CN115541206A - 一种隔离开关机械特性分析仪及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隔离开关机械特性分析仪，涉及变电站技术领域，包括：核心处理单元，包括主控芯片和数据存储器，用于接收、存储信息并对信息进行分析处理；故障诊断模块，用于隔离开关的测量数据分析，并将诊断结果传送到主控芯片；电机电流测量模块，设置于驱动电机的控制回路上用于采集隔离开关操动机构中的电机电流；力矩测量模块，设置于手动手柄上用于获取隔离开关操作杆扭矩信号；转角测量模块，设置于隔离开关操作机构箱上用于采集隔离开关转动角度信号；人机交互模块、计时器和基础数据库。本发明还提供一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法。本发明可应用于不同类型的隔离开关的机械特性分析。

Description

一种隔离开关机械特性分析仪及其诊断方法

技术领域

本发明涉及变电站技术领域，具体涉及一种隔离开关机械特性分析仪及其诊断方法。

背景技术

高压隔离开关在电力系统中应用广泛，其主要作用是无负荷时开合线路，形成明显断口，保证运维人员的人身安全。由于开关结构简单，造价较低，其调试维护未受到充分重视，导致隔离开关故障率较高。目前的隔离开关检修标准中，列举的主要故障类型有传动部件损坏、分合闸动作不到位、导电回路过热绝缘子损坏以及保护控制回路故障。量化的检测标准有运行过程中的红外测温技术、检修过程中的导电回路电阻测量、绝缘子超声波探伤等。

针对占比较大的机械故障暂无量化的检测标准。目前的人工经验检修方式难以在有限的时间内，做出准确量化的判断。因此有必要开展隔离开关机械状态检测技术相关方面的研究，从而有效快速地判断其机械状态，提升检修人员的工作效率。

现有技术一基于隔离开关机构箱内电机电流、力矩和转角等信息对机械特性进行分析。由于不同机械状态下的操作力矩-转角曲线存在明显差别，当隔离开关机械状态改变时，其动作过程操作力矩会发生相应的改变，通过利用曲线特性如操作杆转动的角度、典型波峰波谷的数量、峰值、位置、力矩均值/极值等对各机械状态加以分析，确定隔离开关机械特性状态。

现有技术主要存在以下问题：

1.不同型号、厂家的机构箱内传动机构与导电臂存在差异，不同结构会导致电机电流、力矩和转角变化特性存在差异，如GW4型隔离开关与单臂垂直伸缩型隔离开关的力矩随动作行程的变化规律就并不具有通用性；

2.现有机械特性分析方法需对比隔离开关不同状态(如正常、卡涩或三相不同期等)下、或对同组隔离开关不同相之间进行对比，导致机械特性检测的实施过程须依赖大量的隔离开关的特征曲线。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提供一种隔离开关机械特性分析仪。能够通过电机电流、力矩、转角等曲线的参数直观的描述隔离开关机械特性变化规律，实现对隔离开关机械状态的评估，可对不同类型隔离开关的机械状态进行分析。

本发明提出的技术方案为：

一种隔离开关机械特性分析仪，包括：

核心处理单元，包括主控芯片和数据存储器，用于接收、存储信息并对信息进行分析处理；

故障诊断模块，用于隔离开关的测量数据分析，并将诊断结果传送到主控芯片；

电机电流测量模块，设置于驱动电机的控制回路上用于采集隔离开关操动机构中的电机电流；

力矩测量模块，设置于手动手柄上用于获取隔离开关操作杆扭矩信号；

转角测量模块，设置于隔离开关操作机构箱上用于采集隔离开关转动角度信号；

人机交互模块，用于通过试验人员在液晶屏上的进行操作选择，并将参数、试验数据、诊断结果信息显示在液晶屏上，将有效数据存储入基础数据库，优化模型，提供用户的查询和分析服务；

计时器，用于为测量数据提供时间序列，以及保留数据检测时间，已备查询数据；

基础数据库，用于对隔离开关的电机电流、力矩和转角数据进行存储。

作为本发明的进一步技术方案为，所述电机电流测量模块，包括在驱动电机的控制回路安装的霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的采样频率不低于 2kHz，量程范围：0～5A。

作为本发明的进一步技术方案为，所述力矩测量模块，包括手动手柄及安装在手动手柄操作处的电阻应变片，所述电阻应变片的采样频率不低于150Hz，量程范围：±15Nm。

作为本发明的进一步技术方案为，所述转角测量模块，包括安装在隔离开关操作机构箱与导电臂间连接的传动部件的光电传感器，所述光电传感器的采样频率不低于150Hz，量程范围：±180°。

本发明还提供一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，包括以下步骤：

通过隔离开关操作机构箱控制隔离开关分合闸，结合数据采集装置测量并记录隔离开关单次动作过程的力矩、电流及转角变化情况；

根据力矩传感器及转角传感器测量结果，绘制力矩-转角曲线，记录单次动作过程中的力矩最大值，并求解单次动作过程中力矩的平均值及有效值；

根据电流传感器测量结果，绘制电机电流曲线，记录单次动作过程中的电机电流最大值，并求解单次动作过程中电机电流的平均值及有效值；

计算力矩有效值与平均值的比值，并将其定义为力矩曲线系数；

计算电机电流有效值与平均值的比值，并将其定义为电流曲线系数；

根据力矩曲线系数与电流曲线系数的取值情况，判断隔离开关的运行状态；

根据隔离开关的运行状态及故障诊断模块分析故障原因并通过人机交互模块显示；

所述电机电流测量模块、转角测量模块和力矩测量模块的输出端连接核心处理单元，所述核心处理单元与基础数据库连接，所述核心处理单元与故障诊断模块连接，所述故障诊断模块与人机交互界面连接；所述核心处理单元还连接计时器。

作为本发明的进一步技术方案为，所述根据隔离开关的运行状态及故障诊断模块分析故障原因并通过人机交互模块显示；具体包括：

根据隔离开关的运行状态判断有故障时，故障诊断模块给出故障原因，通过人机交互模块，选择基础数据库中的故障数据类型，利用自动识别算法对比电机电流、力矩-转角曲线，得出具体部位的故障原因。

作为本发明的进一步技术方案为，根据力矩曲线系数和电流曲线系数的取值情况，判断隔离开关的运行状态；具体为：

若力矩曲线系数和电流曲线系数在阈值设定要求，则隔离开关运行状态正常；若力矩曲线系数和电流曲线系数在阈值设定要求外，则根据其数值分布区间判断是否存在三相合闸不同期或卡涩。

作为本发明的进一步技术方案为，所述阈值设定要求为若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±5％内波动则表明隔离开关运行状态正常；若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±10％内波动则表明隔离开关存在三相不同期故障，若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±20％内波动则表明隔离开关存在卡涩故障。

作为本发明的进一步技术方案为，还包括：单次测量结果存在局部数据异常情况，具体为：当单次动作过程中的力矩最大值或单次动作过程中的电机电流最大值超出基础数据库的±50％，则为异常数据，需重新试验。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种隔离开关机械特性分析仪，通过电机电流测量模块、力矩测量模块和转角测量模块对隔离开关的电流、力矩和转角信息进行监测，获取电流、力矩和转角的特征值(包括平均值，最值和拟合曲线公式等)，并对特征值进行量化，通过分析定量描述隔离开关的机械状态，可应用于不同类型的隔离开关的机械特性分析。

附图说明

图1为本发明提出的一种隔离开关机械特性分析仪结构图；

图2为本发明提出的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法流程图。

图3为本发明提出的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法实施例流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明针对不同类型、型号的隔离开关，分别利用其电机电流、力矩、转角等曲线提取特征值(如平均值、最值、拟合曲线公式等)，将各特征值进行量化，定量描述隔离开关机械状态，有效替代传统诊断方法，解决了多类型隔离开关机械特性分析仪不通用问题，无需依赖大量的特征曲线对检测数据进行判别。

参见图1，一种隔离开关机械特性分析仪，包括：

核心处理单元，包括主控芯片和数据存储器，用于接收、存储信息并对信息进行分析处理；

故障诊断模块，用于隔离开关的测量数据分析，并将诊断结果传送到主控芯片；

电机电流测量模块，设置于驱动电机的控制回路上用于采集隔离开关操动机构中的电机电流；

力矩测量模块，设置于手动手柄上用于获取隔离开关操作杆扭矩信号；

转角测量模块，设置于隔离开关操作机构箱上用于采集隔离开关转动角度信号；

人机交互模块，用于通过试验人员在液晶屏上的进行操作选择，并将参数、试验数据、诊断结果信息显示在液晶屏上，将有效数据存储入基础数据库，优化模型，提供用户的查询和分析服务；

计时器，用于为测量数据提供时间序列，以及保留数据检测时间，已备查询数据；

基础数据库，用于对隔离开关的电机电流、力矩和转角数据进行存储；

所述电机电流测量模块、转角测量模块和力矩测量模块的输出端连接核心处理单元，所述核心处理单元与基础数据库连接，所述核心处理单元与故障诊断模块连接，所述故障诊断模块与人机交互界面连接；所述核心处理单元还连接计时器。

本发明提供的一种隔离开关机械特性分析仪，通过电机电流测量模块、力矩测量模块和转角测量模块对隔离开关的电流、力矩和转角信息进行监测，获取电流、力矩和转角的特征值(包括平均值，最值和拟合曲线公式等)，并对特征值进行量化，通过分析定量描述隔离开关的机械状态，可应用于不同类型的隔离开关的机械特性分析。

基础数据库为核心处理单元提供隔离开关的运行状态的参考范围，为隔离开关的状态提供对比数据，从而判断隔离开关的运行状态；主控芯片可采用 DSP28355型号的控制芯片，通过电机电流测量模块、力矩测量模块和转角测量模块对待监测的隔离开关的电机电流、力矩和转角信息进行监测，并传输至核心处理单元的主控芯片，通过主控芯片对电机电流、力矩和转角进行数据分析和处理，得到电流曲线系数和力矩曲线系数，通过故障监测模块对电流曲线系数和力矩曲线系数进行分析，判断隔离开关的运行状态是否出现故障，并通过人机交互界面进行显示。

本发明实施例中，基础数据库中用于存储隔离开关的电机电流、力矩及转角范围数据，可适用于不同型号的隔离开关，对隔离开关的监测可根据具体设置环境进行监测模块的安装，对于具体的安装位置不做限制，以能够实现对隔离开关的电机电流、力矩及转角的数据监测为准。

隔离开关机构箱内设置电机、手动把手操作孔和电动控制开关，在隔离开关机构箱内设置用于监测电机电流的电机电流测量模块，力矩测量模块设置于手动把手或手动把手操作处，转角测量模块设置与隔离开关操作机构箱与主动侧导电臂、从动侧导电臂、交叉连杆、详见连杆或操作杆的联动部件上，用于对隔离开关的转动角度进行监测。

其中，对电机电流监测的电机电流测量模块，可以是在驱动电机的控制回路安装的霍尔电流传感器，本发明实施例中，霍尔电流传感器的采样频率不低于2kHz，量程范围：0～5A。

对力矩监测的力矩测量模块，包括手动手柄及安装在手动手柄操作处的电阻应变片，本发明实施例中，电阻应变片的采样频率不低于150Hz，量程范围：±15Nm。

对转角监测的转角测量模块，包括安装在隔离开关操作机构箱与导电臂间连接的传动部件的光电传感器，本发明实施例中，光电传感器的采样频率不低于150Hz，量程范围：±180°。

参见图2，本发明还提供一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过隔离开关操作机构箱控制隔离开关分合闸，结合数据采集装置测量并记录隔离开关单次动作过程的力矩、电流及转角变化情况；

步骤S2，根据力矩传感器及转角传感器测量结果，绘制力矩-转角曲线，记录单次动作过程中的力矩最大值，并求解单次动作过程中力矩的平均值及有效值；

步骤S3，根据电流传感器测量结果，绘制电机电流曲线，记录单次动作过程中的电机电流最大值，并求解单次动作过程中电机电流的平均值及有效值；

步骤S4，计算力矩有效值与平均值的比值，并将其定义为力矩曲线系数；

步骤S5，计算电机电流有效值与平均值的比值，并将其定义为电流曲线系数；

步骤S6，根据力矩曲线系数与电流曲线系数的取值情况，判断隔离开关的运行状态；

步骤S7，根据隔离开关的运行状态及故障诊断模块分析故障原因并通过人机交互模块显示。

本发明实施例中，对于隔离开关单次动作过程为一次分闸或合闸动作过程。

在步骤S6中，根据力矩曲线系数和电流曲线系数的取值情况，判断隔离开关的运行状态；具体为：

若力矩曲线系数和电流曲线系数在阈值设定要求，则隔离开关运行状态正常；若力矩曲线系数和电流曲线系数在阈值设定要求外，则根据其数值分布区间判断是否存在三相合闸不同期或卡涩。

其中，对于阈值设定要求可根据具体安装位置和隔离开关的型号进行设定，优选的，阈值设定要求为若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±5％内波动则表明隔离开关运行状态正常；若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±10％内波动则表明隔离开关存在三相不同期故障，若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±20％内波动则表明隔离开关存在卡涩故障。

在步骤S7中，根据隔离开关的运行状态及故障诊断模块分析故障原因并通过人机交互模块显示；具体包括：

根据隔离开关的运行状态判断有故障时，故障诊断模块给出故障原因，通过人机交互模块，选择基础数据库中的故障数据类型，利用自动识别算法对比电机电流、力矩-转角曲线，得出具体部位的故障原因。

在隔离开关机械特性分析仪诊断过程中，还存在测量结构存在数据异常情况，如单次测量结果存在局部数据异常时，可通过多次测量验证测量结果的重复性，选取最优测量结果作为计算输入。对此单次测量结果存在局部数据异常情况，可定义为，当单次动作过程中(分闸或合闸)的力矩最大值或单次动作过程中的电机电流最大值超出基础数据库的±50％，则为异常数据，需重新试验。

参见图3，本发明提供的隔离开关机械特性分析仪诊断方法，具体诊断流程如下，系统启动，隔离开关机械特性分析仪开始工作，力矩测量模块和转角测量模块获取力矩和转角信息并绘制力矩-转角曲线，根据力矩-转角曲线计算力矩-转角特征值，电机电流测量模块获取电机电流信息并绘制电机电流曲线，根据电机电流曲线计算电机电流特征值，根据力矩-转角特征值和电机电流特征值判断特征值是否符合要求，如果符合，则设备为运行状态正常，如果不符合，则根据特征值判断故障类型并输出故障类型，诊断结束。

本发明提供的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，可对不同类型、型号的隔离开关机械特性分析提供依据，替代传统故障诊断方法中采用的相间、不同间隔对比法，解决了需要大量收集正常运行状态或故障运行状态下隔离开关变化数据的问题。

本发明实施例中的力矩测量模块、转角测量模块、电机电流测量模块的安装位置及参数要求不唯一，可更换位置重新测量，分析。力矩测量模块、转角测量模块、电机电流测量模块各传感器的使用方案也可以根据设备现场或安装要求进行选择，对于力矩测量模块、转角测量模块、电机电流测量模块选用的传感器，也可以根据设计要求或现场情况选择，以能实现本发明实施例中所具有的功能为准。

以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种隔离开关机械特性分析仪，其特征在于，包括：

核心处理单元，包括主控芯片和数据存储器，用于接收、存储信息并对信息进行分析处理；

故障诊断模块，用于隔离开关的测量数据分析，并将诊断结果传送到主控芯片；

电机电流测量模块，设置于驱动电机的控制回路上用于采集隔离开关操动机构中的电机电流；

力矩测量模块，设置于手动手柄上用于获取隔离开关操作杆扭矩信号；

转角测量模块，设置于隔离开关操作机构箱上用于采集隔离开关转动角度信号；

人机交互模块，用于通过试验人员在液晶屏上的进行操作选择，并将参数、试验数据、诊断结果信息显示在液晶屏上，将有效数据存储入基础数据库，优化模型，提供用户的查询和分析服务；

计时器，用于为测量数据提供时间序列，以及保留数据检测时间，已备查询数据；

基础数据库，用于对隔离开关的电机电流、力矩和转角数据进行存储；

所述电机电流测量模块、转角测量模块和力矩测量模块的输出端连接核心处理单元，所述核心处理单元与基础数据库连接，所述核心处理单元与故障诊断模块连接，所述故障诊断模块与人机交互界面连接；所述核心处理单元还连接计时器。

2.根据权利要求1所述的一种隔离开关机械特性分析仪，其特征在于，所述电机电流测量模块，包括在驱动电机的控制回路安装的霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的采样频率不低于2kHz，量程范围：0～5A。

3.根据权利要求1所述的一种隔离开关机械特性分析仪，其特征在于，所述力矩测量模块，包括手动手柄及安装在手动手柄操作处的电阻应变片，所述电阻应变片的采样频率不低于150Hz，量程范围：±15Nm。

4.根据权利要求1所述的一种隔离开关机械特性分析仪，其特征在于，所述转角测量模块，包括安装在隔离开关操作机构箱与导电臂间连接的传动部件的光电传感器，所述光电传感器的采样频率不低于150Hz，量程范围：±180°。

5.一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，采用如权利要求1-4所述的一种隔离开关机械特性分析仪，其特征在于，包括以下步骤：

通过隔离开关操作机构箱控制隔离开关分合闸，结合数据采集装置测量并记录隔离开关单次动作过程的力矩、电流及转角变化情况；

根据力矩传感器及转角传感器测量结果，绘制力矩-转角曲线，记录单次动作过程中的力矩最大值，并求解单次动作过程中力矩的平均值及有效值；

根据电流传感器测量结果，绘制电机电流曲线，记录单次动作过程中的电机电流最大值，并求解单次动作过程中电机电流的平均值及有效值；

计算力矩有效值与平均值的比值，并将其定义为力矩曲线系数；

计算电机电流有效值与平均值的比值，并将其定义为电流曲线系数；

根据力矩曲线系数与电流曲线系数的取值情况，判断隔离开关的运行状态；

根据隔离开关的运行状态及故障诊断模块分析故障原因并通过人机交互模块显示。

6.根据权利要求5所述的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，其特征在于，所述根据隔离开关的运行状态及故障诊断模块分析故障原因并通过人机交互模块显示；具体包括：

根据隔离开关的运行状态判断有故障时，故障诊断模块给出故障原因，通过人机交互模块，选择基础数据库中的故障数据类型，利用自动识别算法对比电机电流、力矩-转角曲线，得出具体部位的故障原因。

7.根据权利要求5所述的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，其特征在于，根据力矩曲线系数和电流曲线系数的取值情况，判断隔离开关的运行状态；具体为：

若力矩曲线系数和电流曲线系数在阈值设定要求，则隔离开关运行状态正常；若力矩曲线系数和电流曲线系数在阈值设定要求外，则根据其数值分布区间判断是否存在三相合闸不同期或卡涩。

8.根据权利要求7所述的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，其特征在于，所述阈值设定要求为若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±5％内波动则表明隔离开关运行状态正常；若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±10％内波动则表明隔离开关存在三相不同期故障，若力矩曲线系数、电流曲线系数在基础数据库的±20％内波动则表明隔离开关存在卡涩故障。

9.根据权利要求5所述的一种隔离开关机械特性分析仪诊断方法，其特征在于，还包括：单次测量结果存在局部数据异常情况，具体为：当单次动作过程中的力矩最大值或单次动作过程中的电机电流最大值超出基础数据库的±50％，则为异常数据，需重新试验。

Images