CN116625667B - 一种10kV真空断路器的机械特性在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备故障监测技术领域，具体公开了一种10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，包括以下步骤：步骤1，安装于真空断路器的角位移传感器实时采集角度数据，并得到角度变化曲线；步骤2，绘制真空断路器的操作机构在分闸位置和合闸位置之间的运行轨迹图；步骤3，根据角度数据和运行轨迹图，利用三角形几何关系计算得到操作机构的触头的行程，并绘制出合闸行程曲线和分闸行程曲线；步骤4，基于合闸行程曲线和分闸行程曲线计算机械特性参数。本发明基于三角形几何关系即可计算得到操作机构的触头的行程，得到行程曲线，继而基于行程曲线获得机械特性参数，不仅计算过程简单，而且安全可靠。

Description

一种10kV真空断路器的机械特性在线监测方法

技术领域

本发明涉及电力设备故障监测技术领域，尤其涉及一种10kV真空断路器的机械特性在线监测方法。

背景技术

开关柜（switchgear）是一种电气设备，其主要作用是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。断路器是开关柜中的重要部件，对断路器的机械性能进行监测及维护是保障开关柜安全运行的重要手段。

当前的断路器机械特性监测方法大多采用离线监测方法，即在断路器出厂前，对断路器合、分闸速度、合分闸时间等机械特性进行一次性监测，还有少数采用在断路器真空泡内安装直线位移传感器，将合闸回路、分闸回路、储能回路接入监测装置，实现在线监测的技术。离线监测方法的缺点是无法对断路器后期的使用进行跟踪监测分析，而直线位移传感器方案的缺点是传感器安装难度高，并且改变了断路器的原有结构设计，可能会破坏断路器真空泡的真空度，将分合闸回路接入监测装置存在一定安全隐患，属于侵入式设计。申请号为201910821330.X的中国发明提供了一种断路器机械特性测试装置及方法，该方法可以实现非侵入式在线监测，但是该方法依赖于高精度图像，不仅计算过程复杂，而且监测结果的准确度依赖于图像的精度，而图像易受环境和天气影响，因此可靠性不高。

发明内容

为了改善现有在线监测技术存在的计算过程复杂的缺陷，提供一新的在线监测方法，即10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，既能降低运算过程的复杂度，又能提高可靠性。

为实现上述目的，本发明：

一种10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1，安装于真空断路器的角位移传感器实时采集角度数据，并得到角度变化曲线；

步骤2，绘制真空断路器的操作机构在分闸位置和合闸位置之间的运行轨迹图；

步骤3，根据角度数据和运行轨迹图，利用三角形几何关系计算得到操作机构的触头的行程，并绘制出合闸行程曲线和分闸行程曲线；

步骤4，基于合闸行程曲线和分闸行程曲线计算机械特性参数。

上述方案中，通过绘制操作机构真实的运行轨迹图，然后由三角形几何关系计算触头的行程，得到行程曲线，再基于行程曲线计算机械特性参数。一方面，该方案仅需要简单地进行三角形几何关系计算，计算量少，且难度小，无需编制复杂的算法代码；另一方面，机械特性参数是基于行程曲线而获得，而行程曲线是根据操作机构真实的运行轨迹而得到，因此最终所得的机械特性参数准确度高，而且机械特性参数只与操作机构的真实运动有关，不受环境、天气、光照等因素的影响，因此所得参数的可靠性高。

所述真空断路器的操作机构为四连杆结构，所述步骤2中，绘制运行轨迹图时，定义四连杆结构中5个端点的分闸位置分别为A、B、C、D、E，5个端点的合闸位置分别为A、B'、C'、D、E'，∠BAB'为分闸位置到合闸位置的转动角度，也是合闸位置运动到分闸位置的转动角度，通过角位移传感器测得，线段EE'在竖直方向上的投影s即为触头的行程。

四连杆结构的操作机构是普遍采用的断路器结构，该结构的操作机构在分闸与合闸运动过程中，有两个端点是固定的，由此为基于三角形几何关系计算行程提供了技术支持，使得计算过程更加简便、可靠。

步骤3中，触头的行程通过以下公式计算获得：

，α=β-∠DEE'，/>，，∠EDE'=∠C'DC，∠C'DC=∠ADC'-∠CDA，∠ADC'=∠ADB'+∠B'DC'，/>，，/>，，/>，/>；

其中，线段AB、线段BC、线段CD、线段DE、线段X、线段Y、∠BAC、∠BAD、β均为已知定值，β为线段DE与竖直方向的夹角，线段X是线段AD在水平方向的投影，线段Y是线段AD在竖直方向上的投影，AB=AB'、BC= B'C'、CD=C'D、DE=DE'。

线段AB、线段BC、线段CD、线段DE分别表示四连杆结构的四段连杆的长度，该长度由操作机构的物理参数可得，以水平方向和竖直方向做参考进行投影，更有利于构建三角几何关系，继而更简化整体运算过程，降低运算复杂度。

所述机械特性参数包括合闸速度和分闸速度；所述步骤4中，基于合闸行程曲线和分闸行程曲线计算机械特性参数，包括：取合闸行程曲线中的两个点，获得两个点之间的时间差和距离差/>，合闸速度/>；取分闸行程曲线中的两个点，获得两个点之间的时间差/>和距离差/>，分闸速度/>。

上述方案中，每次分闸、合闸都可以得到对应的速度值，由边缘网关对其进行记录，并根据速度的历史记录值绘制速度变化曲线，继而得出速度变化趋势，预判是否发生故障，继而保障断路器安全运行。

还包括步骤：电流传感器实时采集电流数据，并得到电流曲线，从电流曲线中获得电流参数。

上述方案中，通过同时布置电流传感器以实时采集电流数据并录波，基于电流波形数据获取合闸峰值电流、合闸时间、分闸峰值电流、分闸时间、储能电流、储能时间等机械特性参数，丰富了监测变量，更有利于促进断路器安全可靠运行。

还包括步骤：将计算出的机械特性参数与对应的设定阈值做比较，如果计算出的机械特性参数超过设定阈值，则发出报警信号。

上述方案中，将断路器出厂试验报告中的相关参数的范围设定为报警阀值，当计算出的参数超过阀值时，生成相应的报警信号，不仅可以实现机械特性参数实时监测，还可以实现及时告警，以便于及时进行故障处理，进一步保障断路器安全可靠运行。

与现有技术相比，本发明方法不仅计算量少，降低了算法编制难度，而且最终所得的机械特性参数准确度高，且不受环境、天气、光照等因素的影响，可靠性高，为断路器长期安全可靠运行提供了保障。

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为实施例中10kV真空断路器的机械特性在线监测系统的组成框图。

图2为实施例中角位移传感器的安装示意图。

图3为实施例中10kV真空断路器的机械特性在线监测方法的流程图。

图4为四连杆结构在分闸位置和合闸位置之间的运行轨迹图。

图5a为合闸过程所得曲线图。

图5b为分闸过程所得曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

请参考图1，为了实现10kV真空断路器的机械特性在线监测，本实施例中提供了一种10kV真空断路器的机械特性在线监测系统，包括角位移传感器、电流传感器、监测装置、边缘网关和人机界面，角位移传感器与磁场发生器配合使用实现角度测量。

角位移传感器用于实时采集在合闸、分闸过程中断路器的操作机构主轴的转动角度，电流传感器用于实时采集合闸线圈电流、分闸线圈电流、储能线圈电流，并通过信号线传输给监测装置；监测装置用于对合闸线圈电流、分闸线圈电流、储能线圈电流、角位移传感器采集的角度数据录波，得到录波文件，以及将角度数据转换为触头行程数据、计算分析断路器机械特性数据，通过通讯线将机械特性数据和录波文件传输给边缘网关；边缘网关用于整理分配多个监测装置上传的断路器机械特性数据，解析录波文件，存储所有数据，将每台断路器的机械特性数据打包发送给人机界面；人机界面用于显示所有断路器的机械特性数据和动作波形。

上述监测系统中，一个断路器对应配置一个监测装置，若干个断路器对应的监测装置均与边缘网关通讯连接，以此实现一个人机界面可显示查看若干个断路器的机械特性参数。

针对于同一台断路器，边缘网关存储该断路器不同时间所得的录波文件，比较不同时间同一波形的变化，继而预估波形在未来时间的变化趋势，预判断路器是否异常，以此辅助断路器安全可靠运行。

实现断路器机械特性准确监测的前提是传感器采集的数据可靠，如果采集的数据有误差，那么最终确定出的机械特性参数就有误差，导致监测结果不准确。本实施例中，为了实现非侵入式监测，且提高采集数据的准确性，避免采集数据误差，如图2所示，磁场发生器12安装在断路器的操作机构的主轴11上，且通过M2.5螺丝固定，断路器的壳体侧板15上安装有伸缩杆14，伸缩杆14垂直于侧板15，侧板15的内外两侧分别设置有一个固定板16，伸缩杆14通过两个固定板16夹紧固定，且伸缩杆14套有法兰螺母18以增强固定效果，固定板16与侧板15之间设置有橡胶圈17以进一步增强紧固效果，角位移传感器13（接收磁场）通过M3螺丝固定安装在伸缩杆14上，角位移传感器13、磁场发生器12、断路器的操作机构的主轴11在一个轴线19上。而且，磁场发生器12与角位移传感器13之间不接触，即存在间隙，且间隙距离优选为1-6mm，不仅能够实现非侵入式布置，而且能有效保障测量精度。磁场发生器12固定在断路器的操作机构的主轴11上，当断路器的操作机构的主轴11转动时带动磁场发生器12转动，而角位移传感器13是固定安装的，通过接收磁场的变化就能监测到断路器的操作机构的主轴11角度的变化，实现主轴转动角度的角度数据采集。

磁场发生器12固定在断路器的操作机构的主轴11上，且通过螺钉锁死，可以避免磁场发生器12相对断路器的操作机构的主轴11发生位置变动，继而保障磁场发生器12跟随断路器的操作机构的主轴11同步转动，避免磁场发生器12与断路器的操作机构的主轴11之间相对位移导致的误差。角位移传感器13通过伸缩杆14固定在断路器的侧板15上，且通过固定板16与法兰螺母18保障其稳固性，避免角位移传感器13自身发生位置移动而产生误差。角位移传感器13设置于断路器的侧板15上，与断路器的操作机构的主轴11不接触，继而不影响断路器的操作机构的主轴11自由转动，且间隔距离保持在1-6mm，保障了测量精度。也就是说，本实施例采用图2所示方式安装布置角位移传感器和磁场发生器，从多个角度保障了角度数据的测量准确性，继而为机械特性参数的准确探测提供保障。

电流传感器采用霍尔传感器，合闸线圈、分闸线圈、储能线圈均布置有电流传感器。本实施例中，电流传感器采用外置式布置方式，即电流传感器布置于监测装置外部，而不是传统方式集成于监测装置内部，这样可以保障原有电气回路无需改变。

如图3所示，应用图1所示监测系统进行10kV真空断路器的机械特性在线监测的方法，包括以下步骤：

步骤1，安装于真空断路器的角位移传感器实时采集角度数据，并得到角度变化曲线。

步骤2，绘制真空断路器的操作机构在分闸位置和合闸位置之间的运行轨迹图。

步骤3，根据角度数据和运行轨迹图，利用三角形几何关系计算得到操作机构的触头的行程，并绘制出合闸行程曲线和分闸行程曲线。

步骤4，基于合闸行程曲线和分闸行程曲线计算机械特性参数。

本实施例中在线监测方法，只需要利用三角形几何关系即可计算出机械特性参数，不仅计算过程简单，而且三角形中的各个关系是固定的，运行轨迹图也是由操作机构的真实运行状态所得，不受任何因素干扰，因此计算结果不受任何因素影响，即监测结果的准确性和可靠性高。

图4为四连杆结构的断路器操作机构的运行轨迹图。如图4所示，针对于四连杆结构的断路器操作机构，图中的A、B、C、D、E表示为四连杆结构中5个端点的分闸位置，A、B'、C'、D、E'为合闸位置，其中A、D两点是固定的转动轴，∠BAB'为分闸位置到合闸位置的转动角度，也是合闸到分闸的转动角度，通过角位移传感器测得。

线段AB、BC、CD、DE分别为操作机构的四段连杆的长度，是已知的定值，AD在水平方向的投影X是已知的定值，AD在竖直方向上的投影Y是已知的定值，∠BAC、∠BAD是已知的定值，DE与竖直方向的夹角β是已知的定值，这些值通过断路器的技术手册即可获得。根据角度的转动，线段EE'的距离随之变化，求得EE'的长度在竖直方向上的投影S，即是断路器触头的行程，即可得到角度与行程的关系，继而绘制出触头在分闸过程和合闸过程的行程曲线。

步骤3中，利用三角形几何关系计算出行程的具体过程如下：

已知定值：AB、BC、CD、DE、X、Y、∠BAC、∠BAD、β

已知关系：AB=AB'、BC= B'C'、CD=C'D、DE=DE'

1、求AD的长度：

根据：，即可得出AD 的长度。

2、求AC的长度：

根据：，即可得出AC 的长度。

3、求∠CDA的角度：

根据：，即可得出∠CDA的大小。

4、求∠AD的角度：

根据：，断路器合闸过程转动角度为∠BAB'，由角位移传感器采集获得，即可得出∠/>AD的大小。

5、求B'D的长度：

根据：，即可得出B'D的长度。

6、求∠ADB'的角度：

根据：，即可得出∠ADB'的大小。

7、求∠B'DC'的角度：

根据：，即可得出∠B'DC'的大小。

8、求∠ADC'的角度：

根据：∠ADC'=∠ADB'+∠B'DC'，即可得出∠ADC'的大小。

9、求∠EDE'的角度：

根据 ∠C'DC=∠ADC'-∠CDA，即可得出∠C'DC的大小，而∠C'DC为∠EDE'的对角，因此有∠EDE'=∠C'DC。

10、求EE'的长度：

根据：，即可得出EE'的长度。

11、求∠DEE'：

根据：=/>，可得/>。

12、求EE'与竖直方向的夹角α：

根据：α= β-∠DEE'，可得α。

13、最终求得EE'的长度在竖直方向上的投影s：

。

断路器分合闸过程中，角位移传感器实时监测角度，按照上述算法，将触头的行程绘制成曲线，合闸行程曲线和分闸行程曲线分别如图5a、图5b所示。图5a和图5b为由监测装置所得的录波文件，文件中同时包含了电流曲线，其中图5a为合闸过程所得曲线，图5a中从上往下，第一条为合闸线圈电流曲线，第二条为分闸线圈电流曲线（因为是合闸过程所以分闸线圈电流曲线没有数据），第三条为储能电机的线圈电流曲线，第四条为主轴角度变化曲线，第五条为触头行程曲线，图5b为分闸过程所得曲线，因为是分闸过程所以第一条合闸线圈电流曲线没有数据。

在行程曲线上取两个点，即可基于该两个点的数据计算得出分闸速度或合闸速度。例如，根据生成的合闸行程曲线上的点位，取刚合点（触头行程等于触头开距时对应的点，需要注意的是，不同型号断路器的触头开距可能不同）和刚合点前距离为(需要注意的是，不同型号断路器的/>可能不同)的点，得到两点之间的时间差（行程曲线中两点在横轴上的数据差值），则可计算出合闸速度，合闸速度=/>。又例如，根据生成的分闸行程曲线上的点位，刚分点和刚分点后/>的点，并得到两点之间的时间差，则可计算出分闸速度，分闸速度=/>。

基于电流曲线可以获得电流参数，例如由合闸线圈电流曲线可以获得合闸峰值电流，由分闸线圈电流曲线可以获得分闸峰值电流，由储能线圈电流曲线可以获得储能峰值电流。

基于电流曲线还可以计算出分闸时间、合闸时间等机械性能参数，例如基于合闸行程曲线和合闸线圈电流曲线可以计算合闸时间，合闸时间为从合闸线圈电流的有流点到刚合点的时间；基于分闸行程曲线和分闸线圈电流曲线可以计算分闸时间，分闸时间为从分闸线圈电流的有流点到刚分点的时间。

计算出各个机械特性参数后，还可以将断路器出厂试验报告中的相关参数的范围设定为报警阀值，当计算出的参数超过阀值时，生成相应的报警信号，不仅可以实现机械特性参数实时监测，还可以实现及时告警，以便于及时进行故障处理，进一步保障断路器安全可靠运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，其特征在于，基于10kV真空断路器的机械特性在线监测系统实现，在线监测系统包括角位移传感器（13）、磁场发生器（12），角位移传感器与磁场发生器配合使用实现角度测量；磁场发生器（12）安装在断路器的操作机构的主轴（11）上，且通过M2.5螺丝固定，断路器的壳体侧板（15）上安装有伸缩杆（14），伸缩杆（14）垂直于侧板（15），侧板（15）的内外两侧分别设置有一个固定板（16），伸缩杆（14）通过两个固定板（16）夹紧固定，且伸缩杆（14）套有法兰螺母（18），固定板（16）与侧板（15）之间设置有橡胶圈（17），角位移传感器（13）通过M3螺丝固定安装在伸缩杆（14）上，角位移传感器（13）、磁场发生器（12）、断路器主轴（11）在一个轴线（19）上，磁场发生器（12）与角位移传感器（13）之间存在间隙，间隙距离为1-6mm；

所述方法包括以下步骤：

步骤1，安装于真空断路器的角位移传感器实时采集角度数据，并得到角度变化曲线；

步骤2，绘制真空断路器的操作机构在分闸位置和合闸位置之间的运行轨迹图；

步骤3，根据角度数据和运行轨迹图，利用三角形几何关系计算得到操作机构的触头的行程，并绘制出合闸行程曲线和分闸行程曲线；

步骤4，基于合闸行程曲线和分闸行程曲线计算机械特性参数；

还包括步骤：分别布置于合闸线圈、分闸线圈、储能线圈的电流传感器实时采集合闸线圈电流、分闸线圈电流、储能线圈电流，并得到合闸线圈电流曲线、分闸线圈电流曲线、储能线圈电流曲线，由合闸线圈电流曲线可以获得合闸峰值电流，由分闸线圈电流曲线可以获得分闸峰值电流，由储能线圈电流曲线可以获得储能峰值电流，基于合闸行程曲线和合闸线圈电流曲线计算合闸时间，合闸时间为从合闸线圈电流的有流点到刚合点的时间；基于分闸行程曲线和分闸线圈电流曲线计算分闸时间，分闸时间为从分闸线圈电流的有流点到刚分点的时间。

2.根据权利要求1所述的10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，其特征在于，所述真空断路器的操作机构为四连杆结构，所述步骤2中，绘制运行轨迹图时，定义四连杆结构中5个端点的分闸位置分别为A、B、C、D、E，5个端点的合闸位置分别为A、B'、C'、D、E'，∠BAB'为分闸位置到合闸位置的转动角度，也是合闸位置到分闸位置的转动角度，通过角位移传感器测得，线段EE'在竖直方向上的投影s即为触头的行程。

3.根据权利要求2所述的10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，其特征在于，步骤3中，触头的行程通过以下公式计算获得：

，α=β-∠DEE'，/>，/>，∠EDE'=∠C'DC，∠C'DC=∠ADC'-∠CDA，∠ADC' =∠ADB'+∠B'DC'，，/>，，/>，，/>；

其中，线段AB、线段BC、线段CD、线段DE、线段X、线段Y、∠BAC、∠BAD、β均为已知定值，β为线段DE与竖直方向的夹角，线段X是线段AD在水平方向的投影，线段Y是线段AD在竖直方向上的投影，AB=AB'、BC= B'C'、CD=C'D、DE=DE'。

4.根据权利要求1所述的10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，其特征在于，所述机械特性参数包括合闸速度和分闸速度；所述步骤4中，基于合闸行程曲线和分闸行程曲线计算机械特性参数，包括：取合闸行程曲线中的两个点，获得两个点之间的时间差和距离差/>，合闸速度/>；取分闸行程曲线中的两个点，获得两个点之间的时间差/>和距离差/>，分闸速度/>。

5.根据权利要求1所述的10kV真空断路器的机械特性在线监测方法，其特征在于，还包括步骤：将计算出的机械特性参数与对应的设定阈值做比较，如果计算出的机械特性参数超过设定阈值，则发出报警信号。