CN203365632U - 高压断路器机械特性检测与故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

高压断路器机械特性检测与故障诊断装置，涉及一种电力技术领域的开关装置。包括：电源模块、AD转换模块、USB/RS232通讯模块、计算机、信号处理模块、控制模块、采集模块和USB/RS232通讯模块。本实用新型的装置集成了多路采集信号，包括弹簧操动机构高压断路器储能电机回路电流、合闸脱扣器线圈电流、分闸脱扣器线圈电流、断路器振动信号以及主轴旋转的角位移与速度信息量，通过采集不用形式的信息量来获取高压断路器机械特性状态的局部信息，经过装置中的信号处理模块的分析，将局部信息合并、叠加、推演，产生出对高压断路器机械特性的判断信息。该装置结构简单，使用方便，监测稳定。

Description

高压断路器机械特性检测与故障诊断装置

技术领域

本实用新型涉及一种电力技术领域的开关装置，特别涉及一种高压断路器机械特性检测与故障诊断装置。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，近年来电力需求的增长也随之加快，对电网供电的可靠性和经济性提出了更高的要求。断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，也是变电站里机械和电气动作最频繁的设备，其安全可靠运行具有十分重要的工程实际意义。高压断路器应既能够开断、关合及承载运行线路的正常工作电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电流等。

国际大电网会议对高压断路器的可靠性进行过两次世界范围内的调查，我国也对高压开关事故进行过大量的统计分析。相应的调查和统计报告均表明，高压断路器故障80%是机械的原因，大多数故障是操动机构的问题降。以往对高压断路器机械性能的检查主要是在设备交接及停电期间结合检修定期进行预防性试验，更换部件，检查操作机构的机械特性。由于电力系统中高压断路器的数量较多，因此其检修量大且费用高。根据相关统计资料的数据，变电站维护费用的一半以上是用在高压断路器上，而其中60%又是用于断路器的小修和例行检修上。另外，根据统计有10%的断路器故障是由不正确的检修造成；断路器的大修完全解体，既费时间，费用也很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。在目前相对保守的计划检修中，检修缺乏一定的针对性。经验表明，频繁的操作及过度的拆卸检修会降低高压断路器动作的可靠性。因此，如何对断路器的工作状态进行有效的检测，及时发现断路器的早期故障，对有缺陷部位提前进行处理，避免断路器故障恶性发展，防止断路器爆炸等恶性事故的发生，对于保障电网的安全可靠运行有着十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是改善现有高压断路器机械特性监测及故障诊断装置不能超远距离传输的缺陷，提供一种高压断路器机械特性检测与故障诊断装置，实现对高压断路器运行状态的准确监测。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种高压断路器机械特性检测与故障诊断装置，包括：电源模块、AD转换模块、电平转换电路，其特征在于：还包括计算机、信号处理模块、采集模块和USB/RS232通讯模块，断路器的输出端连接采集模块的输入端，采集模块的输出端连接第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出端连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出端连接信号处理模块的输入端，信号处理模块的一个输出端连接控制模块的输入端，信号处理模块的另一个输出端通过USB/RS232通讯方式与计算机进行通讯，控制模块的输出端连接断路器的输入端。

所述的控制模块包括继电器、发光二极管、三极管、续流二极管和电阻，其中，第一继电器的一次侧的第3管脚经第一发光二极管、第一电阻接第一三极管的集电极，同时第一继电器的一次侧的第3管脚经第一续流二极管也接第一三极管的集电极，第一三极管的发射极接地，第一继电器的第4管脚连接外部插针接口的第1管脚；

第二继电器的一次侧的第3管脚经第二发光二极管、第二电阻接第二三极管的集电极，同时第二继电器的一次侧的第3管脚经第二续流二极管也接第二三极管的集电极，第二三极管的发射极接地，第二继电器的第4管脚连接外部插针接口的第2管脚；

第一继电器的第2管脚、第二继电器的第2管脚均连接外部插针接口的第3管脚。

所述的采集模块由位移传感器、振动传感器、线圈电流传感器、储能电机电流传感器、永磁线圈电压传感器和永磁线圈电流传感器组成。

本实用新型的优点：本实用新型的装置集成了多路采集信号，包括弹簧操动机构高压断路器储能电机回路电流、合闸脱扣器线圈电流、分闸脱扣器线圈电流、断路器振动信号以及主轴旋转的角位移与速度信息量，通过采集不用形式的信息量来获取高压断路器机械特性状态的局部信息，经过装置中的信号处理模块的分析，将局部信息合并、叠加、推演，产生出对高压断路器机械特性的判断信息。该装置结构简单，使用方便，监测稳定，适用于弹簧操动机构和永磁操动机构交流高压断路器机械状态监测与故障诊断。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式高压断路器机械特性检测与故障诊断装置结构框图；

图2为本实用新型一种实施方式位移传感器外围电路原理图，其中，(a)为与位移传感器相连接的插针电路原理图，(b)为与位移传感器相连接的放大调理电路原理图；

图3为本实用新型一种实施方式合、分闸脱扣器线圈电流采集电路原理图；

图4为本实用新型一种实施方式合、分闸永磁线圈电压采集电路原理图；

图5为本实用新型一种实施方式CH13-100P传感器的电路原理图；

图6为本实用新型一种实施方式电平转换电路的电路原理图；

图7为本实用新型一种实施方式AD采集模块电路原理图；

图8为本实用新型一种实施方式信号处理模块电路原理图；

图9为本实用新型一种实施方式控制电路的电路原理图；

图10为本实用新型一种实施方式RS-232通讯方式的电路原理图；

图11为本实用新型一种实施方式以CH376为核心的USB通讯电路原理图；

图12为本实用新型一种实施方式5V-3.3V电源转换电路的电路原理图；

图13为本实用新型一种实施方式5V-2.5V电源转换电路的电路原理图；

图14为本实用新型一种实施方式高压断路器行程信号在示波器显示的波形，其中，(a)为高压断路器分闸波形示意图，(b)为高压断路器合闸波形示意图；

图15为本实用新型一种实施方式高压断路器行程信号在上位机显示波形，其中，(a)为高压断路器分闸波形示意图，(b)为高压断路器合闸波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步详细的说明。

本实施方式中，采用的高压断路器机械特性检测与故障诊断装置总体框图如图1所示。采集模块包括DHWDJ-1736F型位移传感器、LC0102T型振动传感器、CHB-25NP/SP7型线圈电流传感器、CHB-100P型储能电机电流传感器、CHV-25P型永磁线圈电压传感器、CHB-100P型永磁线圈电流传感器。其中，DHWDJ-1736F型位移传感器用来测量断路器触头的行程，其与外围电路中的插针连接如图2中的(a)所示，DHWDJ-1736F型为移传感器有一个输出端，该输出端连接到JP15插针的第2号管脚。另外由于工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，因此，本实施方式还采用了信号调理放大电路对上述的工业这些信号进行调整。本实施方式中，DHWDJ-1736F型位移传感器输出的电压为5V，经过信号调理放大电路后将其放大至3.3V，而3.3步正是接收其信号的AD采样模块所能接收到的标准信号，通过这样的转换，来实现不同装置之间的数据传递，具体连接如图2的(b)所示，DHWDJ-1736F型位移传感器的输出端连接信号调理放大电路中OP07芯片U6的第3号管脚连接。对行程信号的测量有两种实现方式：一种是监测主轴角位移及角速度信号，主要由电阻式角位移传感器或增量式旋转编码器(增量式旋转编码器为三端输出，通过联轴器与断路器的主轴相连，主轴旋转时，光栅旋转A、B端产生方波脉冲，且相差90°，通过判断A或B端上升沿时，另一端的高、低电平，可以判断主轴的旋转方向，由于编码器+12V供电，输出的方波脉冲高电平为+12V，通过光耦、比较器和运算放大器组成的降压电路将+12V高电平降到+3V，作为主轴旋转状态信号输出)和电平转换电路组成监测模块，间接反映动触头行程、速度信息；另一种方式是直接测量动触头绝缘拉杆，主要由电阻式直线位移传感器和电平转换电路组成，本实施方式中给出的电路框图正是第二种方式。由于机械摩擦会有干扰产生，所以提高其电阻两端电压，提高信噪比，最后将输出信号通过电平转换电路降压后才能输入给信号处理模块。

LC0102T型振动传感器，其与断路器的连接有2种方式，一种方式是利用位于振动传感器底部的扁平型吸铁石，将振动传感器吸附于断路器上，另一种方式是使用螺丝固定于断路器本体上，断路器有振动 就带动着传感器振动，进而采集不同动作时期的断路器的振动情况。

CHB-25NP/SP7型线圈电流传感器用来采集分、合闸脱扣器回路电流。电磁脱扣器与被保护电路串联。线路中通过正常电流时，电磁铁产生的电磁力小于反作用力弹簧的拉力，衔铁不能被电磁铁吸动，断路器正常运行。当线路中出现短路故障时，电流超过正常电流的若干倍，电磁铁产生的电磁力大于反作用力弹簧的作用力，衔铁被电磁铁吸动通过传动机构推动自由脱扣机构释放主触头。主触头在分闸弹簧的作用下分开切断电路起到短路保护作用。本实施方式中，脱扣器电流采集电路如图3所示，其中，插针JP18的第1号管脚和第2号管脚连接断路器，输出端DL/SP7连接电平转换电路的ZDDPZH输入端。

CHV-25P型永磁线圈电压传感器，用来采集永磁线圈电压信号。通电后永磁线圈产生吸引力，永磁线圈电压的大小直接关系到产生磁力的大小，产生的磁力可以吸附拉杆(使拉杆固定在合闸位置或者是分闸位置)进而控制动触头的关合，即实现了对断路器分合闸的控制。通过采集永磁线圈电压信号 看永磁线圈电压信号是否正常，不正常就说明该电压不符合要求，不能保持拉杆，也即无法保持分合闸的位置，进而起到对断路器检测的作用。如图4所示，插针JP22的第1号管脚和第2号管脚连接断路器，YCDY输出端连接电平转换电路的ZDDPZH输入端。

本实施方式中，型号为CH13-100P的永磁线圈电流传感器，用于采集合、分闸永磁线圈电流。通电后永磁线圈产生磁场，该磁场产生控制动触头关合的吸引力，永磁线圈电流的大小直接关系到产生磁力的大小。通过采集永磁线圈电流信号看永磁线圈电流信号是否正常，不正常就说明该电流不符合要求，不能保持拉杆，也即无法保持分合闸的位置，进而起到对断路器检测的作用。本实施方式中采用对永磁线圈电流、电压同时监测的方法，使得对断路器的检测和故障诊断更加安全可靠。如图5所示，插针JP28的第1号管脚和第2号管脚连接断路器，YCDL输出端连接电平转换电路的ZDDPZH输入端。

本实施方式中，型号为CH13-100P的储能电机电流传感器，用于采集弹簧操动机构断路器储能电机回路电流。断路器合闸时需要巨大的能量(即合闸的动力)，本实施方式中利用储能电机将弹簧压缩或拉长，进而完成合闸操作。储能电机电流小，则储能电机就动作不了或者是动作一半就停了完成不了合闸操作，就证明断路器故障。由于本实施方式中永磁线圈电流传感器、储能电机电流传感器的型号均相同，储能电机电流传感器的连接与永磁线圈电流传感器相同，在此不再赘述。

本实施方式中利用6个传感器所采集到的信号要传递给AD数据转换模块进行模数转换。由于AD采集模块输出信号在0～5V之间，而信号处理模块供给电源为3.3V，所以在两者之间需要加入一个电平转换电路，作为信号传递的桥梁。由于AD转换模块有差分输入的特点，本实施方式通过运算放大器来设计电平转换电路，使其接受双极性输入，扩大AD转换模块的采集信号范围，保证对多路含有负信号的采集通道的正常运行，将0V到5V采集范围扩大到-5V到+5V。电平转换电路如图6所示，该电路的作用是将采集模块输出的信号进行电平转换，转换成0～5V信号，满足AD采样模块采集的信号范围。6路传感器信号并行将各自采集到的信号输入到电平转换电路的ZDDPZH端。

经过电平转换模块后的数据信号进入AD转换模块，如图7所示。AD转换模块主要由ADS8364芯片及其外围电路组成，其外围电路包括两个片选芯片、一个复位电路和一个晶振电路。片选JPPX_1用于对信号处理模块工作区域进行选取，其CS管脚连接ADS8364芯片的第31管脚(即CS片选脚)，XZCS6管脚连接信号处理模块的BUF_CS0管脚。片选JPPX1用于与信号处理模块进行信号的读写，其CS管脚连接ADS8364芯片的CS管脚，RD管脚连接信号处理模块的RD管脚。复位电路通过RESET管脚连接ADS8364的RESET管脚，晶振电路通过CLK管脚连接ADS8364的CLK管脚。

本实施方式中的信号处理模块采用TMS320F28335，电路原理图如图8所示。信号处理模块主要接收计算机的状态指令，根据计算机发送来的控制继电器合闸或分闸的控制指令，产生高、低电平控制信号，使断路器所在回路闭合或者断开，然后再利用采集模块采集断路器的相关参数，通过这样的一个闭环过程，来实现对高压断路器机械特性检测与故障诊断。

本实施方式中，控制电路由继电器(JQC-1和JQC-2)、发光二极管(DS1和DS2)、三极管(Q1和Q2)、续流二极管(D1和D4)和电阻(R1和R5)组成。三极管作为一个可控开关和放大作用，给基极通过10k电阻通电则导通，集电极通过1k电阻连接着发光二极管输出端、续流二极管的正端、继电器一次侧的输出管脚，发射极接地，发光二极管、续流二极管的另一端接+5V电源，继电器一次侧的输入管脚接+5V电源，继电器二次侧接AC220V。当给基极通电，三极管导通，则发光二极管发光，指示三极管及继电器工作，继电器关合，二次侧AC220V接入二次侧电路。具体电路如图9所示，插针JP13的第1号管脚、第2号管脚和第3号管脚连接断路器，GPIO0管脚连接TMS320F28335的GPIO0管脚，用于控制继电器的合闸。计算机发送合闸指令到信号处理模中，信号处理模得到指令后向JQC-1合闸继电器发出高电平信号，控制继电器动作，进而完成断路器合闸动作；断路器动作后产生的各个信号通过电平转换电路发送至AD转换模块，在通过电平转换电路发送至信号处理模模块中。GPIO1管脚连接TMS320F28335的GPIO1管脚，用于控制继电器的分闸。

计算机发送分闸指令到DSP中，DSP得到指令后向JQC-2分闸继电器发出高电平信号，控制继电器动作，进而完成断路器分闸动作。同时，计算机作为下位机，还承担了故障检测的功能。计算机内存储有标准信号波形，包括标准的弹簧操动机构高压断路器储能电机回路电流波形、合闸脱扣器线圈电流波形、分闸脱扣器线圈电流波形、断路器振动信号波形以及主轴旋转的角位移波形与速度信息量波形，采集模块将采集到的数据传递给下位机，输出的波形与位于下位机内的标准波形进行比对，如果与标准信号吻合，则证明断路器工作正常，若与标准信号不吻合，则说明断路器故障，进行报警。

信号处理模块通过USB/232与计算机进行通讯。USB/232通信可以改变现有RS-232(如图10所示)、RS-485/422串口不能远距离传输这一缺陷。本实施方式中采用的USB/232型号为CH376，如图11所示。CH376的TXD引脚通过1KΩ左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使CH376工作于并口方式。USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线，通常，+5V电源线是红色，接地线是黑色，D+信号线是绿色，D-信号线是白色，如表1所示。

表1为USB电缆线数字编号与颜色

USB插座USB HOST可以直接连接USB设备，必要时可以在提供给USB设备的+5V电源线上串接具有限流作用的快速电子开关，USB电源电压必须是5V。电容C40用于CH376内部电源节点退耦，C40是容量为4700pF到0.02μF的独石或者高频瓷片电容。电容CJ16用于外部电源退耦，CJ16是容量为0.1μF的独石或者高频瓷片电容。晶体X1、电容C42和C43用于CH376的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确，晶体X1的频率是12MHz±0.4‰，C42和C43是容量为15pF～30pF的独石或高频瓷片电容。

为使CH376可靠复位，电源电压从0V上升到5V的上升时间应该少于100ms。如果电源上电过程较慢并且电源断电后不能及时放电，那么CH376将不能可靠复位。可以在U16中的第2号管脚(RST376引脚)与VCC(+3.3V)之间跨接一个容量为0.1μF或者0.47μF的电容延长复位时间。

如果CH376的电源电压为3.3V，那么应该将V3引脚与VCC引脚短接，共同输入3.3V电压，并且电容C40可以省掉。

在设计印刷线路板PCB时，需要注意：退耦电容C42和C43尽量靠近CH376的相连引脚；使D+和D-信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰；尽量缩短XI和XO引脚相关信号线的长度，为了减少高频时钟对外界的干扰，可以在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。

电源模块由220V交流电转直流电源模块(AC-DC)、+12V转24V电源转换模块(DC-DC)及电平转换模块。因为电流传感器为±12V供电、振动传感器为24V供电、位移传感器设置为+12V或+24V供电、继电器等需要5V供电、需要一个2.5V基准电平、数字电路部分需要3.3V电源供电，所以在电源电路采用220V交流电转直流电源模块(AC-DC)，为装置提供±12V、5V电源，使用升压转换电路将+12V电平转换为24V电平，使用AMS1117芯片构成的5V-3.3V电源电路为信号处理模块提供电源，使用REF5025构成的+5V-+2.5V电源电路提供基准电平。电源模块原理图如图12、图13所示。

通过图14与图15高压断路器行程信号的示波器采样波形和上位机显示波形对比可以看出，两者的波形趋势和幅值基本一致，证明了此套可视化便携式高压断路器机械特性记录系统的准确性。

该装置通过以ZN63B-12型户内高压断路器为实验对象，对ZN63B-12型户内高压断路器在离线状态下的机械特信号性进行采集。数据经过信号采集、信号放大电路、AD模数转换电路、数字信号处理器、数据存储各个模块的处理，利用U盘通过USB接口将数据信号导出，PC机通过利用上位机显示软件系对U盘进行识别、扫描和读取操作，将信号经过处理后由曲线形式显示于上位机界面。实践充分印证，本实用新型具有直观性、快速性、灵活性和便捷性。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种高压断路器机械特性检测与故障诊断装置，包括：电源模块、AD转换模块、电平转换电路，其特征在于：还包括计算机、信号处理模块、采集模块和USB/RS232通讯模块，断路器的输出端连接采集模块的输入端，采集模块的输出端连接第一电平转换电路的输入端，第一电平转换电路的输出端连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出端连接信号处理模块的输入端，信号处理模块的一个输出端连接控制模块的输入端，信号处理模块的另一个输出端连接计算机的输入端，控制模块的输出端连接断路器的输入端。

2.根据权利要求1所述的高压断路器机械特性检测与故障诊断装置，其特征在于：所述的控制模块包括继电器、发光二极管、三极管、续流二极管和电阻，其中，第一继电器(JQC-1)的一次侧的第3管脚经第一发光二极管(DS1)、第一电阻(R1)接第一三极管(Q1)的集电极，同时第一继电器(JQC-1)的一次侧的第3管脚经第一续流二极管(D1)也接第一三极管(Q1)的集电极，第一三极管(Q1)的发射极接地，第一继电器(JQC-1)的第4管脚连接外部插针接口(JP13)的第1管脚；

第二继电器(JQC-2)的一次侧的第3管脚经第二发光二极管(DS2)、第二电阻(R5)接第二三极管(Q2)的集电极，同时第二继电器(JQC-2)的一次侧的第3管脚经第二续流二极管(D4)也接第二三极管(Q2)的集电极，第二三极管(Q2)的发射极接地，第二继电器(JQC-2)的第4管脚连接外部插针接口(JP13)的第2管脚；

第一继电器(JQC-1)的第2管脚、第二继电器(JQC-2)的第2管脚均连接外部插针接口(JP13)的第3管脚。

3.根据权利要求1所述的高压断路器机械特性检测与故障诊断装置，其特征在于：所述的采集模块由位移传感器、振动传感器、线圈电流传感器、储能电机电流传感器、永磁线圈电压传感器和永磁线圈电流传感器组成。

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