CN117081269A - 模块化故障指示器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电网线路在线监测设备技术领域，公开了一种模块化故障指示器，包括主体外壳、2个同尺寸计量模块、2个同尺寸取能模块、电池模块、主控板、电场感应片。本发明实现了各模块简单快速拆装，降低人力与时间成本，保证供电可靠性；实现了从线路取能，减少整机电池消耗。根据实际需求调换适配取能模块，达到功耗平衡，防止材料冗余或取能不足。半取能磁环两端连线与整机竖直中心线平行，防止传统故指取能磁环开合导致取能磁环内进入空气或温度变化导致凝露渗入磁环，且在组成完整磁环时防锈油流出包覆磁环，防止氧化，同时互感效应会增强磁力，提高取能效率。半取能磁环内弧边灌胶贴合绝缘层，使整机可在裸露线路上使用，适应性强。
Description
本申请是分案申请，原申请《模块化故障指示器取能模块及其使用方法》的申请号是2023108754468、申请日是2023.7.18，原申请的内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及电网线路在线监测设备技术领域，尤其涉及一种模块化故障指示器。
背景技术
近年来，国内电力行业发展迅速，配套的相关电力产品、设备也随之取得了巨大的技术进步，输配电线路在线监测设备的市场规模也持续扩大。电网规模不断扩大、高架线路布局越来越广的同时也导致出现了大量问题，典型的就是当某一线路由于突发情况出现接地等故障时往往无法快速、准确地定位故障地点，这会浪费很多搜索时间，给施工带来极大的困难。对此，作为输配电线路在线监测设备中的一种典型产品，故障指示器能够快速定位线路故障位置，在业内已得到广泛应用。
关于故障指示器，现有技术可参考CN106501684A、CN217216487U、CN110376488A等专利申请文件，其存在的问题在于：现有的故障指示器大多仅利用电池进行整体供电，一旦电池电量耗尽，必须进行整机拆除、电池拆卸与更换，而每一次整机高空作业都会耗费大量的人力与时间，同时，在整机下电时无法保持对线路的监测，进而无法保证供电可靠性。常见的利用太阳能的取能方式在使用初期减少了电池消耗，但阴雨风沙天气以及太阳能板表面覆盖灰尘都会导致取能效率骤降，仍无法彻底解决电池耗电问题。基于高磁导率磁环，通过电磁耦合直接从电路取电是当下较为可靠的方案，但仍存在取能磁环材料易氧化或者材料成本高的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种模块化故障指示器，通过关键元件模块化，以直接插拔的方式实现了对带电线路上故障指示器模块简单快速地拆卸装换；将故障指示器的取能部分模块化，根据实际线路中电流与不同模块化故障指示器的整机功耗来设计不同尺寸的取能磁环与取能模块，根据实际需求调换最适配的取能模块，达到取能功率与整机功耗平衡，防止材料冗余或取能不足，减少使用甚至不使用电池供电，避免电池电量耗尽后需对整机下电进行电池拆卸与更换；可忽略抗氧化性参数，直接选用成本较低的高磁导率材料制作取能磁环，在模块内部加入防锈油，利用压力效应，在对齐扣合组成完整的取能磁环时使防锈油流出包覆取能磁环，在防止磁环氧化的同时，线路输电时的互感效应会增强取能磁环磁力，油体包覆的取能磁环吸附更加紧密，从而进一步提高取能效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
模块化故障指示器，其特征在于，包括主体外壳、2个相同尺寸的计量模块、2个相同尺寸的取能模块、电池模块、主控板、电场感应片；
主体外壳由上外壳与下外壳组成；
计量模块的一端设有半圆形罗氏线圈；
电池模块包括第一电池模块与第二电池模块，各串联一个指示灯，通过控制元件将上述两个指示灯的另一端串联；
上外壳与下外壳对齐扣合后：以主视视角，于主体外壳中心位置形成供高压线穿过的高压线通道；以侧视视角，在主体外壳中部形成贯通主体外壳的计量模块插口与取能模块插口；计量模块插口、取能模块插口与高压线通道位于同一水平面；高压线通道分别与计量模块插口、取能模块插口垂直；
下外壳底部有2个电池模块插口；
主控板与电场感应片水平安装于下外壳内；电场感应片位于主控板正下方；2个计量模块分别插入计量模块插口的左右两端，于连接处形成完整罗氏线圈与高压线通孔；2个取能模块分别插入取能模块插口的左右两端，于连接处形成完整取能磁环与高压线通孔；第一电池模块与第二电池模块各装入1个电池模块插口；
主控板分别连接2个计量模块、2个取能模块、2个电池模块插口、电场感应片；
所述计量模块插口与取能模块插口上下两侧设有m对不同宽度的横向滑道，其中上侧m个滑道设于上外壳，上侧m个滑道两端各连接一个螺栓，下侧m个滑道设于下外壳，下侧m个滑道两端各连接一个螺栓；与滑道宽度对应，计量模块与取能模块有m种尺寸可选，取能模块性能与半取能磁环尺寸成正比；除最上侧与最下侧横向滑道外，其余m-1对横向滑道可拆装；
所述电池模块插口左右两侧设有纵向滑道；每个纵向滑道口各连接一个螺栓；电池模块长度等于纵向滑道深度；根据批量换电算法设置电池模块容量；
所述主体外壳设有环绕高压线通道的4个圆形线托；每个线托由上下两个半圆形线托组成，其中上半圆形线托设于上外壳，下半圆形线托设于下外壳；起方便上下外壳定位对齐扣合与支撑故障指示器稳定安装在高压线的作用；
所述计量模块插口两端、取能模块插口两端与电池模块插口进口处设有突出主体外壳表面的螺栓，用于密封连接上外壳与取能模块、上外壳与计量模块、下外壳与取能模块、下外壳与计量模块、密封固定电池模块。
优选地，所述m＝4。
优选地，所述取能模块选用方法包括如下步骤：
计算各尺寸取能模块的取能磁环磁导率：
Uen＝(Ln*Len)/(4π*Aen*N2)；
Len＝(ODn+ID)/2*π；
Aen＝(ODn-ID)/2*HT；
其中n为取能模块尺寸代号，设最小尺寸代号为1，每提升一个尺寸，代号就加1；Uen为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环有效磁导率；Ln为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环的电感量，通过LRC数字电桥测得，取决于取能磁环材料、取能磁环尺寸与取能磁环线圈匝数，在上述参数不变的情况下，将测量多次取的平均值视为Ln的固定值；Len为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环有效磁路长度；Aen为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环有效截面积；ODn为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环外径；N为不变的取能磁环线圈匝数；ID为不变的取能磁环内径；HT为不变的取能磁环厚度；
根据取能磁环磁导率与取能功率成完全正相关关系，计算代号n对应尺寸的取能模块相比与最小尺寸取能模块的取能功率提升率G：
G＝(Uen-Ue1)/Ue1；
于当前线路安装模块化故障指示器，选用最小尺寸取能模块；以模块化故障指示器当前取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1；
根据P1分别计算其余不同尺寸的取能模块的预估取能功率P：
P＝P1*(1+G)；
选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
优选地，设置4种尺寸取能模块：n＝2时G＝0.1；n＝3时G＝0.2；n＝4时G＝0.3；
基于G、Ln、N、ID与HT来确定ODn。
优选地，取能模块包括模块壳体、弹簧、推板、密封点胶、防锈油、半取能磁环、绝缘层；
模块壳体内部的一端粘接弹簧一端，弹簧另一端粘接推板一侧，推板另一侧连接半取能磁环外弧边，通过密封点胶连接半取能磁环外弧边两端与模块壳体内壁，推板与半取能磁环外弧边间充满防锈油，半取能磁环内弧边通过灌胶贴合连接绝缘层，模块壳体上下外壁设有用于匹配模块化故障指示器取能模块插口上下两侧横向滑道的滑道，半取能磁环外弧边两端与模块壳体连接处的模块壳体外部、绝缘层均设有对接插槽。
优选地，由于模块化故障指示器内部存在电池模块，插拔取能模块不影响模块化故障指示器正常工作，无需对模块化故障指示器下电与拆卸，且在扣合安装取能模块后，通过线路内交流电流产生的交变磁场，根据电磁耦合，在取能磁环内产生感应电流。
优选地，所述对接插槽为凹凸槽，用于实现两个取能模块的稳定定位与密封连接；所述绝缘层用于使模块化故障指示器在裸露导线上安全稳定运行与保护取能磁环。
优选地，所述半取能磁环两端连线与模块化故障指示器竖直中心线平行。
优选地，所述半取能磁环两端连线与模块化故障指示器竖直中心线的夹角不超过5°。
优选地，使模块化故障指示器取能模块防锈油充满半取能磁环对接接触面的方法包括如下步骤：
在模块化故障指示器中通过对接插槽对接两个取能模块时，弹簧逐渐被压缩，密封点胶破裂；
在弹簧给推板施加的力下，防锈油从密封点胶缝隙流出，充满半取能磁环对接接触面。
本发明的有益技术效果：
通过关键元件模块化，以直接插拔的方式实现了对带电线路上故障指示器模块简单快速地拆卸装换，降低了拆换操作消耗的人力与时间成本，不下电操作也保证了供电可靠性。
通过高压线路内交流电流产生的交变磁场，根据电磁耦合，取能模块中由高磁导率材料制成的取能磁环内产生感应电流，实现从高压线上获取电能供模块化故障指示器整机使用，减少模块化故障指示器中电池的使用消耗，延长整机使用寿命。
将故障指示器的取能部分模块化，根据实际线路中电流与不同模块化故障指示器的整机功耗来设计不同尺寸的取能磁环与取能模块，根据实际需求调换最适配的取能模块，达到取能功率与整机功耗平衡，防止材料冗余或取能不足，减少使用甚至不使用电池供电，避免电池电量耗尽后需对整机下电进行电池拆卸与更换。
此外，半取能磁环两端连线与模块化故障指示器竖直中心线平行，防止传统故障指示器外壳开合连带取能磁环开合而导致取能磁环内进入空气或环境温度变化，进而导致产生凝露滴落渗入取能磁环内的情况发生，且在对齐扣合组成完整的取能磁环时使防锈油流出包覆取能磁环，在防止磁环氧化的同时，线路输电时的互感效应会增强取能磁环磁力，油体包覆的取能磁环吸附更加紧密，从而进一步提高取能效率，减少了模块化故障指示器电池的使用消耗，延长整机使用寿命。
进一步地，半取能磁环内弧边通过灌胶贴合连接绝缘层，使得模块化故障指示器可直接在裸露的高压线上使用，增强了适应性。
附图说明
图1为本发明所述取能模块主视剖视图。
图2为本发明所述模块化故障指示器主视剖视图。
图3为本发明所述模块化故障指示器侧视图。
附图标记：1为模块壳体；2为弹簧；3为推板；4为密封点胶；5为半取能磁环；6为绝缘层；7为螺栓；8为线托；9为主体外壳；10为取能模块滑道；11为电池模块滑道；12为主控板；13为电池模块；14为电场感应片；15为计量模块；16为取能模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例：如图1所示，模块化故障指示器取能模块包括线托8；主体外壳9；取能模块滑道10；电池模块滑道11；主控板12；电池模块13；电场感应片14；计量模块15；取能模块16。
具体地，所述取能模块包括模块壳体1；弹簧2；推板3；密封点胶4；半取能磁环5；绝缘层6；螺栓7。
取能模块取能的工作原理为：利用高磁导率、低磁滞损耗的磁性材料制成的两个半取能磁环5扣合在高压线的两侧形成一个完整的取能磁环，高压线中的交变电流会产生一个交变的磁场，该磁场穿过完整的取能磁环，根据法拉第的电磁感应定律，该磁场会在磁环中产生感应电动势，而该感应电动势便是电磁能量的一种形式，当感应电动势驱动电流通过一个电路时，这个电磁能量就被转换为电能。
模块壳体1内部的一端粘接弹簧2一端，弹簧2另一端粘接推板3一侧，推板3另一侧连接半取能磁环5外弧边，通过密封点胶4连接半取能磁环5外弧边两端与模块壳体1内壁，推板3与半取能磁环5外弧边间充满防锈油，半取能磁环5内弧边通过灌胶贴合连接绝缘层，模块壳体1上下外壁设有用于匹配模块化故障指示器取能模块插口上下两侧横向滑道的滑道，半取能磁环5外弧边两端与模块壳体1连接处的模块壳体1外部、绝缘层均设有对接插槽；在模块化故障指示器中通过对接插槽对接两个取能模块时，弹簧2逐渐被压缩，密封点胶4破裂；在弹簧2给推板3施加的力下，防锈油从密封点胶4缝隙流出，充满半取能磁环5对接接触面处，从而增强取能效果同时极大地提升了抗氧化效果。
以某市供电局故障指示器运行情况为例，在故障指示器安装之前根据取能等级划分方法生产四种不同取能等级取能模块，以平均取能功率4.2mW设置最小尺寸取能模块，相应最小尺寸取能模块内径为1cm，外径为1.1cm，并设置其为尺寸1。相应地，每提升一个尺寸，代号就加1，并设置每种取能尺寸之间的取能效率相差10％。由于取能磁环材料、取能磁环内径ID、取能磁环厚度HT、取能磁环线圈匝数N均一致，并根据实验所测得电感L1与L2的值，设置尺寸2下的取能模块外径OD2为1.2cm，同理设置尺寸3下的取能模块外径OD3为1.35cm，四级取能模块外径OD4为1.6cm。
该市供电局下属某县某三条线路上的故障指示器先全部安装最小尺寸取能模块，安装后取能功率情况差异较大，分别为A支线最末端的3号杆线路，一天当中存在26.4％的时间线路电流小于2A，提取该段取能电流计算其平均取能功率为3.9mW；A支线3号杆前侧的2号杆线路，一天当中全部时间线路电流均大于2A，提取该段取能电流计算其平均取能功率为4.6mW；与A支线相邻的B支线唯一的1号杆线路，一天当中存在46.5％的时间线路电流小于2A，且存在5.2％的时间线路电流小于1A，提取该段取能电流计算其平均取能功率为3.1mW；故针对该三条线路，A支线2号杆线路，选用尺寸1的取能模块即可保持自持，A支线3号杆线路，需选用尺寸2的取能模块其取能功率即可提升至4.2mW以上保持自持，B支线1号杆线路，需选用尺寸4的取能模块其取能功率即可提升至4.2mW以上保持自持。
确定适配的取能模块16之后，如图1所示为取能模块16未安装的示意图，左侧取能模块、右侧取能模块呈分离状态，首先通过取能模块16的模块壳体1的滑道，延如图2、图3所示的故障指示器整体外壳的滑道，从左右两侧向高压线中心插入，进行初步对齐；对齐之后向取能模块模块壳体1从左右两侧进一步地施加外力，弹簧2收缩同时给推板3施加压力，使半取能磁环5更紧密的对齐连接，且此时密封点胶4破裂，防锈油5由半取能磁环5与推板3之间的空间溢出，填满半取能磁环5对齐的垂直截面缝隙，在高压线带电的情况下，半取能磁环5截面处磁力增强，进一步地使两个截面吸附连接地更紧密，并通过故障指示器整体外壳的螺栓7牢固扣合在故障指示器本体上，完全隔离半取能磁环5截面与空气的接触，至此完成取能模块16的安装，如图2、图3所示。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.模块化故障指示器，其特征在于，包括主体外壳、2个相同尺寸的计量模块、2个相同尺寸的取能模块、电池模块、主控板、电场感应片；
主体外壳由上外壳与下外壳组成；
计量模块的一端设有半圆形罗氏线圈；
电池模块包括第一电池模块与第二电池模块，各串联一个指示灯，通过控制元件将上述两个指示灯的另一端串联；
上外壳与下外壳对齐扣合后：以主视视角，于主体外壳中心位置形成供高压线穿过的高压线通道；以侧视视角，在主体外壳中部形成贯通主体外壳的计量模块插口与取能模块插口；计量模块插口、取能模块插口与高压线通道位于同一水平面；高压线通道分别与计量模块插口、取能模块插口垂直；
下外壳底部有2个电池模块插口；
主控板与电场感应片水平安装于下外壳内；电场感应片位于主控板正下方；2个计量模块分别插入计量模块插口的左右两端，于连接处形成完整罗氏线圈与高压线通孔；2个取能模块分别插入取能模块插口的左右两端，于连接处形成完整取能磁环与高压线通孔；第一电池模块与第二电池模块各装入1个电池模块插口；
主控板分别连接2个计量模块、2个取能模块、2个电池模块插口、电场感应片；
所述计量模块插口与取能模块插口上下两侧设有m对不同宽度的横向滑道，其中上侧m个滑道设于上外壳，上侧m个滑道两端各连接一个螺栓，下侧m个滑道设于下外壳，下侧m个滑道两端各连接一个螺栓；与滑道宽度对应，计量模块与取能模块有m种尺寸可选，取能模块性能与半取能磁环尺寸成正比；除最上侧与最下侧横向滑道外，其余m-1对横向滑道可拆装；
所述电池模块插口左右两侧设有纵向滑道；每个纵向滑道口各连接一个螺栓；电池模块长度等于纵向滑道深度；根据批量换电算法设置电池模块容量；
所述主体外壳设有环绕高压线通道的4个圆形线托；每个线托由上下两个半圆形线托组成，其中上半圆形线托设于上外壳，下半圆形线托设于下外壳；起方便上下外壳定位对齐扣合与支撑故障指示器稳定安装在高压线的作用；
所述计量模块插口两端、取能模块插口两端与电池模块插口进口处设有突出主体外壳表面的螺栓，用于密封连接上外壳与取能模块、上外壳与计量模块、下外壳与取能模块、下外壳与计量模块、密封固定电池模块。
2.根据权利要求1所述的模块化故障指示器，其特征在于，所述m＝4。
3.根据权利要求1所述的模块化故障指示器，其特征在于，所述取能模块选用方法包括如下步骤：
计算各尺寸取能模块的取能磁环磁导率：
Uen＝(Ln*Len)/(4π*Aen*N2)；
Len＝(ODn+ID)/2*π；
Aen＝(ODn-ID)/2*HT；
其中n为取能模块尺寸代号，设最小尺寸代号为1，每提升一个尺寸，代号就加1；Uen为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环有效磁导率；Ln为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环的电感量，通过LRC数字电桥测得，取决于取能磁环材料、取能磁环尺寸与取能磁环线圈匝数，在上述参数不变的情况下，将测量多次取的平均值视为Ln的固定值；Len为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环有效磁路长度；Aen为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环有效截面积；ODn为代号n对应尺寸的取能模块的取能磁环外径；N为不变的取能磁环线圈匝数；ID为不变的取能磁环内径；HT为不变的取能磁环厚度；
根据取能磁环磁导率与取能功率成完全正相关关系，计算代号n对应尺寸的取能模块相比与最小尺寸取能模块的取能功率提升率G：
G＝(Uen-Ue1)/Ue1；
于当前线路安装模块化故障指示器，选用最小尺寸取能模块；以模块化故障指示器当前取能功率作为当前取能模块预估取能功率P1；
根据P1分别计算其余不同尺寸的取能模块的预估取能功率P：
P＝P1*(1+G)；
选出能满足预估取能功率大于整机功耗的相较最小尺寸的取能模块用于当前故障指示器。
4.根据权利要求3所述的模块化故障指示器，其特征在于，设置4种尺寸取能模块：n＝2时G＝0.1；n＝3时G＝0.2；n＝4时G＝0.3；
基于G、Ln、N、ID与HT来确定ODn。
5.根据权利要求1所述的模块化故障指示器，其特征在于，取能模块包括模块壳体、弹簧、推板、密封点胶、防锈油、半取能磁环、绝缘层；
模块壳体内部的一端粘接弹簧一端，弹簧另一端粘接推板一侧，推板另一侧连接半取能磁环外弧边，通过密封点胶连接半取能磁环外弧边两端与模块壳体内壁，推板与半取能磁环外弧边间充满防锈油，半取能磁环内弧边通过灌胶贴合连接绝缘层，模块壳体上下外壁设有用于匹配模块化故障指示器取能模块插口上下两侧横向滑道的滑道，半取能磁环外弧边两端与模块壳体连接处的模块壳体外部、绝缘层均设有对接插槽。
6.根据权利要求5所述的模块化故障指示器，其特征在于，由于模块化故障指示器内部存在电池模块，插拔取能模块不影响模块化故障指示器正常工作，无需对模块化故障指示器下电与拆卸，且在扣合安装取能模块后，通过线路内交流电流产生的交变磁场，根据电磁耦合，在取能磁环内产生感应电流。
7.根据权利要求5所述的模块化故障指示器，其特征在于，所述对接插槽为凹凸槽，用于实现两个取能模块的稳定定位与密封连接；所述绝缘层用于使模块化故障指示器在裸露导线上安全稳定运行与保护取能磁环。
8.根据权利要求5所述的模块化故障指示器，其特征在于，所述半取能磁环两端连线与模块化故障指示器竖直中心线平行。
9.根据权利要求5所述的模块化故障指示器，其特征在于，所述半取能磁环两端连线与模块化故障指示器竖直中心线的夹角不超过5°。
10.根据权利要求5所述的模块化故障指示器，其特征在于，使模块化故障指示器取能模块防锈油充满半取能磁环对接接触面的方法包括如下步骤：
在模块化故障指示器中通过对接插槽对接两个取能模块时，弹簧逐渐被压缩，密封点胶破裂；
在弹簧给推板施加的力下，防锈油从密封点胶缝隙流出，充满半取能磁环对接接触面。
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