总线发送给故障判断及定位单元6；

步骤三，故障判断及定位单元6根据内置的判断算法对测试获取的重复脉冲特征波进行故障诊断，若断路器分合闸线圈存在非金属性故障时，在激励源1施加的激励电压作用下，故障点将产生放电通道使阻抗产生较大的变化，导致重复脉冲特征波发生变形，从而可以判断被测断路器分合闸线圈是否发生非金属性短路故障，并根据该波形的断路器分合闸线圈短路故障信息获取故障线圈位置。

在步骤三中判断算法的步骤具体为：

步骤一，故障判断及定位单元6将获取的重复脉冲特征波转换为特征波函数，若断路器分合闸线圈不存在非金属性故障时，将会转化得到如下述的波函数表达式：

；

步骤二，若断路器分合闸线圈存在非金属性故障时，相应时间段内波函数与异常波进行叠加，会导致波函数在对应时间段内发生变形，通过确定波函数变形的时间段，故障判断及定位单元6根据重复脉冲特征波的传播速度即可计算故障线圈位置。

该实施例的工作原理：

使用时，通过导线将连接端11接入断路器分合闸线圈两端，并且电源线接入电源接口10，开启总开关9，然后按压控制按键2相应的键位可以开启激励源1；控制按键2还可以用于调整脉冲波形的相位、幅值、频率和产生间隔等参数；按压控制按键2上不同的键位，控制电路3收到控制按键2的信息，一方面用于给脉冲发生单元4中的控制寄存器写入控制字，实现对脉冲波形参数的调节和脉冲发生单元4的开断；另一方面用于控制激励源1的导通，实现220V激励源1的开闭；数据采集单元5采样率为100Ms/s；经过故障判断及定位单元6进行数据处理后，故障判断及定位单元6将信号发送给显示器12，显示器12显示脉冲波形的相位、幅值、频率、产生间隔和断路器分合闸线圈短路故障位置信息参数；变压器7为激励源1、控制电路3、脉冲发生单元4、数据采集单元5、故障判断及定位单元6和显示器12提供电源保障；控制电路3为采用本领域中常用的电路，单片机能够处理控制按键2反馈过来的信息，并且控制激励源1和脉冲发生单元4的工作状态；以及控制电路3能够反馈相应的数据信息给故障判断及定位单元6；通过按动控制按键2上激励源1开关的键位，控制电路3中的单片机接收到相应的请求信息后，输出高电平信号从电阻R2进入到NPN三极管Q的基极，三极管Q的基极和发射极导通，同时使得集电极和发射极导通，继电器K控制端被接通后，继电器K的电磁开关端被导通后，220V市电接入到断路器分合闸线圈的两端；将壳体8划分区域安装激励源1、控制电路3、脉冲发生单元4、数据采集单元5和故障判断及定位单元6，能够避免相互间的电流信号的干扰。

Claims (9)

1.一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：包括激励源（1）、控制按键（2）、控制电路（3）、脉冲发生单元（4）、数据采集单元（5）、故障判断及定位单元（6）和壳体（8）；

所述的激励源（1）、控制电路（3）、脉冲发生单元（4）、数据采集单元（5）、故障判断及定位单元（6）分别安装在壳体（8）内；所述的控制按键（2）安装在壳体（8）上；所述的壳体（8）上还安装有变压器（7）、总开关（9）、电源接口（10）、显示器（12）和一对连接端（11）；所述的电源接口（10）通过总开关（9）与变压器（7）相连接；

所述的激励源（1）、控制按键（2）、脉冲发生电路分别与控制电路（3）电相连；所述的数据采集单元（5）与故障判断及定位单元（6）电相连；所述的连接端（11）与激励源（1）的输出端、脉冲发生单元（4）的输出端、数据采集单元（5）的输入端相连；所述的控制电路（3）与故障判断及定位单元（6）电相连；所述的显示器（12）与所述的故障判断及定位单元（6）电相连；所述的激励源（1）、控制电路（3）、脉冲发生单元（4）、数据采集单元（5）、故障判断及定位单元（6）、显示器（12）分别与变压器（7）电相连。

2.根据权利要求1所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：所述的控制电路（3）包括电路板、以及集成在电路板上的单片机和存储器。

3.根据权利要求2所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：所述的激励源（1）主要由电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q、继电器K组成；所述的电阻R1的一端与直流电源相连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、单片机的I/O接口相连接，电阻R2的另一端与NPN型三极管Q的基极相连，NPN型三极管Q的发射极与地相连；NPN型三极管Q的集电极与继电器K控制端的一端相连，继电器K控制端的另一端与直流电源相连，继电器K的电磁开关端的一端与220V市电的火线端相连，继电器K的电磁开关端的另一端与断路器分合闸线圈的一端相连，断路器分合闸线圈的另一端与220V市电的零线端相连。

4.根据权利要求1所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：所述的脉冲发生单元（4）为脉冲发生器。

5.根据权利要求1所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：所述的数据采集单元（5）为脉冲采集模块。

6.根据权利要求1所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：所述的故障判断及定位单元（6）主要由ZyPi可重构电脑组成，ZyPi可重构电脑集成有ZYNQ7020芯片。

7.根据权利要求1所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励装置，其特征在于：所述的壳体（8）内安装有隔板（13），隔板（13）将壳体（8）内部分隔出四个独立空间；所述的激励源（1）、控制电路（3）、脉冲发生单元（4）和数据采集单元（5）分别安装在壳体（8）内的不同空间中；所述的故障判断及定位单元（6）和控制电路（3）安装在同一空间中。

8.一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，脉冲发生单元（4）输出两路完全相同的重复脉冲特征波至断路器分合闸线圈两端，同时激励源（1）给断路器分合闸线圈两端施加激励电压；

步骤二，数据采集单元（5）采集断路器分合闸线圈两侧重复脉冲特征波的反射波和折射波，并将重复脉冲特征波波形通过通信总线发送给故障判断及定位单元（6）；

步骤三，故障判断及定位单元（6）根据内置的判断算法对测试获取的重复脉冲特征波进行故障诊断，若断路器分合闸线圈存在非金属性故障时，在激励源（1）施加的激励电压作用下，故障点将产生放电通道使阻抗产生较大的变化，导致重复脉冲特征波发生变形，从而可以判断被测断路器分合闸线圈是否发生非金属性短路故障，并根据该波形的断路器分合闸线圈短路故障信息获取故障线圈位置。

9.根据权利要求8所述的一种断路器线圈匝间非金属性短路故障激励方法，其特征在于，在步骤三中判断算法的步骤具体为：

步骤一，故障判断及定位单元（6）将获取的重复脉冲特征波转换为特征波函数，若断路器分合闸线圈不存在非金属性故障时，将会转化得到如下述的波函数表达式：

；

步骤二，若断路器分合闸线圈存在非金属性故障时，相应时间段内波函数与异常波进行叠加，会导致波函数在对应时间段内发生变形，通过确定波函数变形的时间段，故障判断及定位单元（6）根据重复脉冲特征波的传播速度即可计算故障线圈位置。