CN201803857U - 一种gis操动机构机械特性在线监测诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，包括CPU处理模块，CPU处理模块通过模拟信号调理电路连接有角位移曲线测量传感器、第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器；角位移曲线测量传感器设置于GIS旋转主轴上；第一霍尔电流传感器设在GIS操动机构的分/合闸线圈上；第二霍尔电流传感器设在GIS操动机构的储能电机的电源线上；CPU处理模块通过以太网或串行通信接口连接上位机；CPU处理模块通过光电隔离电路连接GIS操动机构的分合闸辅助触点。该系统可以实时测量和记录GIS操动机构的各状态参量，再统一进行数据处理和存储，不但具有自动诊断功能，而且能够与变电站内网络连接，把GIS操动机构的机械特性参数和状态结果实时上传，提供操作依据。

Description

一种GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统

技术领域

本实用新型属于智能电网高压电器的智能保护设备技术领域，具体涉及一种气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)的操动机构机械特性在线监测和故障判断的专家诊断系统。

背景技术

GIS作为电力系统中最重要的设备之一，肩负着控制和保护的双重任务，如果在运行的过程中发生了故障又得不到及时的处理，将有可能给电网带来严重的危害，其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。国际大电网会议及我国电力研究院关于高压断路器故障的统计调查显示，断路器的大多数故障(主要故障的70％和次要故障的86％)发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等，因而加强对GIS设备操动机构机械特性的监测，提前发现潜在故障，对降低电力系统的运行成本、提高电力系统的安全性和可靠性具有非常重大的意义。

传统的高压断路器的机械特性在线监测装置都是针对35kV及以下电压等级运行的真空断路器设计的，而GIS都运行在110kV电压等级以上，其现场运行的电气指标比真空断路器运行要求更高，操动机构的机械部件更复杂，挂网运行时电网对断路器操动机构的电气控制单元的电场和磁场的耦合干扰特别恶劣。因此GIS操动机构机械特性在线监测及故障判断的专家诊断系统的设计要求不同于真空断路器。

2009年国家电网公司召开会议，提出了建设统一坚强智能电网的目标，并在2020年完成全国电网的智能化，并做了实现这一目标的阶段部署。GIS作为一种主要的一次智能电器设备，其操动机构的在线监测及故障判断的专家诊断系统就是其智能化的一项主要指标。符合智能化GIS的机械特性在线监测系统，不仅包括硬件元器件的选择和核心控制芯片的选型、硬件原理图的设计和高可靠要求的硬件电路板的制作，还必须对系统的电磁兼容性(EMC)进行有效的处理；同时还具备操动机构故障的智能专家诊断技术以及符合智能电网要求的变电站通讯网络和系统标准IEC61850规定的GOOSE报文传输协议的标准通讯接口。

目前，因为断路器的操动机构类型和电压运行等级不一样，现有的真空断路器机构的机械特性在线监测装置的功能、安装条件不适用于GIS的操动机构机械特性的在线监测，在更高电压等级运行环境下的电磁兼容性也无法保证，信号传感器及硬件核心元器件的选型、处理能力、适用条件都不一样，而且其软件系统也不具备符合GIS操动机构的故障专家诊断库以及其系统的通讯也没有符合智能电器标准要求的GOOSE报文传输的通讯协议接口，而这些都是GIS机械特性在线监测及潜在故障判断的诊断系统所要解决的问题和具备的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种GIS操动机构机械特性在线监测及故障判断的专家诊断系统，该专家诊断系统通过安装不同的信号传感器在GIS操动机构的各个监测部位，实时在线测量和记录动触头行程曲线、分合闸操动线圈电流波形、储能电机电流波形、辅助触点开关状态等参量，再利用CPU处理模块统一进行数据处理和存储，该系统不但具有自动诊断功能，而且能够通过通讯接口与变电站内网络连接，把GIS操动机构的机械特性参数和状态结果实时上传，给变电站控制中心提供操作依据。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：

该种GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，包括有CPU处理模块，所述CPU处理模块通过模拟信号调理电路连接有角位移曲线测量传感器、第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器；所述角位移曲线测量传感器设置于GIS旋转主轴上来测量GIS旋转主轴连动杆的旋转运动特性；所述第一霍尔电流传感器设置在GIS操动机构的分/合闸线圈上；所述第二霍尔电流传感器设置在GIS操动机构的储能电机的电源线上；所述CPU处理模块通过以太网或串行通信接口连接有上位机；所述CPU处理模块还通过光电隔离电路连接GIS操动机构的分合闸辅助触点；所述检测诊断系统还包括有一为整个系统提供电能的隔离电源模块。

进一步，上述第一霍尔电流传感器或第二霍尔电流传感器采用LEM公司的LTSR6-NP。

上述CPU处理模块是DSP嵌入式数据处理控制系统。

上述DSP嵌入式数据处理控制系统采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。

上述模拟信号调理电路包括电流信号调理电路和光电编码器输出信号调理电路；所述信号调理电路的输入端与角位移曲线测量传感器以及第一、二霍尔电流传感器的信号输出端连接。

上述电流信号调理电路包括一线性光耦，所述线性光耦分别连接有两路运放电路，每路运放电路包括有一运放、电容和电阻，所述线性光耦以及各运放电路中的运放均由所述隔离电源模块提供电能；所述运放的同相输出端接地、反向输入端与电阻的一端连接，所述电阻的另一端作为电流信号调理电路的输入端；所述电容一端接运放的反向输入端，另一端接运放的输出端，所述运放的输出端分别连接到线性光耦的端子上。

在上述两路运放电路中，一路运放电路中运放的输出端和反向输入端分别连接到线性光耦的输入端子上，另一路运放电路中运放的反向输入端和输出端分别连接到线性光耦的输入端子和输出端子上。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用了先进的传感器技术、DSP信号处理技术、网络通讯技术以及数字滤波等手段，实现了对GIS的分(合)闸时间、平均速度、触头行程、开距及超程等机械特性参量的在线测量。同时将测量到的机械特性信号数据进行特征分析，判断出目前这种特性所对应的机构运行状态及故障隐患。通过符合智能电网要求的通信接口与变电站网络连接，上传GIS机构运动的机械特性参数、状态结果及报警信号。

附图说明

图1为本实用新型的专家诊断系统原理框图；

图2为霍尔电流传感器安装位置示意图；

其中：CK---行程开关；HQ---合闸线圈(220V)；HA---合闸按钮；TQ---跳闸线圈(220V)；C1---分合闸线圈电流测量传感器；C2---储能电机电流测量传感器；HA---跳闸按钮；M---交直流两用储能电机(AC/DC220V)；

图3为为DSP芯片TMS320F2812为核心处理器的最小系统电路图；

图4为分(合)闸线圈电流信号调理电路和储能电机电流信号调理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，本实用新型的这种GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，包括有CPU处理模块，CPU处理模块上设置有SD存储卡和RAM内存。该CPU处理模块通过模拟信号调理电路连接有角位移曲线测量传感器、第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器。角位移曲线测量传感器设置于GIS旋转主轴上来测量GIS旋转主轴连动杆的旋转运动特性；第一霍尔电流传感器设置在GIS操动机构的分/合闸线圈上；第二霍尔电流传感器设置在GIS操动机构的储能电机的电源线上；第一、二霍尔电流传感器的测量与安装方式一样。如图2所示，在储能电机的回路导线上穿心一个储能电机电流测量传感器C2。由于分、合闸电流不可能同时出现，通过软件方法和辅助触点信号识别，可以仅在回路返回KM处安装一个霍尔电流传感器C1来分时测量分(合)闸线圈电流波形可以分时测量分、合闸线圈操动电流波形。

CPU处理模块通过以太网或串行通信接口连接有上位机。CPU处理模块还通过光电隔离电路连接GIS操动机构的分合闸辅助触点。本实用新型还包括有一为整个系统提供电能的隔离电源模块。

本实用新型的较佳实施例中，第一霍尔电流传感器或第二霍尔电流传感器采用LEM公司的LTSR6-NP。CPU处理模块是DSP嵌入式数据处理控制系统，且该DSP嵌入式数据处理控制系统采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。如图3为本实用新型用到的以DSP芯片TMS320F2812为核心处理器的最小系统电路图。

以上模拟信号调理电路包括电流信号调理电路和光电编码器输出信号调理电路；所述信号调理电路的输入端与角位移曲线测量传感器以及第一、二霍尔电流传感器的信号输出端连接。

参见图4，以上电流信号调理电路包括一线性光耦U11，线性光耦U11分别连接有两路运放电路，每路运放电路包括有一运放U8A/U8B、电容C5/C6和电阻R40/R41，线性光耦U11以及各运放电路中的运放U8A/U8B均由所述隔离电源模块提供电能；运放U8A/U8B的同相输出端接地、反向输入端与电阻R40/R41的一端连接，电阻R40/R41的另一端作为电流信号调理电路的输入端；电容C5/C6一端接运放U8A/U8B的反向输入端，另一端接运放U8A/U8B的输出端，运放U8A/U8B的输出端分别连接到线性光耦U11的端子上。所述两路运放电路中，一路运放电路中运放U8B的输出端和反向输入端分别连接到线性光耦U11的输入端子上，另一路运放电路中运放U8A的反向输入端和输出端分别连接到线性光耦U11的输入端子和输出端子上。

综上所述，本实用新型在操动机构的分/合闸线圈上安装霍尔电流传感器，测量分/合闸动作时操动线圈上的操动电流波形，不失真的采集到在线监测系统并存储。分合闸线圈电流传感器用来测量分闸、合闸线圈的操动电流信号，在断路器分合闸过程中，线圈电流波形包含的信息有铁芯行程，铁芯动作过程是否脱扣、卡涩、分合闸辅助触点状态等信息。

在诊断系统里面可以根据波形特征判断出来。霍尔电流传感器作为分(合)闸线圈电流的测量元件，具有出色的精度、良好的线性度、低温漂、反应时间快、频带宽度宽、无插入损耗、电流过载能力强、抗外界干扰能力强等优点。本实用新型的较佳实施例中，选用型号为LEM公司的LTSR6-NP，测量方式为信号线穿心一匝，做到了测量的电气隔离。其频带范围满足从直流分量到100KHz频带范围的信号测量，同时最小分辨率＜0.1A，频率响应＞10A/ms保证了测量信号的不失真。根据GIS分(闸)操动线圈动作电流有效值可能最大到5A，一般取额定值5A的两到三倍，则在10-15A左右，选用的LTSR6-NP测量范围为0-15A满足设计要求。霍尔电流传感器的安装方式为外置，与主机单板结构相分离，单独设计微型电路，带塑料制外壳，便于被测导线的安装引入。同时信号引线通过线缆和高标准端子器件引入机构箱中的单板。

本实用新型采用的光电编码盘式位移传感器，即使在恶劣的现场环境下依然能具有较高的精度，并且结构简单，可靠性高。在GIS旋转主轴末端安装了增量式光电编码器作为角位移曲线测量传感器。光电编码器利用光栅衍射原理实现位移数字变换，它通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量。通过测量主旋转轴的旋转角度时间曲线而间接的测量动触头直线位移-时间曲线，即行程曲线。通过该曲线进行数学计算，得到分合闸时间、速度、加速度特性，并由CPU处理模块对曲线进行特征分析，判断断路器是否存在机械卡涩、缓冲不良等机构部件故障隐患。根据主旋转轴的旋转速度特性，必须要考虑传感器灵敏度、分辨率、响应频率、信号处理难易度、抗干扰特性、抗负荷能力等。

本实用新型在硬件电路设计上还预留了2个模拟信号测量通道，主要是为了以后进一步扩展外部信号的采集，比如测量GIS机构动作时的机械振动信号和一次回路CT的电流输出信号。这些信号的测量会让机械特性的在线监测更加准确和完善。

Claims (8)

1.一种GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：包括有CPU处理模块，所述CPU处理模块通过模拟信号调理电路连接有角位移曲线测量传感器、第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器；所述角位移曲线测量传感器设置于GIS旋转主轴上来测量GIS旋转主轴连动杆的旋转运动特性；所述第一霍尔电流传感器设置在GIS操动机构的分/合闸线圈上；所述第二霍尔电流传感器设置在GIS操动机构的储能电机的电源线上；所述CPU处理模块通过以太网或串行通信接口连接有上位机；所述CPU处理模块还通过光电隔离电路连接GIS操动机构的分合闸辅助触点。

2.根据权利要求1所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：所述检测诊断系统还包括有一为整个系统提供电能的隔离电源模块。

3.根据权利要求1所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：第一霍尔电流传感器或第二霍尔电流传感器采用LEM公司的LTSR6-NP。

4.根据权利要求1所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：所述CPU处理模块是DSP嵌入式数据处理控制系统。

5.根据权利要求3所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：所述DSP嵌入式数据处理控制系统采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。

6.根据权利要求1所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：所述模拟信号调理电路包括电流信号调理电路和光电编码器输出信号调理电路；所述信号调理电路的输入端与角位移曲线测量传感器以及第一、二霍尔电流传感器的信号输出端连接。

7.根据权利要求6所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：所述电流信号调理电路包括一线性光耦(U11)，所述线性光耦(U11)分别连接有两路运放电路，每路运放电路包括有一运放(U8A/U8B)、电容(C5/C6)和电阻(R40/R41)，所述线性光耦(U11)以及各运放电路中的运放(U8A/U8B)均由所述隔离电源模块提供电能；所述运放(U8A/U8B)的同相输出端接地、反向输入端与电阻(R40/R41)的一端连接，所述电阻(R40/R41)的另一端作为电流信号调理电路的输入端；所述电容(C5/C6)一端接运放(U8A/U8B)的反向输入端，另一端接运放(U8A/U8B)的输出端，所述运放(U8A/U8B)的输出端分别连接到线性光耦(U11)的端子上。

8.根据权利要求7所述的GIS操动机构机械特性在线监测诊断系统，其特征在于：所述两路运放电路中，一路运放电路中运放(U8B)的输出端和反向输入端分别连接到线性光耦(U11)的输入端子上，另一路运放电路中运放(U8A)的反向输入端和输出端分别连接到线性光耦(U11)的输入端子和输出端子上。

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