CN115602483A - 一种断路器电寿命监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器电寿命监测装置，包括电源系统，所述电源系统的输出端分别连接电流传感器、声传感器、电压传感器、模数转换器、数字隔离器和微控制器的输入端；所述电流传感器、声传感器和电压传感器的输出端均连接模数转换器的输入端；所述模数转换器的输出端依次连接数字隔离器和微控制器的输入端，所述微控制器的输出端连接信息获取单元的输入端。通过各个传感器的配合，可以对断路器的多维度信息进行采集，信号采集的准确性和可靠性更高，保证断路器运行的安全性和可靠性。

Description

一种断路器电寿命监测装置

技术领域

本发明属于电路监测技术领域，涉及一种断路器电寿命监测装置。

背景技术

高压断路器作为电力系统中一种重要的设备，其故障诊断技术具有重要意义。断路器在分合闸过程中会产生剧烈动作，由于断路器的机械结构比较复杂，传动机构众多，因此在其动作过程中的不同阶段会产生多源的声音、电流、电压传感器等，目前的断路器检测装置在监测时面对断路器多维度信息的融合度低，很难将多种维度的信息进行结合，如：断路器分合闸线圈电流、断路器动作声音、断路器电压传感器等，这就降低了信息诊断的准确性和可靠性。因此，本发明提出一种六氟化硫断路器电寿命监测装置，以获取断路器的多维度信息。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中多种维度信息融合难、信息诊断准确性和可靠性差的问题。通过提供一种断路器电寿命监测装置，实现对断路器的多维度信息的有效采集，从而显著提升信号采集的准确性和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种断路器电寿命监测装置，包括电源系统(10)，所述电源系统(10)的输出端分别连接电流传感器、声传感器、电压传感器、模数转换器(14)、数字隔离器(15)和微控制器(16)的输入端；

所述电流传感器、声传感器和电压传感器的输出端均连接模数转换器(14)的输入端；

所述模数转换器(14)的输出端依次连接数字隔离器(15)和微控制器(16)的输入端，所述微控制器(16)的输出端连接信息获取单元的输入端。

本发明的进一步改进在于：

所述信息获取单元包括通讯模块和存储模块；

所述微控制器(16)的输出端分别连接通讯模块和存储模块的输入端。

所述电流传感器和声传感器均通过滤波器连接模数转换器(14)。

所述电源系统(10)、数模转换器(14)数字隔离器(15)和微控制器(16)均设置在电路板上；

所述电路板上开设有与电流传感器、声传感器、电压传感器和信息获取单元对应连接的接口。

还包括屏蔽外壳，所述电路板设置在屏蔽外壳的内部。

所述屏蔽外壳的材质为铁板、铜板、镀锌铁板或铝板。

所述屏蔽外壳的厚度为0.2-1mm。

所述屏蔽外壳上开设有通孔。

所述通孔的直径为2-5mm。

所述屏蔽外壳上设置有接地点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种断路器电寿命监测装置，本发明公开的装置通过电流传感器、声传感器和电压传感器传感器对断路器的多种微信号进行采样，并依次通过模数转换器、数字隔离器和微控制器将采样的信号转化为数字信号，并通过信息获取单元获取最终的数字信号。通过各个传感器的配合，实现对断路器的多维度信息的有效采集。信号采集的准确性和可靠性更高，保证了断路器运行的安全性和可靠性更高。

进一步的，本发明中，电流传感器和声传感器均通过滤波器连接模数转换器，通过滤波器对传输信号中的干扰噪声进行滤除。

进一步的，本发明中，电路板外围设置有屏蔽外壳，主要用于屏蔽电磁干扰。

进一步的，本发明中，在屏蔽外壳上开设有通孔，便于对壳体内部进行散热。

进一步的，本发明中，屏蔽外壳的厚度为0.2-1mm，提高对电场、磁场的屏蔽作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例示出的该装置布置的流程图；

图2是本发明实施例示出的该装置电路部分的组成结构图；

图3是本发明实施例示出的多种传感器的安装示意图；

图4是本发明实施例示出的对装置进行电磁防护的流程图；

图5是本发明实施例示出的屏蔽层的开孔示意图；

图6是本发明实施例示出的接地方案示意图；

图7是本发明实施例示出的防漏电方案中保护环方案示意图；

图8是本发明实施例示出的防漏电方案中聚四氟乙烯接线柱示意图；

图9是本发明实施例示出的一次声信号采样数据示意图；

图10是本发明实施例示出的一次线圈电流采样数据示意图；

图11是本发明实施例示出的一次断口电压采样数据示意图；

图12是本发明实施例示出的一次主回路电流采样数据示意图。

其中：10-电源系统；11-电流传感器接口；12-声传感器接口；13-电压信号接口；14-模数转换器；15-数字隔离器；16-微控制器；17-通讯模块接口；18-存储模块接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种断路器电寿命监测装置，包括电源系统10；电流传感器接口11；声传感器接口12；电压信号接口13；模数转换器14；数字隔离器15；微控制器16；通讯模块和存储模块18。

本发明实施例包括电源系统10，电源系统10的输出端分别连接电流传感器、声传感器、电压传感器、模数转换器14、数字隔离器15和微控制器16的输入端；所述电流传感器、声传感器和电压传感器的输出端均连接模数转换器14的输入端；所述模数转换器14的输出端依次连接数字隔离器15和微控制器16的输入端，所述微控制器16的输出端连接信息获取单元的输入端。

进一步的，本发明实施例中，电源系统10、数模转换器14、数字隔离器15和微控制器16均设置在电路板上，在电路板上开设有电流传感器接口11，电流传感器接口11包括电流传感器电压接口和电流信号输入接口，电流传感器电压接口用于连通电源系统10和电流传感器，电流传感通过电流信号输入接口依次连通二阶低通滤波器和数模转换器14，电流传感器测量的电流转换为电压信号后，送入二阶低通滤波器，进一步再将信号传输至数模转换器14，电流传感器电压接口包括+15V电压接口和-15V电压接口。

进一步的，本发明实施例中，在电路板上还开设有声传感器接口12，声传感器接口12包括声传感器电压接口和模拟信号输入接口，声传感器接口12通过声传感器电压接口连接电源系统10，声传感器通过模拟信号输入接口连接声传感器和二阶低通滤波器14，声传感器测量的模拟信号送入二阶低通滤波器，进一步再传输至模数转换器14，声传感器电压接口包括5V电压接口和0V电压接口。

进一步的，本发明实施例中，在电路板上还开设有电压信号接口13，电压信号接口13包括5V电压接口、0V电压接口和断口电压信号接口，电压传感器通过5V电压接口和0V电压接口连接电源系统10，电压传感器通过断口电压信号接口与模数转换器14连接，模数转换器14的输出端与数字隔离器15相连接，将模拟信号转换为数字信号。

进一步的，本发明实施例中，模数转换器14通过数字隔离器15连接微控制器16，进行数字信号的隔离，微控制器16与数字隔离器15相连，按照既定采样频率定时进行采样。

进一步的，本发明实施例中，在电路板上还开设有通讯模块接口17和存储模块接口18，对采集的数据进行上传与存储。

进一步的，本发明实施例中，电源系统10由多级DC-DC电源模块组成，输入为9-18V直流电压，其中对模数转换器14和数字隔离器15的输出电压均为5V，对微控制器16的输出电压为+3.3V。

本发明实施例公开的装置具体应用包括以下步骤：

将本发明实施例公开的装置安装在断路器的相关位置；

装置进行电磁兼容防护，设置电磁防护以抑制电磁噪声在空间中的传播，切断辐射电磁噪声的传播途径；

信号的触发、采集、存储与传输。

进一步的，将本发明实施例公开的装置安装在断路器的相关位置；

参见图3，本发明实施例公开的监测装置中将电流传感器耦合于断路器机构箱中的分合闸线圈，声传感器可无接触式安装于断路器机构侧，电压传感器安装于断路器断口两端，各传感器通过导线连接到本发明公开的装置的传感器接口处，本装置的电路板可设置在断路器的机柜箱中

进一步的，对装置进行电磁兼容防护：

首先，设置屏蔽材料：

本实施例利用金属材料的趋肤效应来实现屏蔽，主要选择适用于电力设备的金属材料，在选择屏蔽机箱的使用材料时，不但要选择具有高导电性能的材料，而且需要具有足够的厚度，以便获得最低频率下屏蔽性能。

本发明实施例根据传感器的具体使用场景，选择铁板、铜板、镀锌铁板和铝板作为屏蔽机箱的使用材料，厚度选择为适用于变电站电磁环境的0.2～1mm。上述金属材料对电场、磁场的屏蔽作用效果大于100dB，例如，0.2mm的铜板在10Hz到30GHz频率之间的屏蔽效果大于160dB。

屏蔽材料为金属外壳，套在电路板的外部。

其次，设置屏蔽层上的开孔和接缝：

在设计屏蔽层上的开孔时，主要考虑如下三个因素：(a)干扰电场和磁场的波阻抗；(b)干扰电场和磁场的频率；(c)开孔的最大尺寸。

参见图5，在选择屏蔽材料的开孔时，能够用小孔的尽量选择小孔，同时尽量增加小孔之间的距离，在不同面板的结合处产生的接缝用导电的材料压紧，以尽量减小接缝处产生的漏磁。

小孔即开设在屏蔽外壳上的通孔，小孔的直径尽可能小，可缩短感应电流流过路径，提高屏蔽效果，本发明实施例公开的小孔的直径为2mm-5mm。

进一步，设置电路接地：

参见图6，根据传感器的实际空间结构部署，可选择串行单点接地或并行多点接地，具体实施安装的原则为：对于安装在操作机构等离一次电流较远的设备，采用串行接地；对于安装在一次导体附近的设备，为了防止地电位抬升，选择并行接地，图中接地点1、接地点2、接地点3是防护外壳与内部接地电位上的连接点。

进一步，设置防漏电方案：

本装置通过增加电路板表面的绝缘电阻或者使泄漏电流在流入信号输入引脚之前将其引入到别的回路来抑制漏电流，采用保护环和聚四氟乙烯接线柱来抑制泄漏电流，如图7所示，在采用保护环和聚四氟乙烯接线柱的防泄漏电流技术中，保护环的电位要设计成与输入端相同，以保证无论外部环境处于什么情况，流入放大器输入引脚的泄露电流最小。

参见图7，保护环被设计为半球形，罩在输入端接线柱外，接线柱与传感器模拟输出信号线相连接，保护环与输入端地电位保持等电位，以使泄漏电流被引入到别的回路中；参见图8，输入端接线柱与印刷电路板之间的连接处使用聚四氟乙烯材料进行包裹，以提高电路板表面的绝缘电阻。

进一步的，设置电路板级抗电磁干扰：

本装置在设计PCB时，采用系统设计的方案来提升PCB的抗电磁干扰性能，对于PCB设计，遵循如下设计原则：

(a)分配单独的电源层和地层，可以很好的抑制固有共模干扰，并减小点源阻抗；

(b)电源平面和接地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上；

(c)在不同层内对数字电路和模拟电路进行布局；

(d)布线层最好与整块金属平面相邻；

(e)时钟电路和高频电路是主要的干扰源，应单独处理

对于PCB的布局，遵循如下设计原则：

(a)按照电路信号的流程来安排各功能电路单元，使信号流通保持方向一致；

(b)以每个功能电路单元核心元件为中心，别的元件围绕它进行布局；

(c)尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减小它们的分布参数；

(d)易受干扰的元器件相互间不能太近，输入输出元件要远离；

(e)对于电源线、高频信号线和一般走线之间要防止相互耦合。

对于PCB布线，遵循如下设计原则：

(a)输入输出端的导线尽量避免相邻长距离的平行；为减少长平行走线的串扰，可增大线条间距，或走线间插入地线；

(b)线路板上的宽度不要突变，导线不要突然拐角，尽可能保持线路阻抗的连续，印制传输线拐弯处一般走圆弧或135度角；

(c)特别注意高频电路的电源和地线分配问题；

(d)减小电流流通过程的导线环路面积，这是因为载流回路对外的辐射与通过电流、环路面积和信号频率成正比；

(e)线路板插头上多安排彼此分散的地线输入脚，有助于减少线路板插脚配线的环路面积及地线阻抗；

(f)减少导线的长度，增加导线的宽度，有利于减少导线的阻抗。

本装置在具体的实施例中，参见图9-图12，该系统可通过所有模拟通道进行采样触发，采样数据可溯回出发点之前10000采样点，缓存空间具有2MB空间，采样完毕后，可通过通讯接口进行上传，或使用USB接口进行存储。本实施例给出一个采样实例，以电流传感器接口11的信号作为触发信号，同步采集电流传感器接口11、声传感器接口12、电压信号接口13，并进行存储，通过数据读取后的采样数据。

本发明实施例主要用于高压六氟化硫断路器的电寿命监测场景，其适用于高压情况下的在线监测场景，本发明可有效屏蔽高压场中的复杂电磁环境，并有效对待测信号进行采样、存储与发送，经上述多种电磁屏蔽方案的改进后，该发明在高压环境下的实测中取得了如参见图9-图12所示的测试结果，证明了本发明的有效性，对高压断路器在线监测的需求具有相当高的应用价值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，包括电源系统(10)，所述电源系统(10)的输出端分别连接电流传感器、声传感器、电压传感器、模数转换器(14)、数字隔离器(15)和微控制器(16)的输入端；

所述电流传感器、声传感器和电压传感器的输出端均连接模数转换器(14)的输入端；

所述模数转换器(14)的输出端依次连接数字隔离器(15)和微控制器(16)的输入端，所述微控制器(16)的输出端连接信息获取单元的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述信息获取单元包括通讯模块和存储模块；

所述微控制器(16)的输出端分别连接通讯模块和存储模块的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述电流传感器和声传感器均通过滤波器连接模数转换器(14)。

4.根据权利要求1所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述电源系统(10)、数模转换器(14)数字隔离器(15)和微控制器(16)均设置在电路板上；

所述电路板上开设有与电流传感器、声传感器、电压传感器和信息获取单元对应连接的接口。

5.根据权利要求4所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，还包括屏蔽外壳，所述电路板设置在屏蔽外壳的内部。

6.根据权利要求5所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳的材质为铁板、铜板、镀锌铁板或铝板。

7.根据权利要求6所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳的厚度为0.2-1mm。

8.根据权利要求5所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳上开设有通孔。

9.根据权利要求8所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述通孔的直径为2-5mm。

10.根据权利要求5所述的一种断路器电寿命监测装置，其特征在于，所述屏蔽外壳上设置有接地点。

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