CN111198323A - 一种高压断路器机械特性在线监测系统 - Google Patents

一种高压断路器机械特性在线监测系统 Download PDF

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翁格平
阮浩洁
钱程
王辉
陈岗
樊雷
陈骏
林一驰
张晓波
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Abstract

本发明公开了一种高压断路器机械特性在线监测系统，属于断路器检测技术领域，包括处理器、角度传感器、调理电路、数据采集模块、电流传感器及工控机。角度传感器测得的主轴旋转角度信号经调理电路的调理后被数据采集模块采集并发送给处理器，处理器根据电流传感器监测断路器操作线圈得电时刻获取断路器分(合)闸操作的起始时刻、根据辅助接点构成的电平回路获取断路器分(合)闸操作的终止时刻，处理器将主轴旋转角度信号、断路器分(合)闸操作的起始时刻、终止时刻进行拟合即可得到主轴的行程‑时间曲线。工控机根据各断路器上主轴的行程‑时间曲线得到动触头的行程‑时间曲线，便于监控人员了解各断路器的实时机械特性及判断断路器的故障。

Description

一种高压断路器机械特性在线监测系统
技术领域
本发明涉及断路器检测技术领域，尤其涉及一种高压断路器机械特性在线监测系统。
背景技术
断路器具有控制和保护的作用，能在有载、空载及各种短路工况下完成规定的合分任务或循环操作。高压断路器指额定电压在3kV以上的断路器，可以根据电网运行的需要控制指定的线路或电力设备退出或投入运行，也可以在电力系统发生故障时及时切除故障点以保障电网无故部分安全运行。高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，是电力系统中最重要和性能最全面的一种开关电器。
断路器包括导电部分、绝缘部分、操动机构及灭弧装置，导电部分是断路器上导通电流的部分，允许通过长时间的正常负荷电流及一定时间的异常电流。绝缘部分是断路器上保证电气绝缘的部分，包括对地绝缘、相间绝缘及断口绝缘。操动机构用于带动动触头执行分(合)闸动作，一般由储能单元、控制单元和力传递单元构成。灭弧装置用于使电弧尽快熄灭，避免电弧烧损动触头及其他元件。
高压断路器的机械特性包括时间特性、速度特性及行程特性，这些特性均可通过断路器动触头的行程-时间曲线求得。无论何种操动机构的断路器，在其接受分闸或合闸命令后完成其指定动作都需要一定的时间，时间过长或过短都会影响断路器的性能而最终引发断路器故障。断路器分闸与合闸的时间与其速度密切相关，直接影响断路器的开断和关合性能。如果分闸时间过长，则分闸速度低，灭弧性能受到影响，电动力增大会导致开关分断失败。如果分(合)闸时间过短，则分(合)闸速度快，会对断路器造成较大冲击，影响其寿命。因此，断路器分(合)闸速度是一个非常重要的参数，通过断路器的行程-时间曲线得到时间参数、速度参数及行程参数对断路器的机械故障诊断及其健康评估有重要意义。
高压断路器的机械特性是断路器工作状态的重要表征，高压开关柜内断路器机械特性在线监测的基本要求是既不影响开关柜内断路器原有的机械特性和绝缘性能，又要真实的反映其动触头行程-时间变化关系。此外，监测系统的传感器还要便于安装，即监测系统的适应性要强，不能改动断路器的原有结构。
早期，高压开关柜综合在线监测与故障诊断系统侧重于对断路器动触头的温升和环境的温湿度进行控制，而断路器作为高压开关柜中最主要的高压开关设备，在柜体中肩负着控制和保护设备的双重作用，其重要性也不言而喻。因此，加强高压开关柜中断路器机械特性在线监测对保证高压开关柜的安全运作具有重要意义。但是，现有的监测系统不能很好的满足监测要求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明提供了一种高压断路器机械特性在线监测系统，通过该在线监测系统可以得到断路器主轴的行程-时间曲线，便于根据动触头的行程-时间曲线判断断路器的故障类型。
为了实现上述技术目的，本发明提供的一种高压断路器机械特性在线监测系统，包括
处理器，对收集到的信号进行处理得到断路器主轴的行程-时间曲线；
角度传感器，电连接于处理器的输入端口且用于监测断路器上主轴的旋转角度；
调理电路，串联于角度传感器与处理器之间且用于将角度传感器监测到的旋转角度信号调理到处理器的A/D输入范围内；
数据采集模块，串联于调理电路与处理器之间且用于收集调理后的旋转角度信号；
电流传感器，串联于断路器的分(合)闸控制回路中监测断路器分(合)闸的起始时刻且电连接于处理器的XINT1管脚，断路器上的辅助接点电连接于处理器的XINT2管脚且用于监测断路器分(合)闸的终止时刻；
工控机，多个处理器与工控机之间经通讯系统进行双向通讯。
优选的，所述角度传感器包括磁位单元与传感单元，磁位单元固定于断路器的主轴上，传感单元固定于断路器内部且与磁位单元对应设置。
优选的，所述调理电路包括串联的信号滤波单元与缩放单元。
优选的，所述数据采集模块与处理器之间串联有滤波模块。
优选的，所述电流传感器与处理器之间串联有取样整形模块。
优选的，所述辅助接点构成的信号回路中接有附加直流电压。
优选的，所述辅助接点与处理器之间串联有开关量消抖电路。
优选的，所述工控机与多个处理器之间通过RS-485通讯电路实现双向通讯。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的高压断路器机械特性在线监测系统，角度传感器测得的主轴旋转角度信号经调理电路的调理后被数据采集模块采集并发送给处理器，处理器根据电流传感器监测断路器操作线圈得电时刻获取断路器执行分(合)闸动作的起始时刻，处理器根据辅助接点构成的电平回路获取断路器执行分(合)闸动作的终止时刻，因此，处理器可以根据起始时刻和终止时刻获得断路器执行分(合)闸动作的具体时间。处理器将主轴旋转角度信号、断路器执行分(合)闸动作的时间进行拟合即可得到主轴的行程-时间曲线，由于断路器的动触头与主轴之间存在一定的对应关系，工控机可以根据各断路器上主轴的行程-时间曲线得到各断路器动触头的行程-时间曲线，从而便于监控人员了解各断路器的实时机械特性及判断断路器的电气故障，更好的满足断路器机械特性的在线监测要求。
2、角度传感器优选采用磁场感应的非接触式角度传感器，断路器的主轴由于远离高压部分而处于低电位，不存在电位隔离问题，且主轴附近存在一定的安装空间，便于安装角度传感器，合理设置磁位单元与传感单元的具体安装位置，使其满足监测要求。
3、调理电路的信号滤波单元可以滤除频率较高的信号和毛刺信号，防止信号干扰，有利于提高信号的采样精度。调理电路的缩放单元可以增大信号电路的输入阻抗，也可以将采集的信号缩放到处理器允许的A/D输入范围内，保证处理器能顺利进行数据处理。
4、由于采集的信号波形存在许多毛刺，如果不对其进行处理而直接进行行程曲线拟合、分(合)闸速度计算等，将会产生很大误差。利用滤波模块对采集的信号进行二次过滤，有利于提高结论的准确性。
5、电流传感器与处理器之间串联的取样整形模块可以为处理器外部中断提供沿比较陡的沿触发信号，从而保证断路器在执行分(合)闸动作时可以有效触发处理器的XINT1管脚进行准确计时。
6、在辅助接点构成的信号回路中接入附加直流电压可构成两路信号回路，两路信号回路可以满足不断与处理器的XINT 2管脚进行切换连接的功能要求，从而满足监测要求。
7、利用断路器的辅助接点为处理器的XINT 2管脚提供中断触发信号时会引发XINT 2管脚多次进入终端服务程序，说明辅助接点在监测时容易产生抖动使输出的信号波形出现振荡，利用开关量消抖电路可以有效消除抖动干扰，从而对输出的信号波形进行有效的整形。
8、各处理器与工控机之间通过RS-485通讯电路实现数据的双向通讯，方便集中处理、分析及共享数据。具体的，RS-485通讯电路采用差分传输方式进行通讯，保证RS-485总线具有屏蔽电气噪声的功能，不仅传输速度块，而且传输距离远。另外，RS-485通讯电路的总线允许连接多个收发器，具有多站能力，便于利用单一的RS-485通讯电路建立起多个监测网络。
附图说明
图1为本发明实施例一高压断路器机械特性在线监测系统的原理示意图；
图2为本发明实施例一高压断路器机械特性在线监测系统中调理电路的示意图；
图3为本发明实施例一高压断路器机械特性在线监测系统中电流传感器的连接示意图；
图4为本发明实施例一高压断路器机械特性在线监测系统中辅助接点构成的信号回路中接入附加直流电压的示意图；
图5为本发明实施例一高压断路器机械特性在线监测系统中开关量消抖电路的示意图；
图6为本发明实施例一高压断路器机械特性在线监测系统中RS-485通讯电路的示意图。
图中，100-处理器，110-存储模块，210-角度传感器，211-磁位单元，212-传感单元，220-调理电路，221-信号滤波单元，222-缩放单元，230-数据采集模块，240-滤波模块，310-电流传感器，320-取样整形模块，410-辅助接点，420-开关量消抖电路，500-工控机，600-通讯系统，700-显示模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供的一种高压断路器机械特性在线监测系统，包括，
处理器100，对收集到的信号进行处理得到断路器主轴的行程-时间曲线；
角度传感器210，电连接于处理器100的输入端口且用于监测断路器上主轴的旋转角度；
调理电路220，串联于角度传感器210与处理器100之间且用于将角度传感器监测到的旋转角度信号调理到处理器的A/D输入范围内；
数据采集模块230，串联于调理电路220与处理器100之间且用于收集调理后的旋转角度信号；
电流传感器310，串联于断路器的分(合)闸控制回路中监测断路器执行分(合)闸动作的起始时刻且电连接于处理器100的XINT1管脚，断路器上的辅助接点410电连接于处理器100的XINT2管脚且用于监测断路器执行分(合)闸的终止时刻；
工控机500，多个处理器100与工控机500之间经通讯系统600进行双向通讯。
本实施例中，角度传感器210优选采用磁场感应的非接触式角度传感器。断路器的主轴由于远离高压部分而处于低电位，不存在电位隔离问题，且主轴附近存在一定的安装空间，便于安装角度传感器。角度传感器210包括磁位单元211与传感单元212，磁位单元211固定于断路器的主轴上，传感单元212通过螺钉固定于断路器内部且与磁位单元211对应设置，传感单元212与磁位单元211之间无需物理性连接，不会对主轴的转动造成干涉。角度传感器210的分辨率为12位，最小可分辨0.025°，独立线性为±0.3％。
角度传感器210采用+24V供电时，其输出0～10V的直流电压信号，由于选用的处理器100内部的A/D转换电路只能接受0～3V的直流信号，需要通过调理电路220将0～10V的直流信号转换到0～3V的直流信号。结合图2，调理电路220包括串联的信号滤波单元221及缩放单元222。信号滤波单元221优选采用RC型低通滤波方式，可以滤除频率较高的信号和毛刺信号，防止信号干扰，有利于提高信号的采样精度。缩放单元222优选采用同比例运算放大电路，可以增大信号电路的输入阻抗，也可以将采集的信号缩放到处理器100允许的A/D输入范围内。该调理电路220采用嵌位锗二极管将输入A/D口的电压限制在0～3V，以保护处理器100的输入端口。
数据采集模块230在断路器执行分(合)闸动作时完成主轴旋转角度信号的采集工作，数据采集模块230一直处于工作状态，平常采集到的数据不保存，只有当断路器的操作线圈得电时才保存采集到的数据。本实施例的在线监测系统还包括用于保存采集到的信号数据的存储模块110，存储模块110信号连接于处理器100。保存数据处理工作设计在主程序中，主程序处于不断循环执行状态，通常状态下主程序运行并不执行对信号数据的处理工作，只有当开关动作结束后才开始执行。
为了进一步消除角度传感器210监测到的主轴旋转角度信号的毛刺，提高采样精度，数据采集模块230与处理器100之间还串联有滤波模块240。本实施例中，滤波模块240优选采用FIR(Finite Impulse Response)数字滤波器，设输入序列为x(n)，输出序列为y(n)，则FIR数字滤波器可用线性时不变系统表示为
Figure BDA0002360525580000081
对公式(1)的两边进行Z变换可得到公式(2)表示的FIR数字滤波器的脉冲传递函数，
Figure BDA0002360525580000082
若a(i)＝0，则有
Figure BDA0002360525580000083
h(n)＝b0δ(n)+b1δ(n-1)+……+bMδ(n-M)，
得到系统表示为
y(n)＝x(n)h(n) (4)。
本实施例中，FIR数字滤波器采用FIR的窗函数法，窗函数法是用时域的窗函数w(n)乘以无限长的单位冲击响应h(d)(n),对无限长的单位冲击响应序列进行截断，构成FIR数字滤波器的h(n)，即
h(n)＝hd(n)w(n) (5)，
由于窗函数法是由窗函数w(n)截取无限长序列h(d)(n)得到有限长序列h(n)，并用h(n)近似h(d)(n)，因此，窗函数的形状和长度对系统性能指标的影响很大，常用的窗函数有矩形窗函数、三角窗函数、海宁窗函数、海明窗函数等，本实施例采用了海明窗函数。
电流传感器310串联在断路器的分(合)闸控制回路中，断路器操作线圈得电时，即断路器刚执行分(合)闸动作时，电流传感器310通电并输出信号，利用电流传感器310获取断路器执行分(合)闸动作的起始时刻。由于断路器执行分(合)闸动作的周期一般都在毫秒级，为了准确测得断路器执行分(合)闸动作的起始时刻，电流传感器310优选采用原边和副边之间可承受2.5V交流电压、线性度≤0.2％、响应时间小于1μs的霍尔电流传感器。
电流传感器310与处理器100的XINT1管脚之间串联有取样整形模块320，结合图3，串联在断路器控制回路中的电流传感器310的信号输出至取样整形模块320，经取样整形模块320处理后，可以为处理器100的外部中断提供沿比较陡的沿触发信号，从而保证断路器在执行分(合)闸动作时可以有效触发处理器100的XINT1管脚进行准确计时。
断路器执行分(合)闸动作的终止时刻通过断路器辅助接点410构成的信号回路连接至处理器100的XINT2管脚实现，为了实现准确获得断路器执行分(合)闸动作终止时刻的目的，辅助接点410构成的信号回路中接有附加直流电压。结合图4，附加直流电压采用3.3V直流电压，通过附加直流电压构成两路信号回路，两路信号回路可以满足不断与处理器100的XINT2管脚进行切换连接的功能要求，从而满足监测要求。电路设计中，通过继电器的常开、常闭触头来实现电路的切换。处理器100的管脚输出的电平是3.3V，继电器操动电压是5V，因此，需要对处理器的管脚的输出信号进行电平转换。另外，为了满足继电器线圈驱动的电流要求，电路设计中，使用正极-负极-正极的NPN三极管为继电器线圈提供驱动电流。
利用断路器的辅助接点410为处理器100的XINT2管脚提供中断触发信号时会引发XINT2管脚多次进入终端服务程序，说明辅助接点在监测时容易产生抖动使输出的信号波形出现振荡。为了消除抖动干扰，辅助接点410与处理器100之间串联有开关量消抖电路470。开关量消抖电路470如图5所示，R1和C构成放电回路。当开关SQ合上时，C经R1放电使A点的电位逐渐降低。开关SQ刚合上时触点会有抖动，由于C上的电压不能突变，从而使A点的电位不会随触点的抖动而急剧变化，消除了抖动干扰。图5所示的开关量消抖电路470中，反相器74HC74的作用是对RC的延迟电路输出的波形进行整形。应用时，应适当选择R1、R2、C的参数以满足不同时间的延时消抖。开关SQ从断开到闭合时，获得一个上升沿触发信号。相反，开关SQ从闭合到断开时，获得一个下降沿触发信号。
结合图6，工控机500与多个处理器100之间通过RS-485通讯电路实现双向通讯，方便集中处理、分析及共享数据。具体的，RS-485通讯电路采用差分传输方式进行通讯，保证RS-485总线具有屏蔽电气噪声的功能，不仅传输速度块，而且传输距离远。另外，RS-485通讯电路的总线允许连接多个收发器，具有多站能力，便于利用单一的RS-485通讯电路建立起多个监测网络。
角度传感器210测得的主轴旋转角度信号经调理电路220的调理后被数据采集模块230采集并发送给处理器100，电流传感器310监测断路器操作线圈得电时刻获取断路器执行分(合)闸动作的起始时刻，辅助接点410构成的电平回路获取断路器执行分(合)闸动作的终止时刻，处理器可以根据起始时刻和终止时刻获得断路器执行分(合)闸动作的具体时间。处理器100将主轴旋转角度信号与断路器执行分(合)闸动作的时间进行拟合即可得到主轴的行程-时间曲线，由于断路器的动触头与主轴之间存在一定的对应关系，工控机500可以根据各断路器上主轴的行程-时间曲线得到各断路器动触头的行程-时间曲线，从而便于监控人员了解各断路器的实时机械特性及判断断路器的电气故障，更好的满足断路器机械特性的在线监测要求。
为了便于监控终端查看各断路器动触头的行程-时间曲线，本实施例的在线监测系统还设有显示模块700，显示模块700信号连接于工控机500。本实施例中，显示模块700优选采用液晶显示器。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。

Claims (8)

1.一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，包括
处理器，对收集到的信号进行处理得到断路器主轴的行程-时间曲线；
角度传感器，电连接于处理器的输入端口且用于监测断路器上主轴的旋转角度；
调理电路，串联于角度传感器与处理器之间且用于将角度传感器监测到的旋转角度信号调理到处理器的A/D输入范围内；
数据采集模块，串联于调理电路与处理器之间且用于收集调理后的旋转角度信号；
电流传感器，串联于断路器的分(合)闸控制回路中监测断路器执行分(合)闸动作的起始时刻且电连接于处理器的XINT1管脚，断路器上的辅助接点电连接于处理器的XINT2管脚且用于监测断路器执行分(合)闸动作的终止时刻；
工控机，多个处理器与工控机之间经通讯系统进行双向通讯。
2.根据权利要求1所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述角度传感器包括磁位单元与传感单元，磁位单元固定于断路器的主轴上，传感单元固定于断路器内部且与磁位单元对应设置。
3.根据权利要求1所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述调理电路包括串联的信号滤波单元与缩放单元。
4.根据权利要求1所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述数据采集模块与处理器之间串联有滤波模块。
5.根据权利要求1所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述电流传感器与处理器之间串联有取样整形模块。
6.根据权利要求1所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述辅助接点构成的信号回路中接有附加直流电压。
7.根据权利要求6所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述辅助接点与处理器之间串联有开关量消抖电路。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种高压断路器机械特性在线监测系统，其特征在于，所述工控机与多个处理器之间通过RS-485通讯电路实现双向通讯。
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