CN115308589A - 断路器故障监测系统、监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器故障监测系统、监测方法及装置。其中，断路器故障监测系统，包括电流采集器、触头行程采集器、振动采集器、分合闸时间采集器、模数转换器和处理器，电流采集器、触头行程采集器和振动采集器通过模数转换器与处理器电连接，分合闸时间采集器与处理器电连接。基于采集的分合闸回路电流、储能电机回路电流、转动行程信息、振动信息和分合闸时间判断断路器是否发生机械故障，有效的实现了在断路器工作过程中监测断路器是否发生了机械故障，避免了人工进行检测所带来的大量人工消耗和安全性问题。

Description

断路器故障监测系统、监测方法及装置

技术领域

本发明涉及电路安全技术领域，尤其涉及一种断路器故障监测系统、监测方法及装置。

背景技术

高压断路器在电网安全稳定运行中扮演着至关重要的角色，断路器可进行倒闸操作，断开正常运行电流，改变电力系统的运行方式。断路器可断开短路故障电流，缩小停电范围，保护电力设备安全，维护系统稳定。

而随着断路器运行时间和动作次数的增多，各种问题缺陷逐渐暴露。分合闸线圈开路短路、分合闸线圈间隙异常增大、分合闸铁芯卡塞、储能弹簧脱落、储能电机故障、断路器传动机构卡涩等缺陷严重威胁着断路器，甚至造成断路器的拒动，给电网运行安全带来隐患。因此，断路器的机械特性检测至关重要。

目前，检修人员为了测量断路器的机械特性参数，进而评估断路器的运行状态，需要将断路器所在回路停电，并将其转入检修状态。然后利用多种专用设备对断路器的机械性能进行测试调试。对断路器的检测将影响配电网的正常运行，并且需要消耗大量的人力进行，使得检测效率低下。

发明内容

本发明提供了一种断路器故障监测系统、监测方法及装置，以高效的实现对断路器的性能检测。

本发明的一方面，提供了一种断路器故障监测系统，包括电流采集器、触头行程采集器、振动采集器、分合闸时间采集器、模数转换器和处理器，所述电流采集器、所述触头行程采集器和所述振动采集器通过所述模数转换器与所述处理器电连接，所述分合闸时间采集器与所述处理器电连接；

所述电流采集器分别与断路器的分合闸回路和储能电机回路连接，用于采集所述断路器的分合闸回路电流和储能电机回路电流；

所述触头行程采集器与所述断路器的传动连杆连接，用于采集所述传动连杆的转动行程信息；

所述振动采集器设置于所述断路器的本体上，用于采集所述断路器工作过程中的振动信息；

所述分合闸时间采集器的第一采集端和第二采集端分别与所述断路器的进线端和出线端电连接，用于在所述断路器的分合闸回路导通时向所述断路器的所述进线端注入高频信号，并在所述断路器的所述出线端采集所述高频信号，以实现对所述断路器的分合闸时间采集；

所述处理器用于基于所述分合闸回路电流、所述储能电机回路电流、所述转动行程信息、所述振动信息和所述分合闸时间判断所述断路器是否发生机械故障。

可选的，所述分合闸时间采集器包括高频信号发生单元和高频信号接收单元，所述高频信号发生单元与所述断路器的所述进线端电连接，所述高频信号接收单元与所述断路器的所述出线端电连接，所述高频信号发生单元和所述高频信号接收单元的信号端与所述处理器电连接；

所述高频信号发生器响应所述处理器的控制信号向所述断路器的所述进线端输出高频信号，所述高频信号接收器接收所述断路器的所述出线端输出的高频信号并反馈至所述处理器。

可选的，所述分合闸时间采集器包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、可调直流电源、第一电压转换单元和第二电压转换单元；

所述第一电压转换单元的第一输出端与所述断路器的进线端连接，第二输出端接地，第一输入端与直流电源连接，第二输入端接地；

所述第二电压转换单元的第一输入端与所述断路器的出线端连接，第二输入端接地，所述第一电压转换单元的第二输出端接地；

所述第一光电耦合器的输入端与所述处理器电连接，输出端分别与所述第一电压转换单元的第一输入端和第二输入端连接，所述第一光电耦合器响应所述处理器的高频信号高频接通输出端，使所述第一电压转换单元输出高频电压信号；

所述第二光电耦合器的输入端与所述第二电压转换单元的第一输出端和第二输出端电连接，所述第二光电耦合器的输出端分别与所述可调直流电源和所述处理器连接，用于解耦所述断路器的出线端输出的高频信号，并传输至所述处理器。

可选的，所述电流采集器为设置于断路器的分合闸回路和储能电机回路上的霍尔电流传感器；所述触头行程采集器为安装于所述断路器的传动连杆上的角速度传感器；所述振动采集器为设置于所述断路器上的MEMS振动传感器。

本发明的另一方面，提供了一种断路器故障监测方法，包括：

获取断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间；

基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障；

基于所述动作行程信息确定所述断路器的触头结构是否存在故障；

基于所述振动信息和所述分闸时间确定所述断路器的动作是否存在故障。

可选的，所述基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障，包括：

确定所述分合闸回路电流和所述储能电机电流的极值和持续时间；

基于所述极值和所述持续时间判断所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障。

可选的，在所述基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障之前，还包括：

对采集的所述分合闸回路电流和储能电机电流的时间-电流曲线进行滑动平均滤波处理。

可选的，所述基于所述振动信息和所述分闸时间确定所述断路器的动作是否存在故障，包括：

采用短时能量分析法对所述振动信息和所述分闸时间进行处理获得所述断路器工作过程中的振动的短时能量值和能量分布情况；

基于所述短时能量值和所述能量分布情况确定所述断路器的动作是否存在故障。

可选的，采用以下公式计算所述短时能量值：

其中，n＝1,2,…,N，S_n为第n个时间点的所述短时能量值，x为所述振动信息中的振动幅值，w_n为海明窗函数。

本发明的另一方面，提供了一种断路器故障监测装置，包括：

获取模块，用于执行获取断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间；

电流判断模块，用于执行基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障；

行程判断模块，用于执行基于所述动作行程信息确定所述断路器的触头结构是否存在故障；

振动判断模块，用于执行基于所述振动信息和所述分闸时间确定所述断路器的动作是否存在故障。

本发明实施例的技术方案，通过设置电流采集器采集断路器工作过程中的分合闸回路和储能电机回路的电流信息，设置触头行程采集器采集断路器的动触头行程信息，设置振动采集器采集断路器工作过程中的振动信息，设置分合闸时间采集器采集断路器的分合闸时间，并通过处理器基于采集的分合闸回路电流、储能电机回路电流、转动行程信息、振动信息和分合闸时间判断断路器是否发生机械故障，有效的实现了在断路器工作过程中监测断路器是否发生了机械故障，避免了人工进行检测所带来的大量人工消耗和安全性问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是根据本发明实施例一提供的断路器故障监测系统的结构示意图；

图1b是根据本发明实施例一提供的分合闸时间采集器的电路图；

图2是根据本发明实施例二提供的断路器故障监测方法的流程图；

图3是根据本发明实施例三提供的断路器故障监测装置的结构示意图；

图4是实现本发明实施例的断路器故障监测方法的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的机械开关装置。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。

断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。触头系统在断路器中用来实现电路接通或分断，灭弧系统用来熄灭触头间在断开电路时产生的电弧，断路器操动机构包括传动机构和脱扣机构两大部分，断路器的保护装置由各种脱扣器来实现。

图1a为本发明实施例一提供了一种断路器故障监测系统的结构示意图，本实施例可适用于对断路器的性能和故障进行监测、检测。

如图1a所示，该断路器故障监测系统包括电流采集器、触头行程采集器、振动采集器、分合闸时间采集器、模数转换器和处理器。

其中，电流采集器、触头行程采集器和振动采集器通过模数转换器均与处理器电连接，分合闸时间采集器与处理器电连接。也就是说，电流采集器、触头行程采集器和振动采集器采集的是模拟量，通过模数转换器进行模数转换为数字信号，然后输入到处理器中。

在其他实施例中，电流采集器、触头行程采集器和振动采集器分也可以采用直接输出数字信号类型的采集器，或者是自带模数转换功能的处理器，在此并不做过多的限定，只要能够有效的实现对断路器的电流信息、触头行程信息和振动信息采集即可。

在一个可选的实施例中，电流采集器分别与断路器的分合闸回路和储能电机回路连接，用于采集断路器的分合闸回路电流和储能电机回路电流。

在本发明实施例中，断路器的分合闸回路主要用于实现远程或本地对断路器的工作状态控制，可控制断路器在合闸状态和分闸状态直接切换。在本发明实施例中分合闸可包括合闸回路和分闸回路，也就是说，电流采集器可以分别采集分闸回路和合闸回路的电流。对于高压断路器而言，直接操作的危险性相对较大，所以一般是通过远程操作的方式实现高压断路器的通断，在远程对高压断路器进行控制时可通过控制高压断路器上设置的合闸回路或分闸回路的通断，进而控制操作机构工作，实现分合闸操作。而操作机构响应分合闸信号进行分合闸操作时主要依靠储能弹簧机构提供能量，该储能弹簧机构则需要通过储能电机进行储能，进而通过储能弹簧机构提供相应的势能带动操作机构动作。

具体的，在本发明实施例中可在断路器的分闸回路、合闸回路、储能电机回路分别设置有电流采集器，分别对分闸回路、合闸回路、储能电机回路的工作电流进行采集，从而获得分闸回路、合闸回路、储能电机回路在工作过程中的电流信息。除此之外，电流采集器也可以是能够同时实现多个电流的采集的装置，此时将该电流采集器分别与分闸回路、合闸回路、储能电机回路连接，以采集分闸回路、合闸回路、储能电机回路的工作电流。

在本发明的一个实施例中，断路器的分合闸动作主要通过传动连杆带动动触头转动的形式实现。对应的，触头行程采集器与断路器的传动连杆连接，用于采集传动连杆的转动行程信息。也就是说，在本实施例中通过采集传动连杆的转动行程信息，从而获得动触头的转动信息。

在其他实施例中，还可以将触头行程采集器与动触头连接，直接采集动触头的转动行程信息。

对于触头行程采集器可以是位移传感器、角速度传感器等传感器，或者是通过摄像头、红外线等装置，只要能够实现对动触头的转动行程信息的获取即可。

在本发明的一个实施例中，振动采集器设置于断路器的本体上，用于采集断路器工作过程中的振动信息。

断路器在分闸或合闸时由于内部的结构运动，因此会使得断路器产生一定的振动。例如，在分闸或合闸时动触头与静触头吸合、分离的时候会产生一定的振动，其次，断路器内部的传动连杆、储能机构等动作的时候也会产生一定的振动。

分合闸时间采集器的第一采集端和第二采集端分别与断路器的进线端和出线端电连接，用于在断路器的分合闸回路导通时向断路器的进线端注入高频信号，并在断路器的出线端采集高频信号，以实现对断路器的分合闸时间采集。

在具体实现中，分合闸时间采集器在分闸回路或合闸回路被导通时向断路器的进线端注入高频信号，然后在出现端检测通过断路器后输出的高频信号。由于断路器分闸前处于合闸状态，高频信号可直接通过断路器的进线端到达出线端，因此可在出线端检测到注入的高频信号，在分闸回路工作后断路器被分闸切断出线端与进线端的电连接，此时在出现端则并不能够检测到注入的高频信号，因此可以通过对高频信号的消失时间的检测确定准确的分闸时间点，而分闸回路接通的时间点则是实际触发分闸操作的起始时间点，基于起始时间点和分闸时间点，则可准确的得到断路器的分闸时间长度。同理的，可通过检测合闸回路的接通时间点和检测到注入的高频信号的合闸时间点得到断路器的合闸时间长度。

在本发明实施例中，还设置了处理器用于基于分合闸回路电流、储能电机回路电流、转动行程信息、振动信息和分合闸时间判断断路器是否发生机械故障。

在本发明实施例中，通过设置电流采集器采集断路器工作过程中的分合闸回路和储能电机回路的电流信息，设置触头行程采集器采集断路器的动触头行程信息，设置振动采集器采集断路器工作过程中的振动信息，设置分合闸时间采集器采集断路器的分合闸时间，并通过处理器基于采集的分合闸回路电流、储能电机回路电流、转动行程信息、振动信息和分合闸时间判断断路器是否发生机械故障，有效的实现了在断路器工作过程中监测断路器是否发生了机械故障，避免了人工进行检测所带来的大量人工消耗和安全性问题。

可选的，在本发明实施例中，分合闸时间采集器可包括高频信号发生单元和高频信号接收单元，高频信号发生单元与断路器的进线端电连接，高频信号接收单元与断路器的出线端电连接，高频信号发生单元和高频信号接收单元的信号端与处理器电连接。高频信号发生器响应处理器的控制信号向断路器的进线端输出高频信号，高频信号接收器接收断路器的出线端输出的高频信号并反馈至处理器。

其中，本实施例中所述的高频信号发生单元和高频信号接收单元只是其中一种方式，对于高频信号发生单元和高频信号接收单元在本发明实施例中并不限定具体的结构形式，只要能够满足本发明实施例所需的在断路器的进线端加载高频信号，并在断路器的出线端采集输出的高频信号即可。

图1b是本发明实施例一中提供的分合闸时间采集器的电路图。

在具体实现中，如图1b所示，分合闸时间采集器可包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、可调直流电源、第一电压转换单元和第二电压转换单元。

其中，第一电压转换单元的第一输出端与断路器的进线端连接，第二输出端接地，第一输入端与直流电源连接，第二输入端接地；第二电压转换单元的第一输入端与断路器的出线端连接，第二输入端接地，第一电压转换单元的第二输出端接地；第一光电耦合器的输入端与处理器电连接，输出端分别与第一电压转换单元的第一输入端和第二输入端连接，第一光电耦合器响应处理器的高频信号高频接通输出端，使第一电压转换单元输出高频电压信号；第二光电耦合器的输入端与第二电压转换单元的第一输出端和第二输出端电连接，第二光电耦合器的输出端分别与可调直流电源和处理器连接，用于解耦断路器的出线端输出的高频信号，并传输至处理器。

在具体工作中，处理器向第一光电耦合器的输入端输入高频信号，第一光电耦合器内部的二极管则响应该高频信号高频闪烁，第一光电耦合器内部的光敏三极管接收到二极管发出的高频光信号高频通断，进而使第一电压转换单元被高频的短接，进而使第一电压转换单元的输出端输出高频的电压信号加载到断路器的进线端。与断路器的出线端连接的第二电压转换单元接收通过断路器传输过来的电压信号，并将该电压信号转换到第二光耦合器的输入端上，第二光电耦合器内部的二极管响应该高频电压信号高频闪烁，第二光电耦合器内部的光敏三极管接收到二极管发出的高频光信号高频通断，进而使处理器的接收端口被高频拉高电平，也就是使处理器接收到高频的电平信号，从而完成对断路器的合闸状态、分闸状态的监测。

在本发明实施例中，通过在断路器的进线端和出线端设置高频信号发生器和高频信号接收器，在断路器上加载高频电压信号，可实现对断路器的通断时间的准确采集，进而为断路器的故障检测提供可靠的数据依据。

在本发明的一个具体示例中，电流采集器为设置于断路器的分合闸回路和储能电机回路上的霍尔电流传感器；触头行程采集器为安装于断路器的传动连杆上的角速度传感器；振动采集器为设置于断路器上的MEMS振动传感器。需要知道的是，上述的霍尔电流传感器、角速度传感器、MEMS振动传感器只是其中一种实现方式，其还可以是其他能够实现相同功能的器件。

在其他实施例中，断路器故障监测系统还可以包括通信模块、显示模块和存储器。其中，通信模块可将采集到的信号向后台或服务器进行远程上传，从而使得本发明实施例提供的断路器故障监测系统实现远程采集数据。显示模块可将采集到的数据进行显示，以及用于对断路器故障监测系统进行设定时相关参数的设定，存储器则可将采集到的数据进行存储。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种断路器故障监测方法的流程图，本实施例可适用于对断路器的机械性能和故障监控的情况，该方法可以由断路器故障监测装置来执行，该断路器故障监测装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该断路器故障监测装置可配置于实施例一所述的断路器故障监测系统中的处理中。如图2所示，该方法包括：

S210、获取断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间。

对于断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间的获取可藉由上述实施例一提供的断路器故障监测系统进行采集或是其他可实现对分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间采集的设备、系统。在此不对分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间的获取方式进行具体的限定。

S220、基于分合闸回路电流和储能电机电流确定断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障。

分合闸回路电流是断路器重要的机械特性，通过分析分合闸回路的分合闸回路电流时间曲线，可评估分合闸回路电气元件的工作状态，曲线异常可以暴露出分合闸回路开路、短路、线圈铁芯卡涩、线圈弹簧卡涩、机构传动异常等缺陷。通过分析储能电机电流时间曲线，能够判断出断路器当中与储能回路有关的零部件故障，如果在电流峰值发现异常，说明储能电机存在故障；储能时长、储能平均电流出现问题，说明凸轮、储能部件等部分存在故障。

S230、基于动作行程信息确定断路器的触头结构是否存在故障。

根据采集来的动作行程信息，可绘制出断路器的动触头的时间行程曲线，进而计算分合闸速度等。行程曲线异常，或者分合闸速度不符合厂家规范，说明断路器传动连杆或动静触头缺陷。

S240、基于振动信息和分闸时间确定断路器的动作是否存在故障。

断路器在分合闸时，由于动静触头猛烈的撞击，会使断路器本体产生强烈的振动。而正常运行状态下不应有振动，或只有微小的环境振动，称之为固有振动。故障状态下分合闸和正常倒闸操作状态下，分合闸带来的振动信号的特征是稳定的，而断路器本体故障，操作机构卡涩，传动机构故障等异常情况下，其振动信号与正常情况下的振动信号并不相同，因此，可基于振动信息和分闸时间确定断路器的动作是否存在故障。

在本发明实施例中，通过采集断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间，进而判断断路器是否存在故障，可有效的实现对断路器的故障自动化检测，避免人工对断路器进行停电测量数据，然后再进行计算所带来的大量人力劳动，以及可能带来的作业安全问题，并且由于不用人工进行参与数据的采集和计算，有效的提高了检测的精度。

在本发明实施例中，S220可包括：

S221、对采集的所述分合闸回路电流和储能电机电流的时间-电流曲线进行滑动平均滤波处理。

在本发明实施例中，连续的采集断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间，因此，实际得到的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流为与时间关联的时间-电流曲线，而在采集的过程中可能出现误差或其他情况造成较大的波动，使得得到的时间-电流曲线波动性非常大，不利于后续的计算，因此先对时间-电流曲线进行滑动平均滤波处理，以使得得到的时间-电流曲线相对较为平滑，并且滤除部分噪音干扰。

S222、确定分合闸回路电流和储能电机电流的极值和持续时间。

对于分合闸回路电流和储能电机电流的极值获取，可采用离散序列数据差算法实现。具体的，离散序列数据差分算法的定义为：

Δi_k-1＝i_k-i_k-1

若离散序列中序号为k的点满足以下条件，则序号为k的点是一个极大值点。

若离散序列中序号为k的点满足以下条件，则序号为k的点是一个极小值点。

在确定分合闸回路电流和储能电机电流的极值之后，则可基于极值对应的时间点得到分闸和合闸的持续时间。

S223、基于极值和持续时间判断断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障。

在本发明实施例中，获得分合闸回路电流和储能电机电流的极值和持续时间后，则可与正常情况下，或者是之前获取的分合闸回路电流和储能电机电流的极值和持续时间进行对比，进而可判断到断路器的分合闸回路和储能电极回路是否正常工作，以及该异常是持续性的还是短暂性的，相应的作出断路器是否发生故障的判断。

在本发明实施例中，S240可包括：

S241、采用短时能量分析法对振动信息和分闸时间进行处理获得断路器工作过程中的振动的短时能量值和能量分布情况。

在发明实施例中，振动信号能反映高压真空断路器的机械结构及运动状态。在检测过程中，通过分析高压真空断路器振动信号的波形与运动特性的关系，能够判断机械特性状态。例如弹簧力减小、弹簧脱落、主轴卡涩、半轴卡涩等故障都能在振动信号中有所体现。

振动信号具有时变非平稳的特点，普通的FFT算法无法提取信号特征，因此，在本发明实施例中采用短时能量分析法从振动信号提取特征，短时能量法能够增大原始振动信号中的强弱信号的对比，使得强信号更强，弱信号更弱，有利于去除噪声，分离振动事件发生的时刻，提取振动事件信息。

具体的，可采用以下公式计算断路器的短时能量值：

其中，n＝1,2,…,N，S_n为第n个时间点的所述短时能量值，x_n为所述振动信息中的振动幅值，w_n为海明窗函数。

基于上述公式计算获得断路器的振动的短时能量值，进而可获得断路器的短时能量-时间曲线，既表征断路器的能量分布情况。

S242、基于短时能量值和能量分布情况确定断路器的动作是否存在故障。

通过对前述步骤中获得的短时能量-时间曲线与正常情况下的短时能量-时间曲线进行对比，则可能获得断路器中振动异常对应的时间点，以及对应的短时能量值范围，进而判断出断路器的弹簧疲软、机构卡涩、传动异常等故障。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种断路器故障监测装置的结构示意图。如图3所示，该装置包括获取模块31、电流判断模块32、行程判断模块33和振动判断模块34。其中：

获取模块31，用于执行获取断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间；

电流判断模块32，用于执行基于分合闸回路电流和储能电机电流确定断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障；

行程判断模块33，用于执行基于动作行程信息确定断路器的触头结构是否存在故障；

振动判断模块34，用于执行基于振动信息和分闸时间确定断路器的动作是否存在故障。

可选的，电流判断模块32模块包括：

滤波单元，用于执行对采集的所述分合闸回路电流和储能电机电流的时间-电流曲线进行滑动平均滤波处理。

第一计算单元，用于执行确定所述分合闸回路电流和所述储能电机电流的极值和持续时间；

第一判断单元，用于执行基于极值和持续时间判断断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障。

振动判断模块34包括：

第二计算单元，用于执行采用短时能量分析法对振动信息和分闸时间进行处理获得断路器工作过程中的振动的短时能量值和能量分布情况；

第二判断单元，用于执行基于短时能量值和能量分布情况确定断路器的动作是否存在故障。

其中，短时能量值计算公式如下：

其中，n＝1,2,…,N，S_n为第n个时间点的短时能量值，x_n为振动信息中的振动幅值，w_n为海明窗函数。

本发明实施例所提供的断路器故障监测装置可执行本发明任意实施例所提供的断路器故障监测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

实施例四

图4示出了可以用来实施本发明的实施例的电子设备10的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备(如头盔、眼镜、手表等)和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。

如图4所示，电子设备10包括至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器(ROM)12、随机访问存储器(RAM)13等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器(ROM)12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器(RAM)13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 13中，还可存储电子设备10操作所需的各种程序和数据。处理器11、ROM 12以及RAM 13通过总线14彼此相连。输入/输出(I/O)接口15也连接至总线14。

电子设备10中的多个部件连接至I/O接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11执行上文所描述的各个方法和处理，例如断路器故障监测方法。

在一些实施例中，断路器故障监测方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元18。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 12和/或通信单元19而被载入和/或安装到电子设备10上。当计算机程序加载到RAM 13并由处理器11执行时，可以执行上文描述的断路器故障监测方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行断路器故障监测方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、区块链网络和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种断路器故障监测系统，其特征在于，包括电流采集器、触头行程采集器、振动采集器、分合闸时间采集器、模数转换器和处理器，所述电流采集器、所述触头行程采集器和所述振动采集器通过所述模数转换器与所述处理器电连接，所述分合闸时间采集器与所述处理器电连接；

所述电流采集器分别与断路器的分合闸回路和储能电机回路连接，用于采集所述断路器的分合闸回路电流和储能电机回路电流；

所述触头行程采集器与所述断路器的传动连杆连接，用于采集所述传动连杆的转动行程信息；

所述振动采集器设置于所述断路器的本体上，用于采集所述断路器工作过程中的振动信息；

所述分合闸时间采集器的第一采集端和第二采集端分别与所述断路器的进线端和出线端电连接，用于在所述断路器的分合闸回路导通时向所述断路器的所述进线端注入高频信号，并在所述断路器的所述出线端采集所述高频信号，以实现对所述断路器的分合闸时间采集；

所述处理器用于基于所述分合闸回路电流、所述储能电机回路电流、所述转动行程信息、所述振动信息和所述分合闸时间判断所述断路器是否发生机械故障。

2.根据权利要求1所述的断路器故障监测系统，其特征在于，所述分合闸时间采集器包括高频信号发生单元和高频信号接收单元，所述高频信号发生单元与所述断路器的所述进线端电连接，所述高频信号接收单元与所述断路器的所述出线端电连接，所述高频信号发生单元和所述高频信号接收单元的信号端与所述处理器电连接；

所述高频信号发生器响应所述处理器的控制信号向所述断路器的所述进线端输出高频信号，所述高频信号接收器接收所述断路器的所述出线端输出的高频信号并反馈至所述处理器。

3.根据权利要求1所述的断路器故障监测系统，其特征在于，所述分合闸时间采集器包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、可调直流电源、第一电压转换单元和第二电压转换单元；

所述第一电压转换单元的第一输出端与所述断路器的进线端连接，第二输出端接地，第一输入端与直流电源连接，第二输入端接地；

所述第二电压转换单元的第一输入端与所述断路器的出线端连接，第二输入端接地，所述第一电压转换单元的第二输出端接地；

所述第一光电耦合器的输入端与所述处理器电连接，输出端分别与所述第一电压转换单元的第一输入端和第二输入端连接，所述第一光电耦合器响应所述处理器的高频信号高频接通输出端，使所述第一电压转换单元输出高频电压信号；

所述第二光电耦合器的输入端与所述第二电压转换单元的第一输出端和第二输出端电连接，所述第二光电耦合器的输出端分别与所述可调直流电源和所述处理器连接，用于解耦所述断路器的出线端输出的高频信号，并传输至所述处理器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的断路器故障监测系统，其特征在于，所述电流采集器为设置于断路器的分合闸回路和储能电机回路上的霍尔电流传感器；所述触头行程采集器为安装于所述断路器的传动连杆上的角速度传感器；所述振动采集器为设置于所述断路器上的MEMS振动传感器。

5.一种断路器故障监测方法，其特征在于，包括：

获取断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间；

基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障；

基于所述动作行程信息确定所述断路器的触头结构是否存在故障；

基于所述振动信息和所述分闸时间确定所述断路器的动作是否存在故障。

6.根据权利要求5所述的断路器故障监测方法，其特征在于，所述基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障，包括：

确定所述分合闸回路电流和所述储能电机电流的极值和持续时间；

基于所述极值和所述持续时间判断所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障。

7.根据权利要求5所述的断路器故障监测方法，其特征在于，在所述基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障之前，还包括：

对采集的所述分合闸回路电流和储能电机电流的时间-电流曲线进行滑动平均滤波处理。

8.根据权利要求5所述的断路器故障监测方法，其特征在于，所述基于所述振动信息和所述分闸时间确定所述断路器的动作是否存在故障，包括：

采用短时能量分析法对所述振动信息和所述分闸时间进行处理获得所述断路器工作过程中的振动的短时能量值和能量分布情况；

基于所述短时能量值和所述能量分布情况确定所述断路器的动作是否存在故障。

9.根据权利要求8所述的断路器故障监测方法，其特征在于，采用以下公式计算所述短时能量值：

其中，n＝1,2,…,N，S_n为第n个时间点的所述短时能量值，x_n为所述振动信息中的振动幅值，w_n为海明窗函数。

10.一种断路器故障监测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于执行获取断路器的分合闸回路的分合闸回路电流、储能电机回路的储能电机电流、动触头的动作行程信息、振动信息和分闸时间；

电流判断模块，用于执行基于所述分合闸回路电流和所述储能电机电流确定所述断路器的分闸结构和储能结构是否存在故障；

行程判断模块，用于执行基于所述动作行程信息确定所述断路器的触头结构是否存在故障；

振动判断模块，用于执行基于所述振动信息和所述分闸时间确定所述断路器的动作是否存在故障。

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