CN110133492A - 一种高压断路器电机操动机构在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压断路器电机操动机构在线监测装置及方法，涉及电气自动化控制技术领域。该装置包括DSP控制器、上位机、检测储能电容电压的储能电压检测电路，检测驱动电机三相绕组电流的霍尔电流传感器，检测动触头运动加速度和机械振动信息的加速度传感器，检测动触头温度的温度传感器，检测动触头关合信息的动触头关合检测电路，检测驱动电机转子位置的转子位置检测单元，显示动触头关合信息的示波器，实现DSP控制器与上位机信息互通的通信单元，分别为储能电压检测电路、霍尔电流传感器、DSP控制器、加速度传感器、温度传感器、光电编码器供电的低压直流电源。本发明能够大大提高高压断路器电机操动机构的可靠性，降低电力系统故障风险。

Description

一种高压断路器电机操动机构在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及电气自动化控制技术领域，尤其涉及一种高压断路器电机操动机构在线监测装置及方法。

背景技术

高压断路器是电力系统中重要的开关设备。当高压电路发生故障通过继电器保护装置将故障电流从高压断路器中快速切断，从而确保高压断路器无故障部分正常运行。因此高压断路器电机操动机构的可靠性对电力系统的安全运行具有重要的意义。高压断路器电机需要监测的状态量有很多类型，包括高压断路器电机操动机构储能装置的电压检测、高压断路器电机操动机构驱动电机三相绕组电流检测、高压断路器电机操动机构驱动电机转速检测、高压断路器电机操动机构动触头速度、行程检测、高压断路器电机操动机构动触头温度检测、高压断路器电机操动机构机械振动检测、高压断路器电机操动机构关合信号检测。早期的监测手段基本上是离线监测，离线监测主要存在两个弊端，一是发现故障征兆不及时，二是过度拆装影响断路器使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高压断路器电机操动机构在线监测装置及方法，实现对高压断路器电机操动机构的在线监测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，包括储能电压检测电路、霍尔电流传感器、加速度传感器、温度传感器、动触头关合检测电路、转子位置检测单元、DSP控制器、上位机、通信单元、电流调理电路、加速度调理电路、低压直流电源；

所述储能电压检测电路输入端连接到高压断路器电机操动机构储能电容的正极和负极两端，输出端连接到DSP控制器；所述霍尔电流传感器穿过高压断路器电机操动机构的驱动电机三相绕组线圈，输出端连接到电流调理电路输入端，电流调理电路的输出端连接到DSP控制器；所述转子位置检测单元安装在高压断路器电机操动机构驱动电机主轴侧，输出端连接到DSP控制器；所述温度传感器安装在高压断路器动触头上，输出端连接到DSP控制器；所述加速传感器安装在高压断路器电机操动机构的绝缘拉杆上，输出端连接到加速度调理电路输入端，加速度调理电路输出端连接到DSP控制器；所述动触头关合检测电路连接在高压断路器的动触头与静触头两侧；所述上位机通过通信单元与DSP控制器连接；

所述储能电压检测电路检测储能电容电压，所述霍尔电流传感器检测驱动电机三相绕组电流，所述加速度传感器检测动触头运动加速度机械振动信息，所述温度传感器检测动触头温度，所述动触头关合检测电路检测动触头关合信息，所述转子位置检测单元检测驱动电机转子位置，所述示波器显示动触头关合信息，所述通信单元实现DSP控制器与上位机信息互通，所述低压直流电源分别为储能电压检测电路、霍尔电流传感器、DSP控制器、加速度传感器、温度传感器及动触头关合检测电路供电。

优选地，所述储能电压检测电路包括依次连接的第一电压传感器，第一运算放大器OP07，第一运算放大器LM358，两个运算放大器串联。

优选地，所述动触头关合检测电路包括检测电阻和示波器，检测电阻连接在高压断路器的动触头与静触头两侧，示波器并联在检测电阻R1两端。

优选地，所述DSP控制器采用型号为TMS320F28335的DSP芯片；所述转子位置检测单元采用光电编码器；所述通信单元包括上位机第一RS232串口，第一MAX3232芯片，第一控制器接口。

优选地，所述电流调理电路采用两个串联的运算放大器对霍尔电流传感器采集的驱动电机三相绕组电流转换到DSP芯片的识别范围内。

优选地，所述加速度调理电路包括依次连接的第一ISOO124隔离芯片、第一TL1082运算放大器和第二TL1082运算放大器。

另一方面，本发明还提供一种高压断路器电机操动机构在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1：市电电网经过整流器给高压断路器电机操动机构的储能电容充电，储能电压检测电路实时检测储能电容两端电压若到达目标电压，DSP控制器等待上位机分合闸控制指令；市电电网经低压直流电源对霍尔电流传感器、储能电压检测电路、光电编码器、温度传感器、电流调理电路、加速度传感器、加速度调理电路和DSP控制器进行供电；

步骤2：上位机给DSP控制器发送合闸指令，DSP控制器控制高压断路器电机操动机构开始工作，高压断路器电机操动机构的动触头按照预先设定好的理想行程特性曲线进行合闸动作；

步骤3：储能电压检测电路实时检测高压断路器电机操动机构储能电容两端的电压，并传输给DSP控制器的ADC单元，电流传感器实时检测高压断路器电机操动机构驱动电机三相绕组线圈电流，并通过电流调理电路传输给DSP控制器的ADC单元，加速度传感器实时检测高压断路器电机操动机构的振动信号和高压断路器动触头的加速度信号，并通过加速度调理电路传输给DSP控制器的ADC单元，温度传感器实时检测高压断路器电机操动机构动触头温度，并传输给DSP控制器的ADC单元；动触头关合检测电路实时检测高压断路器电机操动机构动触头和静触头的关合和弹跳信息；

步骤4：若数字示波器检测到检测电阻两端电压则证明动触头和静触头合闸结束，同时若检测电阻电压波形不稳定，则表明动触头和静触头发生多次触头弹跳；

步骤5：DSP控制器处理接收到的高压断路器电机操动机构的储能电压信号、驱动电机绕组电流信号、动触头加速度信号、动触头温度信号、和机械结构振动信号；并将动触头的加速度信号进行时间积分得到动触头速度信息，将速度信息进行时间积分得到动触头行程信息；

步骤6：DSP控制器将处理后的高压断路器电机操动机构的储能电压信息、驱动电机三相绕组电流信息、动触头加速度信息、动触头速度信息、动触头行程信息、机械结构振动信息与现有的高压断路器电机操动机构控制参数数据库中预先设定好的电容电压信息、驱动电机绕组电流信息、电机操动机构动触头信息、电机操动机构机械振动固有信息进行比对判断，如果实际机械振动信号与机械固有振动频率不同，则证明机械结构发生故障；如果动触头实际运动行程、速度曲线与给定动触头行程、速度曲线相符则证明控制参数合理，否则控制参数不合理；

步骤7：DSP控制器将储能电容电压信息、驱动电机三相绕组电流、断路器动触头温度、速度、行程，绝缘拉杆振动信息通过通信串口传输给上位机，工作人员根据上位机显示的信息对高压断路器电机操动机构进行检修或者将调整好的PI控制参数反馈给DSP控制器，DSP控制器控制高压断路器电机操动机构做出相应的调整。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置及方法，(1)加速度传感器、温度传感器安装方便、不需要特定的安装支架，能够直接对高压断路器电机操动机构的机械结构和动触头的加速度、速度、行程和温度进行监测，检测精度高，测量误差小；(2)多种灵敏、精度高的传感器相互配合能够在高压断路器复杂环境下很好的完成在线监测与故障诊断的任务，并为后台远程控制无人运行、大数据故障诊断提供了良好的平台；(3)加速度传感器、光电编码器、霍尔电流传感器共同配合构成高压断路器电机操动机构加速度、位置、电流三反馈控制系统。能够更好的控制断路器动触头按照预先设定好的理想行程曲线运动，能够有效减少触头碰撞，避免线圈烧毁，延长电机操动机构使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置的连接示意图；

图3为本发明实施例提供的储能电压检测电路的电路图；

图4为本发明实施例提供的DSP控制器电流调理电路的连接示意图；

图5为本发明实施例提供的通信单元的电路图；

图6为本发明实施例提供的电流调理电路的电路图；

图7为本发明实施例提供的加速度调理电路的电路图；

图8为本发明实施例提供的霍尔电流传感器的示意图；

图9为本发明实施例提供的低压直流电源的电路图；

图10为本发明实施例提供的一种高压断路器电机操动机构在线监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，如图1所示，包括储能电压检测电路、霍尔电流传感器、加速度传感器、温度传感器、动触头关合检测电路、转子位置检测单元、DSP控制器、上位机、通信单元、电流调理电路、加速度调理电路、低压直流电源；

一种高压断路器电机操动机构在线监测装置的连接结构如图2所示，所述储能电压检测电路输入端连接到高压断路器电机操动机构储能电容的正极和负极两端，输出端连接到DSP控制器；所述霍尔电流传感器穿过高压断路器电机操动机构的驱动电机三相绕组线圈，输出端连接到电流调理电路输入端，电流调理电路的输出端连接到DSP控制器；所述转子位置检测单元安装在高压断路器电机操动机构驱动电机主轴侧，输出端连接到DSP控制器；所述温度传感器安装在高压断路器动触头上，输出端连接到DSP控制器；所述加速传感器安装在高压断路器电机操动机构的绝缘拉杆上，输出端连接到加速度调理电路输入端，加速度调理电路输出端连接到DSP控制器；所述动触头关合检测电路连接在高压断路器的动触头与静触头两侧；所述上位机通过通信单元与DSP控制器连接；所述动触头关合检测电路包括检测电阻和示波器，检测电阻连接在高压断路器的动触头与静触头两侧，示波器并联在检测电阻R1两端。

所述储能电压检测电路检测储能电容电压，所述霍尔电流传感器检测驱动电机三相绕组电流，所述加速度传感器检测动触头运动加速度机械振动信息，所述温度传感器检测动触头温度，所述动触头关合检测电路检测动触头关合信息，所述转子位置检测单元检测驱动电机转子位置，所述示波器显示动触头关合信息，所述通信单元实现DSP控制器与上位机信息互通，所述低压直流电源分别为储能电压检测电路、霍尔电流传感器、DSP控制器、加速度传感器、温度传感器及动触头关合检测电路供电。

所述储能电压检测电路如图3所示，包括依次连接的第一电压传感器，第一运算放大器OP07，第一运算放大器LM358，两个运算放大器串联。本实施例中，储能电压检测电路1引脚连接储能电容的正极，2引脚连接到储能电容的负极，3引脚分别连接DSP处理器的ADCINA0引脚，12、16引脚连接低压直流电源的+15V引脚，11、15引脚连接低压直流电源的-15V引脚。

所述转子位置检测单元采用光电编码器；

所述DSP控制器采用如图4所示型号为TMS320F28335的DSP芯片；DSP处理器的ADCINB0～ADCINB2引脚连接电流调理电路的1引脚，ADCINB3引脚连接到温度传感器输出端，ADCINA0引脚连接储能电压检测电路的3引脚，ADCINA1引脚连接到加速度调理电路，PWM1～PWM6引脚分别连接到逆变器IPM6个IGBT开关管，VCC引脚连接低压直流电源的+5V引脚，CAP2-4引脚连接到光编码器，SCITXDA口和SCIRXDA口连接通信单元的Tin1和Rout1口。

所述通信单元如图5所示，包括上位机第一RS232串口，第一MAX3232芯片，第一控制器接口，通过串口通信可以实现上位机与DSP控制器之间的通信，进行人机交互。

所述电流调理电路如图6所示采用两个串联的运算放大器对霍尔电流传感器采集的驱动电机三相绕组电流转换到DSP芯片的识别范围内。本实施例中，两个运算放大器型号均为0P284，0引脚连接霍尔电流传感器的3引脚，1引脚分别连接DSP处理器的ADCINB0、ADCINB1、ADCINB2引脚，8引脚连接低压直流电源的+15V引脚，4引脚连接低压直流电源的-15V引脚。

所述加速度调理电路如图7所示包括依次连接的第一ISOO124隔离芯片、第一TL1082运算放大器和第二TL1082运算放大器，并采用+5V供电，其输出是0.825-4.178V；采用ISOO124隔离芯片进行高精度隔离，将外围的大电流信号隔离，防止烧毁芯片。采用TL082运算放大器不仅能够增大电路的输入阻抗，而且最主要将信号放大到A/D转换器件的允许输入电压范围内。加速度信号经过低通滤波后输入至ISO124进行隔离，R24、R25、R26、R27、U8A构成差分电路，将0.825-4.175V电压信号转化为0-3V，满足AD芯片的输入范围，信号也不至于失真。本实施例中采用的加速度传感器型号为LC0102T。

本实施例中，霍尔电流传感器选取的型号为CHF-400B，如图8所示，1引脚连接低压直流电源的+12V引脚，2引脚连接低压直流电源的-12V引脚，4引脚连接低压直流电源的GND，3引脚连接到电流调理电路的0引脚。

所述低压直流电源如图9所示，其输入端接入220V电网，+12V引脚连接到动触头关合检测电路、霍尔电流传感器的1引脚、电流调理电路的2、4引脚、加速度传感器的1引脚，-12V引脚连接到霍尔电流传感器的2引脚、电流调理电路的3、5引脚、加速度传感器的2引脚。低压直流电源的+15V引脚连接到储能电压检测电路的12、16引脚，-15V引脚连接到储能电压检测电路的11、15引脚；+5V引脚连接到加速度调理电路、DSP处理器的VCC引脚和光电编码器。

一种高压断路器电机操动机构在线监测方法，如图10所示，包括以下步骤：

步骤1：市电电网经过整流器给高压断路器电机操动机构的储能电容充电，储能电压检测电路实时检测储能电容两端电压若到达目标电压，DSP控制器等待上位机分合闸控制指令；市电电网经低压直流电源对霍尔电流传感器、储能电压检测电路、光电编码器、温度传感器、电流调理电路、加速度传感器、加速度调理电路和DSP控制器进行供电；

步骤2：上位机给DSP控制器发送合闸指令，DSP控制器控制高压断路器电机操动机构开始工作，高压断路器电机操动机构的动触头按照预先设定好的理想行程特性曲线进行合闸动作；

步骤3：储能电压检测电路实时检测高压断路器电机操动机构储能电容两端的电压，并传输给DSP控制器的ADC单元，电流传感器实时检测高压断路器电机操动机构驱动电机三相绕组线圈电流，并通过电流调理电路传输给DSP控制器的ADC单元，加速度传感器实时检测高压断路器电机操动机构的振动信号和高压断路器动触头的加速度信号，并通过加速度调理电路传输给DSP控制器的ADC单元，温度传感器实时检测高压断路器电机操动机构动触头温度，并传输给DSP控制器的ADC单元；动触头关合检测电路实时检测高压断路器电机操动机构动触头和静触头的关合和弹跳信息；

步骤4：若数字示波器检测到检测电阻两端电压则证明动触头和静触头合闸结束，同时若检测电阻电压波形不稳定，则表明动触头和静触头发生多次触头弹跳；

步骤5：DSP控制器处理接收到的高压断路器电机操动机构的储能电压信号、驱动电机绕组电流信号、动触头加速度信号、动触头温度信号、和机械结构振动信号；并将动触头的加速度信号进行时间积分得到动触头速度信息，将速度信息进行时间积分得到动触头行程信息；

步骤6：DSP控制器将处理后的高压断路器电机操动机构的储能电压信息、驱动电机三相绕组电流信息、动触头加速度信息、动触头速度信息、动触头行程信息、机械结构振动信息与现有的高压断路器电机操动机构控制参数数据库中预先设定好的电容电压信息、驱动电机绕组电流信息、电机操动机构动触头信息、电机操动机构机械振动固有信息进行比对判断，如果实际机械振动信号与机械固有振动频率不同，则证明机械结构发生故障；如果动触头实际运动行程、速度曲线与给定动触头行程、速度曲线相符则证明控制参数合理，否则控制参数不合理；

步骤7：DSP控制器将储能电容电压信息、驱动电机三相绕组电流、断路器动触头温度、速度、行程，绝缘拉杆振动信息通过通信串口传输给上位机，工作人员根据上位机显示的信息对高压断路器电机操动机构进行检修或者将调整好的PI控制参数反馈给DSP控制器，DSP控制器控制高压断路器电机操动机构做出相应的调整。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，其特征在于：包括储能电压检测电路、霍尔电流传感器、加速度传感器、温度传感器、动触头关合检测电路、转子位置检测单元、DSP控制器、上位机、通信单元、电流调理电路、加速度调理电路、低压直流电源；

所述储能电压检测电路输入端连接到高压断路器电机操动机构储能电容的正极和负极两端，输出端连接到DSP控制器；所述霍尔电流传感器穿过高压断路器电机操动机构的驱动电机三相绕组线圈，输出端连接到电流调理电路输入端，电流调理电路的输出端连接到DSP控制器；所述转子位置检测单元安装在高压断路器电机操动机构驱动电机主轴侧，输出端连接到DSP控制器；所述温度传感器安装在高压断路器动触头上，输出端连接到DSP控制器；所述加速传感器安装在高压断路器电机操动机构的绝缘拉杆上，输出端连接到加速度调理电路输入端，加速度调理电路输出端连接到DSP控制器；所述动触头关合检测电路连接在高压断路器的动触头与静触头两侧；所述上位机通过通信单元与DSP控制器连接；

所述储能电压检测电路检测储能电容电压，所述霍尔电流传感器检测驱动电机三相绕组电流，所述加速度传感器检测动触头运动加速度机械振动信息，所述温度传感器检测动触头温度，所述动触头关合检测电路检测动触头关合信息，所述转子位置检测单元检测驱动电机转子位置，所述示波器显示动触头关合信息，所述通信单元实现DSP控制器与上位机信息互通，所述低压直流电源分别为储能电压检测电路、霍尔电流传感器、DSP控制器、加速度传感器、温度传感器及动触头关合检测电路供电。

2.根据权利要求1所述的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，其特征在于：所述储能电压检测电路包括依次连接的第一电压传感器，第一运算放大器OP07，第一运算放大器LM358，两个运算放大器串联。

3.根据权利要求2所述的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，其特征在于：所述动触头关合检测电路包括检测电阻和示波器，检测电阻连接在高压断路器的动触头与静触头两侧，示波器并联在检测电阻R1两端。

4.根据权利要求3所述的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，其特征在于：所述DSP控制器采用型号为TMS320F28335的DSP芯片；所述转子位置检测单元采用光电编码器；所述通信单元包括上位机第一RS232串口，第一MAX3232芯片，第一控制器接口。

5.根据权利要求4所述的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，其特征在于：所述电流调理电路采用两个串联的运算放大器对霍尔电流传感器采集的驱动电机三相绕组电流转换到DSP芯片的识别范围内。

6.根据权利要求5所述的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置，其特征在于：所述加速度调理电路包括依次连接的第一ISOO124隔离芯片、第一TL1082运算放大器和第二TL1082运算放大器。

7.采用权利6所述的一种高压断路器电机操动机构在线监测装置方法进行高压断路器电机操动机构在线监测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：市电电网经过整流器给高压断路器电机操动机构的储能电容充电，储能电压检测电路实时检测储能电容两端电压若到达目标电压，DSP控制器等待上位机分合闸控制指令；市电电网经低压直流电源对霍尔电流传感器、储能电压检测电路、光电编码器、温度传感器、电流调理电路、加速度传感器、加速度调理电路和DSP控制器进行供电；

步骤2：上位机给DSP控制器发送合闸指令，DSP控制器控制高压断路器电机操动机构开始工作，高压断路器电机操动机构的动触头按照预先设定好的理想行程特性曲线进行合闸动作；

步骤3：储能电压检测电路实时检测高压断路器电机操动机构储能电容两端的电压，并传输给DSP控制器的ADC单元，电流传感器实时检测高压断路器电机操动机构驱动电机三相绕组线圈电流，并通过电流调理电路传输给DSP控制器的ADC单元，加速度传感器实时检测高压断路器电机操动机构的振动信号和高压断路器动触头的加速度信号，并通过加速度调理电路传输给DSP控制器的ADC单元，温度传感器实时检测高压断路器电机操动机构动触头温度，并传输给DSP控制器的ADC单元；动触头关合检测电路实时检测高压断路器电机操动机构动触头和静触头的关合和弹跳信息；

步骤4：若数字示波器检测到检测电阻两端电压则证明动触头和静触头合闸结束，同时若检测电阻电压波形不稳定，则表明动触头和静触头发生多次触头弹跳；

步骤5：DSP控制器处理接收到的高压断路器电机操动机构的储能电压信号、驱动电机绕组电流信号、动触头加速度信号、动触头温度信号、和机械结构振动信号；并将动触头的加速度信号进行时间积分得到动触头速度信息，将速度信息进行时间积分得到动触头行程信息；

步骤6：DSP控制器将处理后的高压断路器电机操动机构的储能电压信息、驱动电机三相绕组电流信息、动触头加速度信息、动触头速度信息、动触头行程信息、机械结构振动信息与现有的高压断路器电机操动机构控制参数数据库中预先设定好的电容电压信息、驱动电机绕组电流信息、电机操动机构动触头信息、电机操动机构机械振动固有信息进行比对判断，如果实际机械振动信号与机械固有振动频率不同，则证明机械结构发生故障；如果动触头实际运动行程、速度曲线与给定动触头行程、速度曲线相符则证明控制参数合理，否则控制参数不合理；

步骤7：DSP控制器将储能电容电压信息、驱动电机三相绕组电流、断路器动触头温度、速度、行程，绝缘拉杆振动信息通过通信串口传输给上位机，工作人员根据上位机显示的信息对高压断路器电机操动机构进行检修或者将调整好的PI控制参数反馈给DSP控制器，DSP控制器控制高压断路器电机操动机构做出相应的调整。