CN114325367A - 一种断路器用行程轨迹在线监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器用行程轨迹在线监测装置及监测方法，所述断路器用行程轨迹在线监测装置包括智能模块、真空断路器、合闸线圈、分闸线圈和行程传感单元，所述智能模块和所述真空断路器同时和外部三相电源电连接，所述智能模块同时与所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元同时与所述真空断路器电连接；具有能够实现监控断路器的行程，及时发现断路器的安全隐患，预防事故发生，提升断路器的可靠性的优点。

Description

一种断路器用行程轨迹在线监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及真空断路器状态监测技术领域，尤其涉及一种断路器用行程轨迹在线监测装置及监测方法。

背景技术

电力系统的可靠运行至关重要，真空断路器作为最重要的高压开关设备，其运行状态将直接关系着电力系统的安全可靠的运行。这就需要断路器动作时，可以可靠地合上或断开工作电路。如果断路器发生故障而无法正常进行合闸或分闸动作，将会严重影响电力系统的稳定运行，造成重大损失。因此，对于断路器的动作过程中操作机构的运行轨迹的实时在线监测就变得尤其重要，这能够为断路器的运行状况以及故障分析提供可靠必要的依据。现有传统的真空断路器无法实现行程轨迹的在线监测，只能依靠定期检修保证断路器的可靠动作。

为解决上面的问题，本发明提出了一种断路器用行程轨迹在线监测装置及监测方法。其可以准确有效的记录断路器操作机构的分、合闸动作曲线，根据动作曲线，能够及时发现断路器的安全隐患，预防事故发生，保证供电的可靠性，避免因停电检修造成的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，现有传统的真空断路器无法实现行程轨迹的在线监测，只能依靠定期检修保证断路器的可靠动作，所以提供一种断路器用行程轨迹在线监测装置及监测方法，所述断路器用行程轨迹在线监测装置包括：

智能模块、真空断路器、合闸线圈、分闸线圈和行程传感单元，所述智能模块和所述真空断路器同时和外部三相电源电连接，所述智能模块同时与所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元同时与所述真空断路器电连接；

所述真空断路器包括真空断路器输入端、真空断路器输出端和断路器执行机构，所述真空断路器输入端同时与所述外部三相电源、所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述分闸线圈和所述合闸线圈同时与所述断路器执行机构电连接，所述断路器执行机构同时与所述真空断路器输出端和所述行程传感单元电连接，所述真空断路器输出端与用户用电测电连接。

进一步地，所述智能模块包括电源模块、电压、电流取样模块、开入信号、人机接口、主控芯片、外部存储模块、行程监测信号、控制模块、显示模块和串口通信模块，所述电源模块与所述外部三相电源电连接，所述电源模块还用于同时给所述主控芯片、所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元供电，所述电压、电流取样单元、所述开入信号、所述人机接口、所述行程监测信号、所述控制模块、所述显示模块、所述串口通信模块和所述外部存储模块同时与所述主控芯片电连接，所述行程监测信号与所述行程传感单元电连接，所述控制模块同时和所述合闸线圈和所述分闸线圈电连接。

进一步地，所述电压、电流取样单元包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器用于测量所述真空断路器的输入电压，所述电流传感器用于测量所述真空断路器导通时的电流。

进一步地，所述开入信号包括第一光电数字耦合器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容，所述第一光电数字耦合器的C端与所述主控芯片的HWIN脚电连接并串联所述第一电阻至外部3.3V电源，所述第一光电数字耦合器的E脚连接于电源地信号，所述第一光电数字耦合器的A端和K端间串联有所述第二电阻，所述第二电阻并联有第一电容，所述第一电容的一端与第三电阻串联后与外部12V电源电连接，另一端与真空断路器电连接。

进一步地，所述人机接口用于人为操作断路器合分动作，所述显示模块为液晶显示器。

进一步地，所述行程传感单元包括发射头、接收头和光栅片，所述光栅片竖直固定在断路器执行机构下端，所述发射头和所述接收头分别设置在光栅片的两侧，所述发射头和所述接收头同时与所述行程检测信号电连接。

进一步地，所述行程监测信号用于将行程传感单元产生的脉冲信号调理成方波信号。

进一步地，所述主控芯片为TMS320F2812芯片。

进一步地，所述外部存储模块为外部FLASH芯片W25P64，所述外部存储模块用于存储断路器分合闸过程中电压、电流以及行程运动轨迹记录。

另一方面，本发明还提供一种断路器用行程轨迹在线监测方法，所述断路器用行程轨迹在线监测方法包括：

在合闸过程中：

步骤1：在主芯片RAM中分别开辟出电压、电流以及行程的数据变量区，以及数据变量存储指针；

步骤2：等待合闸信号的接入，当监测到合闸信号时，主控芯片的IO口输出信号使得合闸线圈导通，记录下此时的第一组电压、电流以及行程数据同时开启100us的定时器开始计数并开启中断；

步骤3：每当定时器中断触发时，将电压、电流以及行程数据记录到数据变量区，变量的指针往后移动一个；

步骤4：重复步骤3的动作，等待检测合位信号的到达；

步骤5：等到合位信号时，记录下最后一组数据以及数据变量存储指针偏移长度t,同时将这些数据存储到外部存储模块，关闭定时器中断；

步骤6：将最近一条的动作记录，传送到显示模块显示。若需要查看以往的动作记录，只需人机接口输入对应的序号，主控芯片根据序号调取外部存储模块存储的记录显示；

在分闸过程中：

步骤7：在主芯片RAM中分别开辟出电压、电流以及行程的数据变量区，以及数据变量存储指针；

步骤8：等待分闸信号的接入，当监测到分闸信号时，主控芯片的IO口输出信号使得分闸线圈导通，记录下此时的第一组电压、电流以及行程数据同时开启100us的定时器开始计数并开启中断；

步骤9：每当定时器中断触发时，将电压、电流以及行程数据记录到数据变量区，变量的指针往后移动一个；

步骤10：重复步骤9的动作，等待检测合位信号的到达；

步骤11：等到合位信号时，记录下最后一组数据以及数据变量存储指针偏移长度t,同时将这些数据存储到外部存储模块，关闭定时器中断；

步骤12：将最近一条的动作记录，传送到显示模块显示。若需要查看以往的动作记录，只需人机接口输入对应的序号，主控芯片根据序号调取外部存储模块存储的记录显示。

实施本发明，具有如下有益效果：

1.本发明利用行程传感单元和主控芯片可以准确有效的记录断路器操作机构的分、合闸动作曲线，根据动作曲线，能够及时发现断路器的安全隐患，预防事故发生，保证供电的可靠性，避免因停电检修造成的损失。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2 是本发明的开入信号的电路图；

图3是本发明的真空断路器的结构示意图；

图4是本发明行程监测信号的示意图；

图5是本发明主控芯片的示意图；

图6是外部存储模块的示意图；

其中对应的附图标记应为：1-开关引出端 、2-真空断路器开关管、 3-静触头、 4-动触头、 5-开关驱动连杆 、6-合闸线圈、7-分闸线圈 、8-发射头、9-接收头 、10-光栅片 、11-极柱 、12-上触头 、13-电流互感器 、14-下触头、15-壳体 、16-在线监测装置 、17-信号交互连接线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅说明书附图1-6，本实施例中所要解决的技术问题在于，智能模块、 真空断路器、合闸线圈、分闸线圈和行程传感单元，所述智能模块和所述真空 断路器同时和外部三相电源电连接，所述智能模块同时与所述合闸线圈、所述 分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行 程传感单元同时与所述真空断路器电连接；

所述真空断路器包括真空断路器输入端、真空断路器输出端和断路器执行 机构，所述真空断路器输入端同时与所述外部三相电源、所述合闸线圈、所述 分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述分闸线圈和所述合闸线圈同时与所 述断路器执行机构电连接，所述断路器执行机构同时与所述真空断路器输出端 和所述行程传感单元电连接，所述真空断路器输出端与用户用电测电连接。

合闸线圈X1、分闸线圈X2用来驱动断路器执行机构D2即开关驱动连杆5实现断路器位于真空断路器开关管2中的静触头3与下触头4 导通与断开，从而实现断路器的上触头12与下触头14的导通与断开。

智能模块A包含电源模块P、主控芯片M1、取样单元S1、开入信号S2、人机接口S3、行程监测信号S4、控制模块K1、显示模块K2、串口通信模块T1以及外部存储模块T2。其内嵌于断路器的壳体15内部，与固定于壳体15上的信号交互连接线17相连。

电源模块P与输入电源相连，将交流电源转换成合适的电源分别与合闸线圈X1、分闸线圈X2、行程传感单元Y1与在线监测装置主控芯片M1连接从而提供电源，

取样单元S1包含断路器输入电压取样单元以 及断路器导通时流过电流取样单元。输入电压、电流取样单元S1分别采用电压、电流传感器将强电信号转换成弱电电压信号，经过电压抬升转换成芯片取样范围内电压信号，直接接入行程轨迹在线监测装置主控芯片M1具有AD功能的IO口，用来实时监测开关接入电压与流过电流情况。

开入信号S2包含断路器的合位、分位、储能情况、合分线圈断开接通状态的输入，实时监测断路器的工作位置与运行情况，为断路器的运行轨迹监测提供必要的前提。开入信号S2状态均采用如图2的方式连接于主控芯片M1的口线，图5主控芯片M1中HWIN为合位信号、FWIN为分位信号、CNIN为储能信号、HZXQ为合线圈检测信号、FZXQ为为分线圈检测信号。以合位信号检测为例，YXIN1为真空断路器的引出端子上的合位输出信号，其包含数字第一光电耦合器Q8，Q8的A脚连接于第二电阻R18的一端与第一电容C6的一端后串联第三电阻R54后连接于控制电压KZ12V，Q8的K端、第一电容C6的另一端以及第二电阻R18的另一端均连接于YXIN1，Q8的C端连接于主控芯片M1的HWIN脚并串联第一电阻R19到电源+3.3V,Q8的E脚连接于电源地信号

人机接口S3用来人为操作断路器合分动作，运行记录查询等指令输入，主控芯片M1根据不同的指令执行响应的操作。

控制模块K1输入侧与主控芯片M1的 IO口连接，输出侧连接于合闸线圈X1与分闸线圈X2。控制模块K1可以根据主控芯片M1的指令吸合或关断断路器。

显示模块K2包含液晶显示器以及合闸、分闸储能状态指示器。液晶显示器可以显示合闸、分闸、储能状态，运行轨迹等信息，其可根据人机接口S3与主控芯片M1的指令显示对应的信息以及记录。合闸、分闸储能状态指示器为独立的脱离软件的硬指示,安装于开关驱动连杆5上面，随着开关驱动连杆5的位置不同显示对应的状态，防止程序跑飞等异常情况下的指示出错。

行程传感单元Y1由发射头8、接收头9以及光栅片10组成，光栅片竖置固定在开关驱动连杆5的下端，发射头8与接收头9分别设置在光栅片10两侧并且连接于智能模块A中的行程监测信号S4。

行程监测信号S4用来将行程传感单元Y1产生的脉冲信号调理成适合主控芯片M1监测的方波信号。行程监测信号S4包含三路相同的信号调理电路，以第一路为例：GS11IN与GS1IN为信号输入端，GS11IN与发射头8的信号输出端相连，GS1IN与接收头9的信号输出端相连接。其包含双通道低功耗的数字光电耦合器Q10，Q10的1脚连接电阻R44的一端，电阻R44的另一端连接于供电电源5V4与电阻R104的一端，电阻R104的另一端GS11IN连接于发射头8的信号输出端与Q10的2脚；Q10的4脚连接电阻R45的一端，电阻R45的另一端连接于供电电源5V4与电阻R105的一端，电阻R105的另一端GS1IN连接于接收头9的信号输出端与Q10的3脚；Q10的5脚连接于电源VSS，Q10的6脚连接于主控芯片M1的107脚CAP2_QEP2与电阻R55的一端，电阻R55的另一端连接于电源VDD，Q10的7脚连接于主控芯片M1的106脚CAP1_QEP1与第三电阻R54的一端，第三电阻R54的另一端连接于电源VDD，Q10的8脚连接于电源VDD。

主控芯片M1采用TMS320F2812芯片，其具有高精度AD采样功能，具有捕获功能的CAP引脚。CAP脚为该芯片的输入输出口，将此端口配置成捕获口，并将的端口的中断触发方式设置成上升沿或下降沿中断触发模式。配置一个变量LEN来描述动触头4与静触头3之间的距离，当CAP1或CAP2边沿中断触发时，检测CAP1与CAP2口线的高低电平，当CAP1与CAP2电平相同时说明距离在变大，处于分闸运动中，每进入一次中断LEN变量自增，相反，当CAP1与CAP2电平相反时说明距离在变小，处于合闸运动中，每进入一次中断LEN变量自减。根据LEN变量的大小，可以直接反应断路器动、静触头的距离。

外部存储模块T2采用外部FLASH芯片W25P64（U9）连接于主控芯片M1的SPI功能IO口，用来存储断路器分合闸过程中电压、电流以及行程运动轨迹记录。U9的1脚连接于主控芯片M1的35脚SPI_SLA_EN，2脚连接于主控芯片M1的41脚SPI_MISO,5脚连接于主控芯片M1的40脚SPI_MOSI, 6脚连接于主控芯片M1的34脚SPI_CLK,4脚连接于VSS，3,7,8脚均连接于电源VCC，在3脚与8脚间连接有滤波稳压作用的电容C13。

串口通信模块T1可以采用CAN或者RS485总线传输方式，将采集的断路器动作过程的电压、电流、行程等运行记录数据传送给上位机，配合网路后台可以实现远程在线监测断路器的运行情况。

本实施例还提供一种断路器用行程轨迹在线监测方法，包括：

在合闸过程中：

步骤1：在主芯片RAM中分别开辟出电压、电流以及行程的数据变量区，以及数据变量存储指针；

步骤2：等待合闸信号的接入，当监测到合闸信号时，主控芯片的IO口输出信号使得合闸线圈导通，记录下此时的第一组电压、电流以及行程数据同时开启100us的定时器开始计数并开启中断；

步骤3：每当定时器中断触发时，将电压、电流以及行程数据记录到数据变量区，变量的指针往后移动一个；

步骤4：重复步骤3的动作，等待检测合位信号的到达；

步骤5：等到合位信号时，记录下最后一组数据以及数据变量存储指针偏移长度t,同时将这些数据存储到外部存储模块，关闭定时器中断；

步骤6：将最近一条的动作记录，传送到显示模块显示。若需要查看以往的动作记录，只需人机接口输入对应的序号，主控芯片根据序号调取外部存储模块存储的记录显示；

在分闸过程中：

步骤7：在主芯片RAM中分别开辟出电压、电流以及行程的数据变量区，以及数据变量存储指针；

步骤8：等待分闸信号的接入，当监测到分闸信号时，主控芯片的IO口输出信号使得分闸线圈导通，记录下此时的第一组电压、电流以及行程数据同时开启100us的定时器开始计数并开启中断；

步骤9：每当定时器中断触发时，将电压、电流以及行程数据记录到数据变量区，变量的指针往后移动一个；

步骤10：重复步骤9的动作，等待检测合位信号的到达；

步骤11：等到合位信号时，记录下最后一组数据以及数据变量存储指针偏移长度t,同时将这些数据存储到外部存储模块，关闭定时器中断；

步骤12：将最近一条的动作记录，传送到显示模块显示。若需要查看以往的动作记录，只需人机接口输入对应的序号，主控芯片根据序号调取外部存储模块存储的记录显示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，包括智能模块、真空断路器、合闸线圈、分闸线圈和行程传感单元，所述智能模块和所述真空断路器同时和外部三相电源电连接，所述智能模块同时与所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元同时与所述真空断路器电连接；

所述真空断路器包括真空断路器输入端、真空断路器输出端和断路器执行机构，所述真空断路器输入端同时与所述外部三相电源、所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元电连接，所述分闸线圈和所述合闸线圈同时与所述断路器执行机构电连接，所述断路器执行机构同时与所述真空断路器输出端和所述行程传感单元电连接，所述真空断路器输出端与用户用电测电连接。

2.根据权利要求1所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述智能模块包括电源模块、电压、电流取样模块、开入信号、人机接口、主控芯片、外部存储模块、行程监测信号、控制模块、显示模块和串口通信模块，所述电源模块与所述外部三相电源电连接，所述电源模块还用于同时给所述主控芯片、所述合闸线圈、所述分闸线圈和所述行程传感单元供电，所述电压、电流取样单元、所述开入信号、所述人机接口、所述行程监测信号、所述控制模块、所述显示模块、所述串口通信模块和所述外部存储模块同时与所述主控芯片电连接，所述行程监测信号与所述行程传感单元电连接，所述控制模块同时和所述合闸线圈和所述分闸线圈电连接。

3.根据权利要求2所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述电压、电流取样单元包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器用于测量所述真空断路器的输入电压，所述电流传感器用于测量所述真空断路器导通时的电流。

4.根据权利要求3所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述开入信号包括第一光电数字耦合器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容，所述第一光电数字耦合器的C端与所述主控芯片的HWIN脚电连接并串联所述第一电阻至外部3.3V电源，所述第一光电数字耦合器的E脚连接于电源地信号，所述第一光电数字耦合器的A端和K端间串联有所述第二电阻，所述第二电阻并联有第一电容，所述第一电容的一端与第三电阻串联后与外部12V电源电连接，另一端与真空断路器电连接。

5.根据权利要求4所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述人机接口用于人为操作断路器合分动作，所述显示模块为液晶显示器。

6.根据权利要求5所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述行程传感单元包括发射头、接收头和光栅片，所述光栅片竖直固定在断路器执行机构下端，所述发射头和所述接收头分别设置在光栅片的两侧，所述发射头和所述接收头同时与所述行程检测信号电连接。

7.根据权利要求6所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述行程监测信号用于将行程传感单元产生的脉冲信号调理成方波信号。

8.根据权利要求7所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述主控芯片为TMS320F2812芯片。

9.根据权利要求8所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，所述外部存储模块为外部FLASH芯片W25P64，所述外部存储模块用于存储断路器分合闸过程中电压、电流以及行程运动轨迹记录。

10.一种断路器用行程轨迹在线监测方法，用于如权利要求1-9所述的断路器用行程轨迹在线监测装置，其特征在于，包括：

在合闸过程中：

步骤1：在主芯片RAM中分别开辟出电压、电流以及行程的数据变量区，以及数据变量存储指针；

步骤2：等待合闸信号的接入，当监测到合闸信号时，主控芯片的IO口输出信号使得合闸线圈导通，记录下此时的第一组电压、电流以及行程数据同时开启100us的定时器开始计数并开启中断；

步骤3：每当定时器中断触发时，将电压、电流以及行程数据记录到数据变量区，变量的指针往后移动一个；

步骤4：重复步骤3的动作，等待检测合位信号的到达；

步骤5：等到合位信号时，记录下最后一组数据以及数据变量存储指针偏移长度t,同时将这些数据存储到外部存储模块，关闭定时器中断；

步骤6：将最近一条的动作记录，传送到显示模块显示，若需要查看以往的动作记录，只需人机接口输入对应的序号，主控芯片根据序号调取外部存储模块存储的记录显示；

在分闸过程中：

步骤7：在主芯片RAM中分别开辟出电压、电流以及行程的数据变量区，以及数据变量存储指针；

步骤8：等待分闸信号的接入，当监测到分闸信号时，主控芯片的IO口输出信号使得分闸线圈导通，记录下此时的第一组电压、电流以及行程数据同时开启100us的定时器开始计数并开启中断；

步骤9：每当定时器中断触发时，将电压、电流以及行程数据记录到数据变量区，变量的指针往后移动一个；

步骤10：重复步骤9的动作，等待检测合位信号的到达；

步骤11：等到合位信号时，记录下最后一组数据以及数据变量存储指针偏移长度t,同时将这些数据存储到外部存储模块，关闭定时器中断；

步骤12：将最近一条的动作记录，传送到显示模块显示，若需要查看以往的动作记录，只需人机接口输入对应的序号，主控芯片根据序号调取外部存储模块存储的记录显示。

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