CN112781528A

CN112781528A - 一种铁路隔离开关分合闸监测系统

Info

Publication number: CN112781528A
Application number: CN201911080620.XA
Authority: CN
Inventors: 刘子英; 张靖; 文竞舟; 武刚; 朱琛磊; 谢瑞; 朱永才
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-05-11

Abstract

本发明公开了一种铁路隔离开关分合闸监测系统，由角度采集装置、光源光纤、信号处理控制器、接收光纤组成，由信号处理控制器控制光源光纤将光照射在角度采集装置中，再通过接收光纤接收反射回来的光，传输至信号处理控制器中进行光电转换，将铁路隔离开关的动触头旋转角度信息通过光电转换为可以读取的电压信号，进而得出铁路隔离开关的动触头旋转角度与输出电压值之间的关系，即可检测出铁路隔离开关分合闸角度，通过无线传输将计算出的铁路隔离开关动触头的旋转角度信息发送至铁路有关部门的监控中心，便于相关操作人员确认该处铁路隔离开关的分合闸情况，进而实现对铁路隔离开关进行分合闸监测。

Description

一种铁路隔离开关分合闸监测系统

技术领域

本发明涉及铁路隔离开关领域，尤其涉及一种铁路隔离开关分合闸监测系统。

背景技术

铁路隔离开关是铁路供电系统中不可缺少的电气设备之一,属于高压隔离开关中的一种，起着保障供电安全的作用。高压隔离开关分合闸操作时需要对隔离开关的分合闸状态进行确认，避免分合闸不到位造成运行事故。处于合闸位置时，动触头要有足够的切入深度，以保证接触面积符合要求，但又不允许合过头，要求动触头距静触头底座有3至5MM的空隙，否则合闸过猛时将敲碎静触头的支持瓷瓶。处于拉开位置时，动静触头间要有足够的拉开距离，以便有效地隔离带电部分，动触头与静触头之间拉开角度不应小于65度。因此通过检测高压隔离开关动触头的旋转角度即可判断出动触头与静触头之间的角度，进而判断出隔离开关有没有分合闸到位。

现有技术中，通过图像识别、压力测量、角度测量、姿态检测等方式来判断高压隔离开关分合闸是否到位。其中，图像识别容易受到环境的影响，导致检测不准确；压力测量、角度测量、姿态检测等均采用的是电子式传感器，这些电子式传感器在高压隔离开关所处环境下运行时，容易受到电磁干扰、电压击穿的影响，导致测量不准确。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种铁路隔离开关分合闸监测系统，采用光纤测距的方式来测量铁路隔离开关动触头旋转角度，进而实现对铁路隔离开关进行分合闸监测。

为实现上述目的，本发明提供的一种铁路隔离开关分合闸监测系统是这样实现的：

一种铁路隔离开关分合闸监测系统，包括角度采集装置、光源光纤、信号处理控制器、接收光纤，将角度采集装置安装在铁路隔离开关动触头一侧的支柱绝缘子上部，且与动触头的旋转端连接，信号处理控制器安装在铁路隔离开关的底座上，光源光纤和接收光纤连接在角度采集装置与信号处理控制器之间，由信号处理控制器控制光源光纤将光照射在角度采集装置中，再通过接收光纤接收反射回来的光，传输至信号处理控制器中进行光电转换，将铁路隔离开关的动触头旋转角度信息通过光电转换为可以读取的电压信号，进而得出铁路隔离开关的动触头旋转角度与输出电压值之间的关系，即可检测出铁路隔离开关分合闸角度，进而实现对铁路隔离开关进行分合闸监测。

本发明的角度采集装置包括第一金属铝合、支架、滑槽、齿条、旋转轴、齿轮、反光镜、反射光纤探头，第一金属铝合固定在铁路隔离开关动触头一侧的支柱绝缘子上部，齿条安装在滑槽中，支架安装在滑槽的一端，反光镜安装在齿条的一侧，反射光纤探头固定在支架上，旋转轴穿过齿轮与动触头的旋转端连接，齿轮与齿条之间齿合，反射光纤探头与光源光纤、接收光纤连在一起，当铁路隔离开关的动触头旋转时，带动旋转轴转动，旋转轴带动齿轮转动，由齿轮为齿条传动，带动着齿条在滑槽中运动，进而带动着反光镜移动，由信号处理控制器向光源光纤发射激光，经过反射光纤探头发出激光束照射到反光镜上，反光镜将发射来的激光束反射到反射光纤探头中，再经过接收光纤传输到信号处理控制器中进行光电转换，当铁路隔离开关的动触头转动时，反射光纤探头与反光镜之间的距离发生了变化，使得反光镜反射回来的激光强度发生变化，经光电转换后得到光照强度与输出电压之间的关系，进而计算出齿条滑过的位移，由齿条滑过的位移体现出齿轮转过的角度，该角度即为铁路隔离开关动触头的旋转角度。

本发明的齿轮采用直齿轮，由旋转轴穿过铁路隔离开关动触头的旋转端的两个刀片，并固定在齿轮中间，铁路隔离开关动触头转动时，带动旋转轴转动，进而带动齿轮转动。

本发明的齿条采用直齿条，齿条的下半部分镶嵌在滑槽中，由齿轮对齿条进行传动，使得齿条在滑槽中移动。

本发明的信号处理控制器包括第二金属铝合、控制电路板、GPRS模块、蓄电池、信号调理电路板、光电三极管、准直透镜、激光发射器，控制电路板、GPRS模块、蓄电池、信号调理电路板、光电三极管、准直透镜、激光发射器安装在第二金属铝合中，其中，准直透镜安装在激光发射器与光源光纤之间，光电三极管的感光面与接收光纤紧挨在一起，由控制电路板控制激光发射器发射激光束，经准直透镜准直后入射到光源光纤中，光源光纤将该激光束传输至反射光纤探头后照射到反光镜上，反光镜将发射来的激光束反射到反射光纤探头中，经过接收光纤传输后照射到光电三极管上，光电三极管将接收光纤传来的激光束进行光电转换，转换为电流信号，光电三极管与信号调理电路板连接在一起，光电三极管转换后的电流信号经过信号调理电路板放大、滤波后传输至控制电路板进行处理分析，计算出反射光纤探头与反光镜之间的距离，进而计算出铁路隔离开关动触头的旋转角度，并通过控制电路板控制GPRS模块将计算出的铁路隔离开关动触头的旋转角度信息发送至铁路有关部门的监控中心，便于相关操作人员确认该处铁路隔离开关的分合闸情况，蓄电池的输出的5V，用于为控制电路板、GPRS模块、信号调理电路板、光电三极管、激光发射器供电。

本发明的第二金属铝合一侧开有两个孔，便于光源光纤和接收光纤穿过第二金属铝合分别接收激光发射器发出的激光束和发射反射回来的激光束。

本发明的信号调理电路板上设有信号放大电路和滤波电路，光电三极管将接收光纤传来的激光束转换为电流信号，经信号放大电路进行放大后，由滤波电路对放大后的信号进行滤波处理，去除干扰，其中信号放大电路包括第1-5电阻R1、R2、R3、R4、R5，第一四运算放大器U1，光电三极管的发射极与蓄电池的正极连接，第一电阻R1串联在光电三极管的集电极与第一四运算放大器U1的反向输入端2脚之间，光电三极管的基极作为光接收窗口，集电极上的电流随着光照强度的变化而变化，光电三极管集电极上的电流作用在第一电阻R1上得出第一四运算放大器U1的反向输入端2脚的输入电压为光电三极管集电极上的电流值与第一电阻R1的乘积，是电压信号，所以滤波电路输出端得到的也为滤波后的电压信号，第二电阻R2串联在蓄电池的负极与第一四运算放大器U1的同相输入端3脚之间，第三电阻R3与第五电阻R5串联在第一四运算放大器U1的反向输入端2脚与输出端1脚之间，第四电阻R4串联在第三电阻R3与第五电阻R5连接处与蓄电池的负极之间；滤波电路包括第6-9电阻R6、R7、R8、R9，第一电容C1、第二电容C2、第二四运算放大器U2，第六电阻R6与第八电阻R8串联在第一四运算放大器U1的输出端1脚与第二四运算放大器U2的同相输入端3脚之间，第一电容C1串联在第六电阻R6与第八电阻R8串联的连接处与第二四运算放大器U2的输出端1脚之间，第二电容C2串联在第二四运算放大器U2的同相输入端3脚与蓄电池的负极之间，第七电阻R7串联在第二四运算放大器U2的反向输入端2脚与蓄电池的负极之间，第九电阻R9串联在第二四运算放大器U2的反向输入端2脚与输出端1脚之间，第二四运算放大器U2的输出端1脚将处理后的信号传输至控制电路板中进行处理。

本发明的控制电路板采用STM32核心板，其内核是STM32F103ZET6，信号调理电路板处理后得到的模拟信号传输至STM32核心板的A/D转换模块中进行A/D转换，将模拟信号转换成能被STM32F103ZET6单片机处理的数字信号。

本发明的铁路隔离开关动触头的旋转角度计算方法为：

设齿轮的半径为r，反射光纤探头与反光镜之间的距离为L，那么齿轮旋转角度即为：

式(1)中n为齿轮旋转角度，齿轮与旋转轴属于同轴转动，所以齿轮转动的角度即为旋转轴转动的角度，也是铁路隔离开关动触头的旋转角度；

再令STM32核心板进行A/D转换后的电压值为u，u与L之间的关系记为：

L＝k×u (2)

式(2)中k为u与L之间的相关系数，那么就得出了齿轮旋转角度n与A/D转换后的电压值为u之间的关系：

将式(3)写成STM32F103ZET6能识别的代码即可计算出铁路隔离开关分合闸角度。

由于本发明采用光纤测距的方式来测量铁路隔离开关动触头旋转角度的结构，从而可以得到以下有益效果：

1.本发明采用光纤作为传感器，具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，绝缘、无感应的电气性能，适合于铁路隔离开关这种复杂的运行环境中工作。

2.本发明采用齿轮转动的角度来反应铁路隔离开关动触头旋转角度，并通过齿条移动的距离来反应齿轮转动的角度，再反映到光纤测距中，使得测量的角度信息较为准确。

附图说明

图1为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的结构示意图；

图2为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的角度采集装置处的结构示意图；

图3为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的旋转轴的安装结构示意图；

图4为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的齿条与滑槽之间的安装结构示意图；

图5为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的信号处理控制器的结构示意图；

图6为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的第二金属铝合开孔的结构示意图；

图7为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的工作原理图；

图8为本发明一种铁路隔离开关分合闸监测系统的信号放大电路和滤波电路原理图。

主要元件符号说明。

角度采集装置	1	光源光纤	2
				信号处理控制器	3	接收光纤	4
第一金属铝合	5	支架	6
				滑槽	7	齿条	8
旋转轴	9	齿轮	10
				反光镜	11	反射光纤探头	12
第二金属铝合	13	控制电路板	14
				GPRS模块	15	蓄电池	16
信号调理电路板	17	光电三极管	18
				准直透镜	19	激光发射器	20

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至图8所示为本发明中的一种铁路隔离开关分合闸监测系统，包括角度采集装置1、光源光纤2、信号处理控制器3、接收光纤4。

如图1所示，所述的角度采集装置1安装在铁路隔离开关动触头一侧的支柱绝缘子上部，且与动触头的旋转端连接，信号处理控制器3安装在铁路隔离开关的底座上，光源光纤2和接收光纤4连接在角度采集装置1与信号处理控制器3之间，由信号处理控制器3控制激光发射器20向光源光纤2中发射激光，光源光纤2将激光照射在角度采集装置1中的反光镜11上，再由接收光纤4接收反射回来的光，传输至信号处理控制器3中的光电三极管18进行光电转换，将铁路隔离开关的动触头旋转角度信息通过光电转换为可以读取的电压信号，进而得出铁路隔离开关的动触头旋转角度与输出电压值之间的关系，即可检测出铁路隔离开关分合闸角度，进而实现对铁路隔离开关进行分合闸监测。

如图2所示，所述的角度采集装置1包括第一金属铝合5、支架6、滑槽7、齿条8、旋转轴9、齿轮10、反光镜11、反射光纤探头12，第一金属铝合5固定在铁路隔离开关动触头一侧的支柱绝缘子上部，齿条8安装在滑槽7中，支架6安装在滑槽7的一端，反光镜11安装在齿条8的一侧，反射光纤探头12固定在支架6上，旋转轴9穿过齿轮10与动触头的旋转端连接，齿轮10与齿条8之间齿合，反射光纤探头12与光源光纤2、接收光纤4连在一起，当铁路隔离开关的动触头旋转时，带动旋转轴9转动，旋转轴9带动齿轮10转动，由齿轮10为齿条8传动，带动着齿条8在滑槽7中运动，进而带动着反光镜11移动，由信号处理控制器3向光源光纤2发射激光，经过反射光纤探头12发出激光束照射到反光镜11上，反光镜11将发射来的激光束反射到反射光纤探头12中，再经过接收光纤4传输到信号处理控制器3中进行光电转换，当铁路隔离开关的动触头转动时，反射光纤探头12与反光镜11之间的距离发生了变化，使得反光镜11反射回来的激光强度发生变化，经光电转换后得到光照强度与输出电压之间的关系，进而计算出齿条8滑过的位移，由齿条8滑过的位移体现出齿轮10转过的角度，该角度即为铁路隔离开关动触头的旋转角度。

本发明的光源光纤2和接收光纤4仅起到传输光的作用，在本发明中为非功能型光纤传感器。

如图3所示，所述的齿轮10采用直齿轮10，由旋转轴9穿过铁路隔离开关动触头的旋转端的两个刀片，并固定在齿轮10中间，铁路隔离开关动触头转动时，带动旋转轴9转动，进而带动齿轮10转动，齿条8的移动使得反光镜11跟着移动，改变反射光纤探头12与反光镜11之间的距离，进而改变反光镜11反射回来的激光束光照强度。

如图4所示，所述的齿条8采用直齿条8，齿条8的下半部分镶嵌在滑槽7中，由齿轮10对齿条8进行传动，滑槽7中还注入润滑油，便于使得齿条8在滑槽7中顺利移动。

如图5所示，所述的信号处理控制器3包括第二金属铝合13、控制电路板14、GPRS模块15、蓄电池16、信号调理电路板17、光电三极管18、准直透镜19、激光发射器20，控制电路板14、GPRS模块15、蓄电池16、信号调理电路板17、光电三极管18、准直透镜19、激光发射器20安装在第二金属铝合13中，其中，准直透镜19安装在激光发射器20与光源光纤2之间，光电三极管18的感光面与接收光纤4紧挨在一起，由控制电路板14控制激光发射器20发射激光束，经准直透镜19准直后入射到光源光纤2中，光源光纤2将该激光束传输至反射光纤探头12后照射到反光镜11上，反光镜11将发射来的激光束反射到反射光纤探头12中，经过接收光纤4传输后照射到光电三极管18上，光电三极管18将接收光纤4传来的激光束进行光电转换，转换为电流信号，光电三极管18与信号调理电路板17连接在一起，光电三极管18转换后的电流信号经过信号调理电路板17放大、滤波后传输至控制电路板14进行处理分析，计算出反射光纤探头12与反光镜11之间的距离，进而计算出铁路隔离开关动触头的旋转角度，并通过控制电路板14控制GPRS模块15将计算出的铁路隔离开关动触头的旋转角度信息发送至铁路有关部门的监控中心，便于相关操作人员确认该处铁路隔离开关的分合闸情况，蓄电池16的输出的5V，用于为控制电路板14、GPRS模块15、信号调理电路板17、光电三极管18、激光发射器20供电。

如图6所示，所述的第二金属铝合13一侧开有两个孔，便于光源光纤2和接收光纤4穿过第二金属铝合13分别接收激光发射器20发出的激光束和发射反射回来的激光束。

如图8所示，所述的信号调理电路板17上设有信号放大电路和滤波电路，光电三极管18将接收光纤4传来的激光束转换为电流信号，经信号放大电路进行放大后，由滤波电路对放大后的信号进行滤波处理，去除干扰，其中信号放大电路包括第1-5电阻R1、R2、R3、R4、R5，第一四运算放大器U1，光电三极管18的发射极与蓄电池16的正极连接，第一电阻R1串联在光电三极管18的集电极与第一四运算放大器U1的反向输入端2脚之间，光电三极管18的基极作为光接收窗口，集电极上的电流随着光照强度的变化而变化，光电三极管18集电极上的电流作用在第一电阻R1上得出第一四运算放大器U1的反向输入端2脚的输入电压为光电三极管18集电极上的电流值与第一电阻R1的乘积，是电压信号，所以滤波电路输出端得到的也为滤波后的电压信号，第二电阻R2串联在蓄电池16的负极与第一四运算放大器U1的同相输入端3脚之间，第三电阻R3与第五电阻R5串联在第一四运算放大器U1的反向输入端2脚与输出端1脚之间，第四电阻R4串联在第三电阻R3与第五电阻R5连接处与蓄电池16的负极之间；滤波电路包括第6-9电阻R6、R7、R8、R9，第一电容C1、第二电容C2、第二四运算放大器U2，第六电阻R6与第八电阻R8串联在第一四运算放大器U1的输出端1脚与第二四运算放大器U2的同相输入端3脚之间，第一电容C1串联在第六电阻R6与第八电阻R8串联的连接处与第二四运算放大器U2的输出端1脚之间，第二电容C2串联在第二四运算放大器U2的同相输入端3脚与蓄电池16的负极之间，第七电阻R7串联在第二四运算放大器U2的反向输入端2脚与蓄电池16的负极之间，第九电阻R9串联在第二四运算放大器U2的反向输入端2脚与输出端1脚之间，第二四运算放大器U2的输出端1脚将处理后的信号传输至控制电路板14中进行处理。

所述的控制电路板14采用STM32核心板，其内核是STM32F103ZET6，信号调理电路板17处理后得到的模拟信号传输至STM32核心板的A/D转换模块中进行A/D转换，将模拟信号转换成能被STM32F103ZET6单片机处理的数字信号。

本发明的铁路隔离开关动触头的旋转角度计算方法为：

设齿轮10的半径为r，反射光纤探头12与反光镜11之间的距离为L，那么齿轮10旋转角度即为：

式(1)中n为齿轮10旋转角度，齿轮10与旋转轴9属于同轴转动，所以齿轮10转动的角度即为旋转轴9转动的角度，也是铁路隔离开关动触头的旋转角度；

L＝k×u (2)

式(2)中k为u与L之间的相关系数，那么就得出了齿轮10旋转角度n与A/D转换后的电压值为u之间的关系：

本发明的工作原理与工作过程如下：

如图7所示，由控制电路板14控制激光发射器20发射激光束，经准直透镜19准直后入射到光源光纤2中，光源光纤2将该激光束传输至反射光纤探头12后照射到反光镜11上，反光镜11将发射来的激光束反射到反射光纤探头12中，经过接收光纤4传输后照射到光电三极管18上，光电三极管18将接收光纤4传来的激光束进行光电转换，转换为电流信号，光电三极管18与信号调理电路板17连接在一起，光电三极管18转换后的电流信号经过信号调理电路板17放大、滤波后传输至控制电路板14进行处理分析，计算出反射光纤探头12与反光镜11之间的距离，进而计算出铁路隔离开关动触头的旋转角度，并通过控制电路板14控制GPRS模块15将计算出的铁路隔离开关动触头的旋转角度信息发送至铁路有关部门的监控中心，便于相关操作人员确认该处铁路隔离开关的分合闸情况。

Claims

1.一种铁路隔离开关分合闸监测系统，其特征在于：包括角度采集装置、光源光纤、信号处理控制器、接收光纤，将角度采集装置安装在铁路隔离开关动触头一侧的支柱绝缘子上部，且与动触头的旋转端连接，信号处理控制器安装在铁路隔离开关的底座上，光源光纤和接收光纤连接在角度采集装置与信号处理控制器之间，由信号处理控制器控制光源光纤将光照射在角度采集装置中，再通过接收光纤接收反射回来的光，传输至信号处理控制器中进行光电转换，将铁路隔离开关的动触头旋转角度信息通过光电转换为可以读取的电压信号，进而得出铁路隔离开关的动触头旋转角度与输出电压值之间的关系，即可检测出铁路隔离开关分合闸角度，进而实现对铁路隔离开关进行分合闸监测。

2.根据权利要求1所述的铁路隔离开关分合闸监测系统，其特征在于：所述角度采集装置包括第一金属铝合、支架、滑槽、齿条、旋转轴、齿轮、反光镜、反射光纤探头，第一金属铝合固定在铁路隔离开关动触头一侧的支柱绝缘子上部，齿条安装在滑槽中，支架安装在滑槽的一端，反光镜安装在齿条的一侧，反射光纤探头固定在支架上，旋转轴穿过齿轮与动触头的旋转端连接，齿轮与齿条之间齿合，反射光纤探头与光源光纤、接收光纤连在一起，当铁路隔离开关的动触头旋转时，带动旋转轴转动，旋转轴带动齿轮转动，由齿轮为齿条传动，带动着齿条在滑槽中运动，进而带动着反光镜移动，由信号处理控制器向光源光纤发射激光，经过反射光纤探头发出激光束照射到反光镜上，反光镜将发射来的激光束反射到反射光纤探头中，再经过接收光纤传输到信号处理控制器中进行光电转换，当铁路隔离开关的动触头转动时，反射光纤探头与反光镜之间的距离发生了变化，使得反光镜反射回来的激光强度发生变化，经光电转换后得到光照强度与输出电压之间的关系，进而计算出齿条滑过的位移，由齿条滑过的位移体现出齿轮转过的角度，该角度即为铁路隔离开关动触头的旋转角度。

3.根据权利要求2所述的铁路隔离开关分合闸监测系统，其特征在于：所述齿轮采用直齿轮，由旋转轴穿过铁路隔离开关动触头的旋转端的两个刀片，并固定在齿轮中间，铁路隔离开关动触头转动时，带动旋转轴转动，进而带动齿轮转动。

4.根据权利要求1所述的铁路隔离开关分合闸监测系统，其特征在于：所述信号处理控制器包括第二金属铝合、控制电路板、GPRS模块、蓄电池、信号调理电路板、光电三极管、准直透镜、激光发射器，控制电路板、GPRS模块、蓄电池、信号调理电路板、光电三极管、准直透镜、激光发射器安装在第二金属铝合中，其中，准直透镜安装在激光发射器与光源光纤之间，光电三极管的感光面与接收光纤紧挨在一起，由控制电路板控制激光发射器发射激光束，经准直透镜准直后入射到光源光纤中，光源光纤将该激光束传输至反射光纤探头后照射到反光镜上，反光镜将发射来的激光束反射到反射光纤探头中，经过接收光纤传输后照射到光电三极管上，光电三极管将接收光纤传来的激光束进行光电转换，转换为电流信号，光电三极管与信号调理电路板连接在一起，光电三极管转换后的电流信号经过信号调理电路板放大、滤波后传输至控制电路板进行处理分析，计算出反射光纤探头与反光镜之间的距离，进而计算出铁路隔离开关动触头的旋转角度，并通过控制电路板控制GPRS模块将计算出的铁路隔离开关动触头的旋转角度信息发送至铁路有关部门的监控中心，便于相关操作人员确认该处铁路隔离开关的分合闸情况，蓄电池的输出的5V，用于为控制电路板、GPRS模块、信号调理电路板、光电三极管、激光发射器供电。

5.根据权利要求1所述的铁路隔离开关分合闸监测系统，其特征在于：铁路隔离开关动触头的旋转角度计算方法为：

式（1）中n为齿轮旋转角度，齿轮与旋转轴属于同轴转动，所以齿轮转动的角度即为旋转轴转动的角度，也是铁路隔离开关动触头的旋转角度；

L＝k×u （2）

式（2）中k为u与L之间的相关系数，那么就得出了齿轮旋转角度n与A/D转换后的电压值为u之间的关系：

将式（3）写成STM32F103ZET6能识别的代码即可计算出铁路隔离开关分合闸角度。