CN113302711B - 一种开关 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例涉及一种开关(10)。该开关包括传感器装置(14)，该传感器装置(14)能够通过无线通信将与传感器装置(14)的至少一个传感器(141、142)的传感器信号(S)相关的数据传输至外部单元(20)。
Description
技术领域
本发明涉及开关和包括开关的系统。
背景技术
中压和高压开关设备的旨在确保在预期运行寿命(>25年)内的可靠性和最佳磨损储备之间的最佳关系。
然而，开关设备中的部件容易受到老化效应和环境效应(腐蚀、潮湿、昆虫)的影响。单个部件的老化、腐蚀及磨损对于系统的整体可靠性有很大的影响。
一个很好的例子是断路器(液压或弹簧操作的)中的跳闸线圈及后续驱动机构的腐蚀效应。在这些情况下，断路器甚至可能根本不响应跳闸信号。
断路器需要在给定的动作时间宽度内起作用。几毫秒的延迟(如果检测到网络中的短路)可能会对整个电网产生重大影响。网络运营商通过执行诊断周期来定期地检查断路器的“健康”以降低这种风险。这些诊断周期可包括测量断路器的反应时间、测量通过跳闸线圈的电流以及测量断路器机构的速度曲线(x,t)。
这些诊断周期所涉及的问题是负责的技术人员依赖外部测量设备。外部测量设备必须附接到断路器上，并在实际测量前进行测试。因此，在实际状态评估发生之前，断路器已经执行了若干次开关操作。这些额外的开关操作可能会影响状态评估，因为在实际状态评估之前的测量设备的测试期间，由于跳闸线圈腐蚀、密封件的机械刚度、润滑剂的硬化等所造成的任何开关延迟可能会被克服(通常称为“断路器操动”)。因此，状态评估可能不准确，并且可能给人一种错误的印象。
因此，应测量“第一”开关操作，以评估断路器的实际可靠性，特别是当断路器在中高压电网中用作保护装置时。
目前，关于“第一”开关操作的测量是侵入性的，因为它们需要接入开关设备。例如，断路器控制面板需要被部分地打开以安装测量设备。此外，为了保证现场服务人员的安全工作环境，网络中的能量需要重新定向。
发明目的
鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种优化的开关。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种开关，该开关包括传感器装置，该传感器装置能够通过无线通信将与传感器装置的至少一个传感器的传感器信号相关的数据传输至外部单元。
根据该实施例的开关允许在没有外部测量设备或现场专家参与的情况下收集和传输信息。每次开关活动都可以在不“侵入”本地基础设施的情况下被记录下来。此外，现有的开关可以配备传感器装置，而无需改变开关内的内部布线。开关和基于开关的保护系统可以保持不受影响。
该开关优选为高压(>1kV)开关，即能够在高压电网中切换电流和/或分离电触点的开关。该开关优选地包括断路器单元，该断路器单元提供接通状态和断开状态，在接通状态下，断路器的触点之间的电流流动是可能的，在断开状态下，触点之间的电流流动被切断。
该开关优选地包括跳闸线圈，该跳闸线圈被构造为响应于跳闸线圈电流而将开关从接通状态转换至断开状态。该至少一个传感器或该传感器中的至少一个优选地是电流传感器，所述电流传感器被构造成感测通过跳闸线圈的电流。
优选地，电流传感器感应地耦合至传导跳闸线圈电流的导体。
开关可以包括执行器，当开关被激活以进入其断开状态时，该执行器被加速。优选地，该至少一个传感器或该传感器中的至少一个是被构造成测量执行器的运动的运动检测器。
优选地，该运动检测器安装在执行器上或者至少与执行器机械地联接。
优选地，运动检测器是加速度传感器。陀螺仪传感器被认为是最佳的。优选地，陀螺仪传感器是3轴SMD传感器。
优选地，传感器装置包括连接至一个或多个传感器的控制单元。
该控制单元可以被构造为提供睡眠模式和活动模式，在睡眠模式中，传感器装置不进行通信，并且在活动模式中，传感器装置评估传感器信号并通过无线通信与外部单元进行通信。睡眠模式可以显著降低控制单元的功耗。
根据优选的实施例，所述开关包括跳闸线圈，该跳闸线圈被构造为响应于施加至跳闸线圈的跳闸线圈电流来激活开关的断开状态。优选地，控制单元被构造为在跳闸线圈电流出现时激活其活动模式。
例如，跳闸线圈电流提供的能量可以唤醒控制单元并激活控制单元的活动模式。优选地，控制单元由电池供电，并被构造为响应于指示跳闸线圈电流出现的传感器信号而进入其活动模式。基于电池的电源最大限度地减少了在开关内部容纳控制单元和传感器所需进行的调整。
优选地，控制单元被构造为分析一个或多个传感器信号，识别相关的信号部分，并基于此生成传输至外部单元的所述数据。换句话说，优选地，只发送相关的信号部分。
为了高能效传输，传感器装置优选地包括能够与远程低功率通信网络通信的通信单元。替代地或附加地，通信单元可以具有根据WIFI、蓝牙或其他移动通信标准来进行通信的能力。
本发明的另一个实施例涉及一种包括开关和外部单元的系统。优选地，该开关是如上所述的开关。优选地，外部单元由远程计算机或计算机系统所提供的云应用形成。
外部单元可以被构造为评估来自开关的数据，并生成指示开关的健康状态或磨损率的评估结果。
附图简要说明
为了容易地理解获得本发明的上述及其他优点的方式，将通过参考附图中所示出的本发明的具体实施例来呈现以上简要描述的本发明的更具体的描述。应当理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对本发明的范围的限制，将通过使用附图以额外的特征及细节来描述并解释本发明，其中
图1示出了根据本发明的开关的示例性实施例，
图2-图5示出了与图1所示的开关相关的示例性测量数据。
具体实施方式
通过参考附图，将能够最好地理解本发明的优选实施例。容易理解的是，如本文的附图中的一般描述及图示的，本发明可以在很宽的范围内变化。因此，如附图所示，以下对本发明的示例性实施例的更详细描述并不旨在限制如权利要求所述的本发明的范围，而仅仅是本发明的当前优选实施例的代表。
图1示出了根据本发明的系统1和开关10的示例性实施例。开关10是高压(>1kV)开关，并且包括断路器单元11。断路器单元11提供接通状态，在接通状态下，电流I可以在触点E10a和触点E10b之间流动。在断开状态下(如图1所示)，触点El0a和触点El0b之间的电流被切断。
为了将断路器单元11从接通状态切换至断开状态，开关10包括执行器12和跳闸线圈13。响应于跳闸线圈电流It，执行器12被转换至图1所示的位置，并且开关被关断。
开关10还包括传感器装置14。传感器装置14包括加速度传感器141、电流传感器142、控制单元143、电池144以及通信单元145。
加速度传感器141安装在执行器12上，并且能够测量执行器12的加速度。通过在时间上对加速度值进行积分，控制单元143可以确定执行器12在从接通状态至断开状态的运动期间的速度和/或位置。优选地，加速度传感器141为3轴SMD(表面安装器件)陀螺仪传感器。
优选地，电流传感器142感应地耦合至传导跳闸线圈电流It的导体13a。跳闸线圈电流It可以在开关10的触发端口T1和触发端口T2处被导入。优选地，通信单元145是按照任何移动通信标准(例如，WIFI、蓝牙、远程低功率通信等)的无线设备。
传感器装置14及其控制单元143可以如下地运行:
只要开关10处于接通状态并且没有跳闸线圈电流存在，优选地，控制单元143在通信单元145不进行通信的睡眠模式下操作。在该睡眠模式中，功耗最低以保持电池的电量。
一旦电流传感器142感测到跳闸线圈电流，控制单元143就被唤醒并激活其活动模式。在活动模式中，控制单元143从加速度传感器141处接收传感器信号S，并经由通信单元145将数据D无线地传输至外部单元20。外部单元20可以由远程计算机或计算机系统提供的云应用形成。
为了减少必须传输的数据量，优选地，控制单元143分析加速度传感器141的传感器信号并识别相关的信号部分SEG(见图2-图5)。而后，通过通信单元145传输与相关的信号部分SEG相关的数据。
图2至图5示出了在断路器单元11从接通状态转换至断开状态期间，随时间t变化的执行器12的位置POS的图像化曲线图。位置POS可以基于加速度传感器141的传感器信号S来计算。
曲线图示出了断路器单元11的不同老化程度或“健康”状态。很明显，每个图的最终信号部分SEG是最相关的。因此，优选地，控制单元143提取最终信号部分SEG，并且仅向外部单元20传输与这些信号部分SEG相关的数据。
附加地或替代地，控制单元143可以分析跳闸线圈电流It，识别其相关的信号部分，并将与其相关的数据传输至外部单元20。
一旦接收到数据D，外部单元20可以分析信号部分SEG，并且如果接收到的数据显示或暗示出现故障或者需要进行维护或更换，则产生警告信号。
在上述示例性实施例中，所有开关活动都可以通过非侵入式测量来记录。通过使用IoT(物联网；例如远程低功率)通信网络，可以在不使用其他本地基础设施的情况下收集数据D。
例如，一组传感器(例如小型SMD)可以永久地安装至断路器单元11，在操作时的测量断路器数据，并在“物联网”支持的网络的帮助下将测量的数据发送至云端。
其他实施例可以(但不必须)包括以下的一个或多个特征:
-跳闸线圈电流：为了测量跳闸线圈曲线，可以在主跳闸线圈连接的周围放置一个感应回路(不断开导线)。
-开关时间/速度：可以将(微型)3轴SMD陀螺仪传感器安装至执行器。
-记录加速度随时间的变化(计算可能的速度和行程)：收集的数据可以本地存储在微型电路板上，并通过(但不限于)远程低功率通信进行传输。因为这种电路板用于感测和传输所需的能量非常低，所以该设备可以由电池供电。
-传感器装置可能是非侵入式的，并且不需要外部电源。数据不需要通过现存的(私有)运营网络进行路由。
-优选地在电路板中实施的传感器装置以及传感器可以在激活(例如通过跳闸线圈电流作为输入触发)后的2毫秒内完全可操作。
-可以收集大致所有的数据，并且一块电池的预期工作寿命可能超过10年。
-在传感器层面上，不需要过多的计算能力。数据在“云端中”可以是可用的，从而开启新的软件驱动的服务潜力。
-可以监控所有的断路器指令：因此，可以获得来自第一次(也是最重要的)断路器操作的数据。由于这可以用不直接连接至次级线路的设备来完成，并且由于可以在微型尺度上完成传感，所以该实施可以非常简单。
-通过使用支持物联网的新网络，可以轻松地集中传输并分析数据。由于所有数据都是可用的，因此可以根据资产类型、年限、驱动力、环境数据等进行集中交叉引用分析。
-因为传感器装置可能安装在高压或中压装置上，并可能停留在该装置中，所以无论断路器何时操作，传感器装置都具有测量跳闸线圈电流的能力。
-传感器装置可能处于休眠状态。跳闸线圈电流可启动电路板，从而限制电池消耗。
-物联网网络所需要的数据传输功率非常低，因此降低了电池存储容量(并减少了设备占地面积)。
-开关时间(断路器的执行器的行程)的感测可以通过使用SMD陀螺仪传感器来记录。这将有助于洞察任何偏差或异常。
-不再需要使用传统的模拟或数字传感器。
-支持物联网的传感器装置可以为“数字支持服务”战略做出贡献。
-传感器装置允许洞察与假定的断路器健康状况相关的偏差。
-传感器装置可以主动通知用户断路器定时的偏差正在发生。
-由于陀螺仪传感器和跳闸线圈曲线可能会消耗大量数据，因此小型本地(电路板安装的)处理可能会有优势。为了传输数据，本地算法可以确定哪些数据与传输相关。在这些方块中，可以叠加一个微网格。然后，只传输受影响的网格(粒子)的X和Y数据。通过这种方法，可以传输小数据包，并“在云端”进行进一步的评估。
本文公开的本发明的实施例及各种实施例的方面不仅应在本说明书中具体描述的顺序以及上下文中被理解，而且包括任何顺序及其任何组合。当上下文需要时，所有以单数形式使用的词语均应视为包括复数形式，反之亦然。当上下文需要时，所有带有“和”的选项都应被视为包括“或”，反之亦然，以及它们的任何组合。
已经结合附图和说明书公开了本发明的多个实施例。申请人想强调的是，每个实施例的每个特征都可以与任何其他实施例组合或添加至任何其他实施例中，以便修改相应的实施例并创建附加的实施例。这些附加实施例形成本公开的一部分，因此，申请人可以在审查的后期阶段就这些附加的实施例提交进一步的专利权利要求。
Claims (13)
1.一种开关(10)，
其特征在于，
所述开关包括传感器装置(14)，所述传感器装置(14)能够通过无线通信将与所述传感器装置(14)的至少一个传感器(141、142)的传感器信号(S)相关的数据传输至外部单元(20)；
其中所述传感器装置(14)包括连接至一个或多个所述传感器的控制单元(143)；
所述控制单元(143)被构造为提供睡眠模式以及活动模式，在所述睡眠模式中，所述传感器装置(14)不进行通信，在所述活动模式中，所述传感器装置(14)评估所述传感器信号并经由无线通信与所述外部单元(20)进行通信；
-所述开关包括跳闸线圈(13)，所述跳闸线圈(13)被构造为响应于施加至所述跳闸线圈的跳闸线圈电流(It)而激活所述开关的断开状态，并且
-所述控制单元(143)被构造成在所述跳闸线圈电流出现时激活其活动模式。
2.根据权利要求1所述的开关(10)，
其特征在于，
所述开关包括断路器单元(11)，所述断路器单元(11)提供接通状态和断开状态，在所述接通状态中，电流(I)在所述断路器单元(11)的触点(El0a、El0b)之间的流动是可能的，在所述断开状态中，电流(I)在所述触点(El0a、El0b)之间的流动被中断。
3.根据前述权利要求中任一项所述的开关(10)，
其特征在于，
-其中所述至少一个传感器或所述传感器中的至少一个是电流传感器(142)，所述电流传感器(142)被构造为感测通过所述跳闸线圈(13)的电流。
4.根据权利要求3所述的开关(10)，
其特征在于，
所述电流传感器(142)感应地耦合至导体(13a)，所述导体(13a)传导所述跳闸线圈电流(It)。
5.根据权利要求1所述的开关(10)，
其特征在于，
-所述开关包括执行器(12)，当所述开关被激活以采用其断开状态时，所述执行器被加速,
-其中所述至少一个传感器或所述传感器中的至少一个是运动检测器，所述运动检测器被构造成测量所述执行器(12)的运动。
6.根据权利要求5所述的开关(10)，
其特征在于，
所述运动检测器被安装在所述执行器(12)上或者与所述执行器至少机械地联接。
7.根据前述权利要求5-6中任一项所述的开关(10)，
其特征在于，
所述运动检测器是加速度传感器(141)。
8.根据权利要求7所述的开关(10)，
其特征在于，
所述运动检测器是陀螺仪传感器。
9.根据权利要求1所述的开关(10)，
其特征在于，
-所述跳闸线圈电流(It)提供的能量唤醒所述控制单元(143)并激活所述控制单元(143)的活动模式，并且/或者
-所述控制单元(143)由电池供电，并且被构造为响应于指示所述跳闸线圈电流的出现的传感器信号而进入其活动模式。
10.根据权利要求1所述的开关(10)，
其特征在于，
所述控制单元(143)被构造为分析一个或多个所述传感器信号(S)，识别相关的信号部分(SEG)，并基于该相关的信号部分(SEG)生成被传输至所述外部单元(20)的所述数据(D)。
11.根据权利要求1所述的开关(10)，
其特征在于，
所述传感器装置(14)包括通信单元(145)，所述通信单元(145)能够与无线网络、蓝牙和/或远程低功率通信网络通信。
12.一种包括开关和外部单元的系统(1)，
其特征在于，
-所述开关是根据前述权利要求中任一项的开关，并且
-所述外部单元(20)由远程计算机或计算机系统提供的云应用形成。
13.根据权利要求12所述的系统(1)，
其特征在于，
所述外部单元被构造为评估来自所述开关(10)的数据(D)，并产生指示所述开关的健康状态或磨损率的评估结果。
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