CN110530566B - 一种断路器分、合闸弹簧压力监测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种断路器弹簧压力监测系统和检测方法，监测系统包括压力传感器、处理单元和监测单元，所述压力传感器安装在断路器分、合闸弹簧机构的托盘和分、合闸弹簧之间；压力传感器的输出端与处理单元的输入端相连，用于接收压力传感器所检测的断路器分、合闸弹簧压力值；所述处理单元的输入端还与待测断路器的辅助触点相连，用于监测断路器的开入信号；所述处理单元与监测系统通信连接，所述监控系统向处理单元下发检测指令以及断路器相关参数信息，并接收由所述处理单元上传的断路器分、合闸状态及对应的分、合闸弹簧压力值。本发明能够有效监测弹簧实时运行状况，应用范围广，具有很好的市场前景和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种断路器弹簧压力监测方法及系统，属于电力系统一次设备智能化技术领域。
背景技术
智能一次设备是智能电网的重要标志，提高一次设备智能化水平智能电网发展的关键技术之一，对促进电网的安全、稳定、高效运行起着至关重要的作用。其中，断路器是电网一次设备的重要组成部分，必须大力提高其智能化水平，以满足智能电网的迫切需要。
弹簧操作机构因操作功小、维护量少而广泛应用于220千伏及以下电压等级断路器，占比极大。但是，弹簧操作机构长时间承压运行后弹簧将持续产生疲劳，目前变电站现场不具备开展弹簧性能检测的条件，仅能通过定期停电测试断路器机械特性曲线来间接反映，无法有效监测弹簧实时运行状况，弹簧弹性疲劳导致的断路器分合闸失败事故难以早期防范。
在授权公众号为CN103542825A利用增量型编码器完成断路器行程的测量，为断路器行程、速度和动作时间等参量计算提供数据支持。目前，断路器的机械性能评估多采用此类方法，通过断路器机械特性曲线的测量来推断断路器分、合闸速度。但此方法中断路器的刚分、刚合点不能直接的测量，在断路器在长期动作及振动过程中，以及加上触头的损耗，导致测量性能会越来越不精确，对断路器机械性能评估也会带来一定困难。
发明内容
本发明的目的是提供断路器弹簧压力监测方法和系统，以解决目前断路器弹簧在长期运行过程中产生的疲劳无法进行监测的问题。从而达到对断路器机械性能进行仅能通过定期停电测试或通过在线断路器机械特性曲线来间接反映，无法有效监测弹簧实时运行状况的目的。
为解决上述技术问题本发明具体采用以下技术方案。
一种断路器分、合闸弹簧压力监测系统，所述压力监测系统包括压力传感器、处理单元和监测单元；其特征在于：
所述压力传感器安装在断路器分、合闸弹簧机构的托盘和分、合闸弹簧之间；
压力传感器的输出端与处理单元的输入端相连，用于接收压力传感器所检测的断路器分、合闸弹簧压力值；
所述处理单元的输入端还与待测断路器的辅助触点相连，用于监测断路器的开入信号；
所述处理单元与监测系统通信连接，所述监控系统向处理单元下发检测指令以及断路器相关参数信息，并接收由所述处理单元上传的断路器分、合闸状态及对应的分、合闸弹簧压力值。
本发明进一步包括以下优选方案：
所述处理单元根据检测到的断路器开入信号及断路器分、合闸弹簧压力值判断断路器的动作状态，并触发录波器对断路器的分、合闸动作过程进行录波。
所述处理单元接收录波信息，写入寄存器中，并能够上传至监测系统。
所述处理单元根据断路器的状态判断断路器分、合闸弹簧压力值是否低于预设的分闸弹簧第一压力阈值/合闸弹簧第一压力阈值；如果低于，则发出告警信号。
所述处理单元采用FPGA+CPU双处理器结构，FPGA用于接收所测的分、合闸弹簧压力值以及待测断路器的开入信号；CPU与FPGA相连用于通信的管理，接收监控系统的控制命令和断路器参数信息并写入FPGA，FPGA将检测到的分、合闸弹簧压力值通过CPU上传至监控系统。
所述处理单元还包括光隔离元件，所述待测断路器的开入信号通过光隔离元件后输入至FPGA的输入端。
所述处理单元还包括AD转换单元，所述分、合闸弹簧压力值通过AD转换单元连接至FPGA的输入端。
所述处理单元还包括寄存器，处理单元在触发录波之后，由FPGA接收录波信息，并转存寄存器中。
本发明还进一步公开了一种基于前述压力监测系统的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于，所述监测方法的步骤如下：
步骤1：根据开入信号，判断断路器所处的状态，如果在储能状态则采集合闸弹簧的压力值，如果在合闸状态则采集分闸弹簧的压力值；
步骤2：如果储能状态下合闸弹簧的压力值小于合闸弹簧第一压力阈值，或者合闸状态下分闸弹簧压力值小于分闸弹簧第一压力阈值，则发出告警信号，否则进入步骤3；
步骤3：根据断路器分、合闸弹簧的压力值及变化趋势确定断路器的操作预期，当判断断路器合闸操作时则进入步骤4，当判断断路器分闸操作时，则进入步骤5，否则返回步骤1；
步骤4：触发录波装置对断路器的合闸动作过程进行自动录波；
步骤5：触发录波装置对断路器的分闸动作过程进行自动录波。
所述监测方法进一步包括以下优选方案：
在步骤1中，根据采集的待测断路器的辅助触点开入信号，判断断路器的运行状态。
在步骤2中，所述合闸弹簧和分闸弹簧第一压力阈值取值为正常压力值的90-96％。
在步骤2中，所述合闸弹簧和分闸弹簧第一压力阈值取值为正常压力值的95％。
在步骤2中所述的告警信号，为解决断路器在正常动作过程中弹簧压力降低造成装置误报警，在步骤1中采集断路器的辅助触点开入信号，判断断路器的运行状态并加入延时避免。
在步骤3中，断路器分合闸操作的判断过程包括以下内容：
3.1判断断路器储能状态下合闸弹簧压力值/断路器合闸状态下弹簧压力值是否在设定时间内降低至合闸弹簧第二压力阈值/分闸弹簧第二压力阈值，如果是，则进入3.2；否则返回步骤1；
3.2连续测量N个断路器储能状态下合闸弹簧压力值/断路器合闸状态下分闸弹簧压力值，根据N个合闸弹簧压力值或分闸弹簧压力值，判断是否压力值是否处于连续下降趋势，如果是，进入3.3，否则返回步骤1；
3.3如果N个合闸弹簧压力值连续下降，则判断断路器开始合闸操作过程；
如果N个分闸弹簧压力值连续下降，则判断断路器开始分闸操作过程。
所述合闸弹簧和分闸弹簧第二压力阈值的取值范围为正常压力值的97-98％，优选为97％。
采样值个数N取值范围为15-25，优选N＝20。
在步骤4和步骤5中，录波装置在录波触发前保留一定的采样值，以保证装置录波过程中的完整性。
本发明的有益效果是：本发明通过检测断路器动作前辅助触点的位置，根据监测结果判断断路器所处的状态；利用弹簧压力传感器监测断路器在分、合闸位置的压力值；通过压力值变化和断路器状态给出断路器在动作过程中的弹簧压力录波。为判断断路器机械性能提供直接的数据支撑。
附图说明
图1是本发明中涉及压力传感器的安装示意图；
图2是本发明断路器分、合闸弹簧压力监测系统结构示意图；
图3是本发明断路器分、合闸弹簧压力监测方法流程示意图。
图中：1弹簧机构外壳、2断路器分或合位弹簧、3压力传感器、4弹簧机构托盘、5固定螺母、6传感器外接线、7导杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，断路器分或合位弹簧2安装在断路器的弹簧机构外壳1中，断路器分或合位弹簧2的底部设置有弹簧机构托盘4，断路器分或合位弹簧2和弹簧机构托盘4之间设置有压力传感器3，压力传感器3的传感器外接线6穿过弹簧机构托盘4，弹簧机构托盘4通过固定螺母5安装在导杆7上，导杆7轴向穿过弹簧机构外壳1的中心。
首先说明本发明的一种断路器弹簧压力监测系统的实施例。
如附图2所示，本发明公开的断路器分、合闸弹簧压力监测系统，包括压力传感器、处理单元和监测单元。所述压力传感器安装在断路器分、合闸弹簧机构的托盘和分、合闸弹簧之间(参见附图1)；压力传感器的输出端与处理单元的输入端相连，用于接收压力传感器所检测的断路器分、合闸弹簧压力值；所述处理单元的输入端还与待测断路器的辅助触点相连，用于监测断路器的开入信号；所述处理单元与监测系统通信连接，所述监控系统向处理单元下发检测指令以及断路器相关参数信息，并接收由所述处理单元上传的断路器分、合闸状态及对应的分、合闸弹簧压力值。
弹簧压力传感器3安装于断路器机构托盘4和弹簧2之间，用于监测断路器分闸弹簧和合闸弹簧储能后的压力值。具体位置如图1所示，弹簧在储能或压力释放过程中的压力值能够通过压力传感器3直接反馈，压力传感器将采集到的压力值通过导线送至处理单元，如图2所示。
处理单元通过开入模块接入断路器辅助触点位置，如图2所示，并且采集断路器动作前辅助触点的位置信息，判断断路器是否处于储能状态，断路器位置是分位、还是合位，如果断路器是储能状态，说明合闸弹簧已经被压缩，合闸弹簧处于储能状态，记录当前合闸弹簧的压力值，并将数据上送监控单元。如果断路器当前状态是合位，说明断路器合闸弹簧动作，并对分闸弹簧进行了储能，记录当前分闸弹簧的压力值，并将数据上送监控单元。如图2所示，在本申请的优选实施例中，其中处理单元采用FPGA和CPU处理器，监测单元为监测后台，弹簧压力传感器输出端通过AD转换器与FPGA输入端相连，FPGA输入端还通过光耦器件与待测断路器的辅助触点连接，用于监测辅助触点的信号状态，FPGA与CPU处理器连接，断路器压力传感器3安装于断路器弹簧机构的底部托盘处，具体可参考图1。压力传感器3获取压力信号，并转换为模拟量小信号，通过AD转换器高速采集转化为数字信号，接入FPGA的输入管脚，实现信号的采集，FPGA中采集断路器位置状态，并定义了用于存放断路器分、合位置及储能状态以及压力录波阈值等信息的相关寄存器，为保证数据计算的准确性，FPGA在处理压力信息及断路器辅助触点位置信号时，均需要做延时消抖处理。
压力传感器采集断路器中的分、合闸弹簧压力值，处理单元接入断路器辅助触点位置信息和压力传感器上送的压力值，通过FPGA综合判断后将弹簧压力值及告警信息通过CPU上送至监测单元。FPGA还用于将断路器在动作过程中产生的弹簧压力变化进行录波，此波形可通过监测单元查看。该系统中各模块具体功能如下：监测单元用于断路器压力录波阈值和消抖等方面的设置，并具备将接收到的压力值和录波进行展示的功能。CPU用于通信的管理，可将监控后台设置信息写入FPGA。FPGA接收到CPU处理器的指令后，根据检测辅助触点的状态，判断断路器当前分、合闸位置和储能状态，根据状态判断当前压力采集通道的压力值并计算告警信息，通过CPU上送给监测单元；同时，FPGA根据断路器位置状态和压力趋势进行分、合闸弹簧压力录波判断，确定后触发录波，并将滤波信息写入相应寄存器，完成录波。监测单元可根据需要通过CPU进行调用查看录波信息。
如附图3所示为本发明公开的断路器分、合闸弹簧压力监测方法流程示意图，包括以下步骤：
步骤1：根据开入信号，判断断路器所处的状态，如果在储能状态则采集合闸弹簧的压力值，如果在合闸状态则采集分闸弹簧的压力值；
根据采集的待测断路器的辅助触点开入信号，判断断路器的运行状态。
步骤2：如果储能状态下合闸弹簧的压力值小于合闸弹簧第一压力阈值，或者合闸状态下分闸弹簧压力值小于分闸弹簧第一压力阈值，则发出告警信号，否则进入步骤3；
所述合闸弹簧和分闸弹簧第一压力阈值的取值为正常压力值的95％。
步骤3：根据断路器分、合闸弹簧的压力值及变化趋势确定断路器的操作预期，当判断断路器合闸操作时则进入步骤4，当判断断路器分闸操作时，则进入步骤5，否则返回步骤1；
断路器分合闸操作的判断过程包括以下内容：
3.1判断断路器储能状态下合闸弹簧压力值/断路器合闸状态下弹簧压力值是否在设定时间内降低至合闸弹簧第二压力阈值/分闸弹簧第二压力阈值，如果是，则进入3.2；否则返回步骤1；所述合闸弹簧和分闸弹簧第二压力阈值的取值为正常压力值的97％
3.2连续测量N个断路器储能状态下合闸弹簧压力值/断路器合闸状态下分闸弹簧压力值，根据N个合闸弹簧压力值或分闸弹簧压力值，判断是否压力值是否处于连续下降趋势，如果是，进入3.3，否则返回步骤1；
采样值个数N取值范围为20。
3.3如果N个合闸弹簧压力值连续下降，则判断断路器开始合闸操作过程；
如果N个分闸弹簧压力值连续下降，则判断断路器开始分闸操作过程。
步骤4：触发录波装置对断路器的合闸动作过程进行自动录波；
步骤5：触发录波装置对断路器的分闸动作过程进行自动录波。
在步骤4、5中，录波装置在录波触发前保留一定的采样值，以保证装置录波过程中的完整性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于压力监测系统的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于，所述压力监测系统包括压力传感器、处理单元和监测单元，压力传感器安装在断路器分、合闸弹簧机构的托盘和分、合闸弹簧之间，处理单元的输入端分别与待测断路器的辅助触点以及压力传感器的输出端相连，处理单元采用FPGA+CPU双处理器结构，FPGA用于接收压力传感器所测的分、合闸弹簧压力值以及待测断路器的辅助触点开入信号；CPU与FPGA相连用于通信的管理，接收监测单元的控制命令和断路器参数信息并写入FPGA，FPGA将检测到的分、合闸弹簧压力值通过CPU上传至监测单元；所述监测方法的步骤如下：
步骤1：根据待测断路器的辅助触点开入信号，判断断路器所处的状态，如果在储能状态则采集合闸弹簧的压力值，如果在合闸状态则采集分闸弹簧的压力值；
步骤2：如果储能状态下合闸弹簧的压力值小于合闸弹簧第一压力阈值，或者合闸状态下分闸弹簧的压力值小于分闸弹簧第一压力阈值，则发出告警信号，否则进入步骤3；
步骤3：根据断路器分闸弹簧的压力值或合闸弹簧的压力值及变化趋势确定断路器的操作预期，当判断断路器合闸操作时则进入步骤4，当判断断路器分闸操作时，则进入步骤5，否则返回步骤1；
3.1判断断路器储能状态下合闸弹簧的压力值/断路器合闸状态下分闸弹簧的压力值是否在设定时间内降低至合闸弹簧第二压力阈值/分闸弹簧第二压力阈值，如果是，则进入3.2；否则返回步骤1；
3.2连续测量N个断路器储能状态下合闸弹簧的压力值/断路器合闸状态下分闸弹簧的压力值，根据N个合闸弹簧的压力值或分闸弹簧的压力值，判断压力值是否处于连续下降趋势，如果是，进入3.3，否则返回步骤1；
3.3如果N个合闸弹簧压力值连续下降，则判断断路器开始合闸操作过程；
如果N个分闸弹簧压力值连续下降，则判断断路器开始分闸操作过程；
步骤4：触发录波装置对断路器的合闸动作过程进行自动录波；
步骤5：触发录波装置对断路器的分闸动作过程进行自动录波。
2.根据权利要求1所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
在步骤1中，根据采集的待测断路器的辅助触点开入信号，判断断路器的运行状态。
3.根据权利要求1所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
在步骤2中，所述合闸弹簧第一压力阈值和分闸弹簧第一压力阈值取值为正常压力值的90-96％。
4.根据权利要求3所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
在步骤2中，所述合闸弹簧第一压力阈值和分闸弹簧第一压力阈值取值为正常压力值的95％。
5.根据权利要求1所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
在步骤2中所述的告警信号，为解决断路器在正常动作过程中分闸弹簧或合闸弹簧压力降低造成装置误报警，在步骤1中采集断路器的辅助触点开入信号，判断断路器的运行状态并加入延时避免。
6.根据权利要求1所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
所述合闸弹簧第二压力阈值和分闸弹簧第二压力阈值的取值范围为正常压力值的97-98％；
采样值个数N取值范围为15-25。
7.根据权利要求6所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
所述合闸弹簧第二压力阈值和分闸弹簧第二压力阈值的取值为正常压力值的97％；
所述采样值个数N取值为20。
8.根据权利要求1所述的断路器分、合闸弹簧压力监测方法，其特征在于：
在步骤4和步骤5中，录波装置在录波触发前保留一定的采样值，以保证录波装置录波过程中的完整性。
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