CN110687444A - 一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置及方法，该装置包括CCD传感器模块及采集控制模块，该置无需与10kV真空断路器一次断口﹑二次信号端子﹑分合闸控制线圈及动触头或动触头联动机构进行任何接触与控制，只需将装置测量镜头对准10kV真空断路器对准动触头或动触头联动机构，通过CCD传感器及采集与控制模块非接触实时监控与记录10kV真空断路器联动机构行程变化过程形成行程时间曲线，再通过曲线分析即可计算出10％行程时刻点及90％行程时刻点间的分合闸平均速度。
Description
技术领域
本发明涉及真空断路器状态性能测量与检测技术领域，更具体地，涉及一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置及方法。
背景技术
10kV真空断路器是配电网系统安全稳定运行中起保护和控制作用的重要一次设备，其行程﹑平均合闸速度及平均分闸速度是机械特性中的重要参数，严重影响着断路器的额定短路开断及额定断路关合等性能，是检修时必须开展的测试项目。
传统的10kV真空断路器行程和平均速度主要接触式测量方法，如直线光栅法、直线型滑线电阻法、旋转型滑线电阻法、旋转型编码器法、加速度传感器法等，测试过程中传感器需要与10kV真空断路器联动机构进行接触式连接固定，导致固定结构复杂，现场操作繁琐，对测试人员技术熟练程度要求比较高，如果传感器固定偏移直线运行方式，由于10kV真空断路器分合闸速度较快，会导致测量失败甚至损坏传感器，并且传感器输出模拟信号易受现场电磁干扰，导致测量误差较大，一致性不好。
目前新的测试方法是在10kV真空断路器动触头或动触头联动机构测量点设置标志物，通过高速摄像对标志物位置进行动态拍摄，计算出标志物的运动轨迹，进而获得10kV真空断路器动触头行程。其缺点是需要依赖试验操作人员在测量点设置标志物，并且高速摄像系统布置复杂﹑成本高﹑不易推广。
发明内容
本发明提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，该装置可以克服传统接触式测量的问题及高速摄像系统布置复杂﹑成本高﹑不易推广的难题。
本发明的又一目的在于提供一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，包括CCD传感器模块及采集控制模块；所述CCD传感器模块与所述采集控制模块通过微处理器总线连接，实现实时数据通信，其中，所述CCD传感器模块用来实现10kV真空断路器联动机构直线位移非接触式实时测量，并以数字量输出联动机构行程信息；所述采集控制模块用来实时接收所述CCD传感器模块输出行程信息，通过控制程序自动实现10kV真空断路器联动机构直线位移判断与录波，并计算显示10kV真空断路器分合闸平均速度。
进一步地，所述CCD传感器模块包括激光管，发射透镜组，接收透镜组，CCD矩阵及图像运算单元，其中所述激光管用来产生激光；所述发射透镜组用来对所述激光管产生的激光进行聚焦，并将聚焦后的激光束垂直照射在被测10kV真空断路器动触头或动触头联动机构表面；所述接收滤镜组用来对被测10kV真空断路器动触头或动触头联动机构表面漫反射的激光进行聚焦，并将聚焦后的光束输入到所述CCD矩阵；所述CCD矩阵用来对所述接收滤镜组输出的光束进行实时成像，并将图像信息输入到所述图像运算单元；所述图像运算单元用来对所述CCD矩阵输出的图像信息进行实时运算与处理，通过成像光束位置的测量，实现10kV真空断路器联动机构直线位移实时测量。
进一步地，所述采集控制模块包括主控单元，触发判断单元，循环存储单元，分析计算单元及人机交互单元，其中：所述主控单元用来运行控制程序，实现触发判断单元，循环存储单元，分析计算单元及人机交互单元的功能控制与配合，实现对接收到的行程信息的实时处理；所述触发判断单元用来实时监测所述主控单元接收的行程数据，当满足触发条件时，记录触发时刻t，并通知主控单元控制循环存储器存储t1秒的采样数据；所述循环存储单元用来实时存储所述主控单元接收的行程数据，可循环存储t1秒的采样数据；所述分析计算单元用来对触发后的t1秒触发数据进行处理。
进一步地，所述分析计算单元用来对触发后的t1秒触发数据进行处理，生产行程位移曲线，计算出10％行程时刻点及90％行程时刻点间的分合闸平均速度。
一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法，包括以下步骤：
S1：CCD传感器模块与采集与控制模块参数初始化；
S2：主控单元设置图像运算单元采样频率，分辨率，循环存储单元存储深度等参数；初始化触发判断单元相关状态变量及分析计算单元输入数据；
S3：主控单元设置触发判断单元状态变量阈值，包括行程变化阀值为S0，连续判断窗口时间为t0，窗口内采样点超过S0的点数n0；触发后采集数据长度t2秒，触发前数据保留长度t3秒；
S4：主控单元启动循环接收存储CCD传感器1输出的行程信息；同时启动触发判断单元，实时判断当前行程数据；
S5：当触发有效时，以记录的当前触发时刻t为起点，累计采集t2秒行程数据后，采集与控制模块2停止行程信息读取；
S6：主控单元对循环存储单元存储的t1秒采集数据进行处理；
S7：分析计算单元求出步骤S6中行程时间曲线的最大值Smax与最小值Smin，获得本次动作行程S＝Smax-Smin；
S8：分析计算单元按照公式Vavg＝0.8*S/((n1-n2)/f)计算动作过程平均速度，并将结果输出到人机接口单元进行就地显示；
S9：主控单元本地存储步骤6的行程时间曲线，触发时刻，步骤7的Smax，Smin，n1，n2及分合闸标志，步骤8的Vavg，然后按照步骤S1重新开始运行。
步骤S4中，实时判断当前行程数据的过程是：
判断活动窗口时间长度为t0，即当前判断窗口点数为当前采样点时刻到t0时刻前一段时间t0内的所有采样点数，并与步骤3中的阀值S0，t0，n0进行比较；当满足t0间隔内累计超过S0的点数超过n0时，认为触发有效，记录当前触发时刻t；否则等到下一个采样点再重新判断。
步骤S7的具体过程是：
如果Smax点全部落在触发时刻后，则本次动作为合闸行程曲线，设置分合闸标志；从行程时间曲线中寻找采样值Smin+0.1*S对应的采样点序号n1，采样值Smax-0.1*S对应的采样点序号n2；如果Smax点全部落在触发时刻前，则本次动作为分闸行程曲线，设置分合闸标志；从行程时间曲线中寻找采样值Smax-0.1*S对应的采样点序号n1，采样值Smin+0.1S对应的采样点序号n2。
步骤S6的具体过程是：
以触发时刻t为基准，以t-t3时刻采样点为起点，先连续取t-t3到t时间段的数据，再连续取t到t+t2时间段的数据进行组合，生成本次触发对应的行程时间曲线，并按照窗口平均法对行程曲线进行平滑处理。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明装置采用激光漫反射及CCD成像处理技术实现非接触式测量10kV真空断路器动触头机构行程，无需在与10kV真空断路器一次断口﹑二次信号端子﹑分合闸控制线圈及动触头或动触头联动机构进行任何接触与控制，对现场操作人员技术依赖程度低；
2、本发明装置在测试过程中不存在传统模拟电压或电流信号采集，直接通过图像处理技术获得数字行程信息，能有效屏蔽现场电磁场干扰，测量准确度高；
3、本发明装置将CCD行程测量及行程曲线记录分析单元安装在一起，集成度高，现场使用时只需用万用磁体对装置进行固定支撑，调整装置镜头对准10kV真空断路器对准动触头或动触头联动机构即可，安装方便；
4、本发明装置无需外接任何触发信号，通过动态录波与判断算法自动实现10kV真空断路器动触头行程录波，可在带电运行状态下，监测10kV真空断路器动触头行程及分合闸平均速度参数。
附图说明
图1为本发明装置组成框图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，包括CCD传感器模块及采集控制模块；CCD传感器模块与采集控制模块通过微处理器总线连接，实现实时数据通信，其中，CCD传感器模块用来实现10kV真空断路器联动机构直线位移非接触式实时测量，并以数字量输出联动机构行程信息；采集控制模块用来实时接收CCD传感器模块输出行程信息，通过控制程序自动实现10kV真空断路器联动机构直线位移判断与录波，并计算显示10kV真空断路器分合闸平均速度。
CCD传感器模块包括激光管，发射透镜组，接收透镜组，CCD矩阵及图像运算单元，其中激光管用来产生激光；发射透镜组用来对激光管产生的激光进行聚焦，并将聚焦后的激光束垂直照射在被测10kV真空断路器动触头或动触头联动机构表面；接收滤镜组用来对被测10kV真空断路器动触头或动触头联动机构表面漫反射的激光进行聚焦，并将聚焦后的光束输入到CCD矩阵；CCD矩阵用来对接收滤镜组输出的光束进行实时成像，并将图像信息输入到图像运算单元；图像运算单元用来对CCD矩阵输出的图像信息进行实时运算与处理，通过成像光束位置的测量，实现10kV真空断路器联动机构直线位移实时测量。
采集控制模块包括主控单元，触发判断单元，循环存储单元，分析计算单元及人机交互单元，其中：主控单元用来运行控制程序，实现触发判断单元，循环存储单元，分析计算单元及人机交互单元的功能控制与配合，实现对接收到的行程信息的实时处理；触发判断单元用来实时监测主控单元接收的行程数据，当满足触发条件时，记录触发时刻t，并通知主控单元控制循环存储器存储t1秒的采样数据；循环存储单元用来实时存储主控单元接收的行程数据，可循环存储t1秒的采样数据；分析计算单元用来对触发后的t1秒触发数据进行处理。
分析计算单元用来对触发后的t1秒触发数据进行处理，生产行程位移曲线，计算出10％行程时刻点及90％行程时刻点间的分合闸平均速度。
本发明装置将CCD行程测量及行程曲线记录分析单元设计在一起，外壳设计与万象磁铁支架连杆配套的螺纹孔，在现场测试时，采用万向磁铁及支架将本发明装置支撑固定在10kV断路器联动机构正下方，通过调整万向磁铁连杆，让本发明装置镜头垂直对准10kV真空断路器动触头或动触头联动机构即可。在10kV真空断路器动作时，本发明装置自动记录10kV真空断路器动触头行程信息，并计算平均分合闸速度，进行本地行程曲线及速度值显示。
本发明装置的行程测量原理为：激光发射管输出测试用激光信号；发射透镜组将激光管的光源进行聚焦，变成平行激光束发射到被测动触头或动触头联动机构表面；由于被测物流表面的粗糙不平，激光束会发生散射，有一部分散射光被接收透镜组接收并聚焦成像，再通过CCD线性矩阵将成像信号变化成电信号。图像运算单元对成像电信号依次进行图像分割，二值化处理，定位移动像点，并对此后逐帧图片的移动像点位置进行比对分析，获得移动像点的行程位置，再通过三角公式换算成动触头的行程位置。采集与控制模块通过处理器总线读取图像运算单元输出的行程位置，通过动态录波及滑动窗口判断方法自动实现10kV真空断路器动触头行程录波与平均分合闸速度计算。
实施例2
一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法，包括以下步骤：
步骤1：CCD传感器模块与采集与控制模块参数初始化；
步骤2：主控单元设置图像运算单元采样频率f＝20kHZ，分辨率为12位；设置可持续存储t1＝3秒的采样数据，按照计算可得存储深度应该设置为60k个采样点，共120k字节，存储模式为循环存储；清零触发判断单元相关状态变量及分析计算单元输入数据；
步骤3：主控单元设置触发判断单元状态变量阈值，包括行程变化阀值为S0＝1mm，连续判断窗口时间为t0＝2mS，窗口内采样点超过S0的点数n0＝20，触发后采集数据长度t2＝2.5秒，触发前数据保留长度t3＝0.5秒；
步骤4：主控单元启动循环接收存储CCD传感器1输出的行程信息；同时启动触发判断单元，实时判断当前行程数据，判断活动窗口时间长度为t0＝2mS，即当前判断窗口为当前采样时刻到t0＝2mS时刻前时间内总共40个点，并与步骤3中的阀值S0，t0，n0进行比较；当满足t0间隔内累计超过S0的点数超过n0时，即2mS内连续监测到位移变化超过1mm的点数累计超过20个，则认为触发有效，记录当前触发时刻t；否则等到下一个采样点再重新判断；
步骤5：当触发有效时，以记录的当前触发时刻t为起点，累计采集t2＝2.5秒秒行程数据后，采集与控制模块2停止行程信息读取；
步骤6：主控单元对循环存储单元存储的t1＝3秒内60k个采样点共120k字节数据进行处理，以触发时刻t为基准，以t-0.5时刻采样点为起点，先连续取t-0.5到t时间段的10k个采样点数据，再连续取t到t+2.5时间段的50k个采样点数据进行组合，生成本次触发对应的行程时间曲线，并按照窗口平均法对行程曲线进行平滑处理；
步骤7：分析计算单元求出步骤6中行程时间曲线的稳定最大值Smax与稳定最小值Smin，获得本次动作行程S＝Smax-Smin；如果Smax点全部落在触发时刻后，则本次动作为合闸行程曲线，设置分合标志FH＝0；从行程时间曲线中寻找采样值Smin+0.1*S对应的采样点序号n1，采样值Smax-0.1*S对应的采样点序号n2；如果Smax点全部落在触发时刻前，则本次动作为分闸行程曲线，设置分合标志FH＝1；从行程时间曲线中寻找采样值Smax-0.1*S对应的采样点序号n1，采样值Smin+0.1S对应的采样点序号n2；
步骤8：分析计算单元按照公式Vavg＝0.8*S/((n2-n1)*0.05)计算分合闸动作过程平均速度，并将结果输出到人机接口单元进行就地显示；
步骤9：主控单元本地存储步骤6的行程时间曲线，触发时刻，步骤7的Smax，Smin，n1，n2及分合闸标志，步骤8的Vavg，然后按照步骤1重新开始运行。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，其特征在于，包括CCD传感器模块及采集控制模块；所述CCD传感器模块与所述采集控制模块通过微处理器总线连接，实现实时数据通信，其中，所述CCD传感器模块用来实现10kV真空断路器联动机构直线位移非接触式实时测量，并以数字量输出联动机构行程信息；所述采集控制模块用来实时接收所述CCD传感器模块输出行程信息，通过控制程序自动实现10kV真空断路器联动机构直线位移判断与录波，并计算显示10kV真空断路器分合闸平均速度。
2.根据权利要求1所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，其特征在于，所述CCD传感器模块包括激光管，发射透镜组，接收透镜组，CCD矩阵及图像运算单元，其中所述激光管用来产生激光；所述发射透镜组用来对所述激光管产生的激光进行聚焦，并将聚焦后的激光束垂直照射在被测10kV真空断路器动触头或动触头联动机构表面；所述接收滤镜组用来对被测10kV真空断路器动触头或动触头联动机构表面漫反射的激光进行聚焦，并将聚焦后的光束输入到所述CCD矩阵；所述CCD矩阵用来对所述接收滤镜组输出的光束进行实时成像，并将图像信息输入到所述图像运算单元；所述图像运算单元用来对所述CCD矩阵输出的图像信息进行实时运算与处理，通过成像光束位置的测量，实现10kV真空断路器联动机构直线位移实时测量。
3.根据权利要求1所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，其特征在于，所述采集控制模块包括主控单元，触发判断单元，循环存储单元，分析计算单元及人机交互单元，其中：所述主控单元用来运行控制程序，实现触发判断单元，循环存储单元，分析计算单元及人机交互单元的功能控制与配合，实现对接收到的行程信息的实时处理；所述触发判断单元用来实时监测所述主控单元接收的行程数据。
4.根据权利要求3所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，其特征在于，所述触发判断单元用来实时监测所述主控单元接收的行程数据的过程是：当满足触发条件时，记录触发时刻t，并通知主控单元控制循环存储器存储t1秒的采样数据；所述循环存储单元用来实时存储所述主控单元接收的行程数据，可循环存储t1秒的采样数据；所述分析计算单元用来对触发后的t1秒触发数据进行处理。
5.根据权利要求4所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，其特征在于，所述分析计算单元用来对触发后的t1秒触发数据进行处理，生产行程位移曲线，计算出预设范围之间的分合闸平均速度。
6.根据权利要求5所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试装置，其特征在于，所述预设范围之间的分合闸平均速度是：10％行程时刻点及90％行程时刻点之间的分合闸平均速度。
7.一种10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：CCD传感器模块与采集与控制模块参数初始化；
S2：主控单元设置图像运算单元采样频率，分辨率，循环存储单元存储深度等参数；初始化触发判断单元相关状态变量及分析计算单元输入数据；
S3：主控单元设置触发判断单元状态变量阈值，包括行程变化阀值为S0，连续判断窗口时间为t0，窗口内采样点超过S0的点数n0；触发后采集数据长度t2秒，触发前数据保留长度t3秒；
S4：主控单元启动循环接收存储CCD传感器1输出的行程信息；同时启动触发判断单元，实时判断当前行程数据；
S5：当触发有效时，以记录的当前触发时刻t为起点，累计采集t2秒行程数据后，采集与控制模块2停止行程信息读取；
S6：主控单元对循环存储单元存储的t1秒采集数据进行处理；
S7：分析计算单元求出步骤S6中行程时间曲线的最大值Smax与最小值Smin，获得本次动作行程S＝Smax-Smin；
S8：分析计算单元按照公式Vavg＝0.8*S/((n1-n2)/f)计算动作过程平均速度，并将结果输出到人机接口单元进行就地显示；
S9：主控单元本地存储步骤6的行程时间曲线，触发时刻，步骤7的Smax，Smin，n1，n2及分合闸标志，步骤8的Vavg，然后按照步骤S1重新开始运行。
8.根据权利要求7所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法，其特征在于，步骤S4中，实时判断当前行程数据的过程是：
判断活动窗口时间长度为t0，即当前判断窗口点数为当前采样点时刻到t0时刻前一段时间t0内的所有采样点数，并与步骤3中的阀值S0，t0，n0进行比较；当满足t0间隔内累计超过S0的点数超过n0时，认为触发有效，记录当前触发时刻t；否则等到下一个采样点再重新判断。
9.根据权利要求8所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法，其特征在于，步骤S7的具体过程是：
如果Smax点全部落在触发时刻后，则本次动作为合闸行程曲线，设置分合闸标志；从行程时间曲线中寻找采样值Smin+0.1*S对应的采样点序号n1，采样值Smax-0.1*S对应的采样点序号n2；如果Smax点全部落在触发时刻前，则本次动作为分闸行程曲线，设置分合闸标志；从行程时间曲线中寻找采样值Smax-0.1*S对应的采样点序号n1，采样值Smin+0.1S对应的采样点序号n2。
10.根据权利要求9所述的10kV真空断路器分合闸平均速度测试方法，其特征在于，步骤S6的具体过程是：
以触发时刻t为基准，以t-t3时刻采样点为起点，先连续取t-t3到t时间段的数据，再连续取t到t+t2时间段的数据进行组合，生成本次触发对应的行程时间曲线，并按照窗口平均法对行程曲线进行平滑处理。
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