CN205691742U - 一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置，该装置的组成包括：工控机、I/O控制板卡、继电器模块、调压模块、电源模块、电压调理模块、传感器模块、信号调理模块和数据采集模块；其中，工控机与I/O控制板卡相连；I/O控制板卡与继电器模块相连；调压模块与继电器模块相连；电源模块分别与传感器模块、信号调理模块、电压调理模块相连；传感器模块分别与电压调理模块、信号调理模块相连；信号调理模块与数据采集模块相连；数据采集模块与工控机相连。本实用新型能通过断路器三个环节动作过程中的振动与声音信号来反映其所处的机械状态，可方便、可靠地对断路器进行全面的故障诊断。

Description

一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置

技术领域

本实用新型涉及低压断路器动作过程中相关信号的检测，尤其是万能式断路器，当无法侵入式检测相关信号来反映断路器机械状态的时候，借助测量振动信号与声音信号的非侵入式故障诊断装置，属断路器故障诊断装置。

背景技术

断路器在电力系统运行中起控制和保护的作用，其运行、维护和检修情况与整个系统密切相关。万能式断路器作为低压大容量断路器的代表，其机械状态的好坏与低压配电网的运维水准密切相关。低压配电网的健康程度往往直接决定了电力用户的用电质量水平。如果低压断路器本身就出现故障，则无法用来分配电能和保护线路及电源设备的过载、欠电压、短路等，给低压电网带来重大的隐患。因此，针对万能式断路器应进行及时的故障诊断。

大多数断路器的故障诊断装置需采集分合闸线圈电流与电压、触头受力、动触头行程或主轴转角等测量信号，这些检测方式的缺点在于需与断路器电气连接或侵入其内部。需电气连接的检测方式无法带电安装，检测时会影响其所处电网部分的持续运行，而侵入式的检测方式的安装过程困难，不易于信号的检测。为实现非侵入式检测一般采用振动信号或者声音信号的检测，振动信号的检测方式抗干扰强，灵敏度高，但测量方向固定，仅能检测轴线方向引起的振动；声音信号的检测方式测量来源广，可更好地检测由触头动作引起不同方向振动以及内部其他连接机械器件振动所产生的声音，但易受周边噪声干扰，造成测量的不稳定性。两种检测方式的传感器安装方便，其中振动信号的测量仅需将加速度传感器粘贴在断路器的外壳，而声音传感器的检测，仅需将拾音器非接触地固定于断路器附近即可。因此，可采用振动与声音信号联合的检测方式，从而使断路器机械故障的诊断更便捷可靠。

断路器的动作过程分为储能、合闸、分闸三个环节，针对断路器的故障，一般仅以其中部分环节作为研究对象，如：仅对储能过程进行故障诊断，或者仅对分合闸过程进行故障诊断。但是断路器三个环节的任何一个环节出现故障，断路器都不能可靠运行。因此，需对断路器的三个环节的动作过程进行监测，以实现断路器动特性的故障诊断。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述不足，提供一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置，该装置通过工控机、调压模块与传感器模块等器件的协调作用，能在检测部分不与断路器电气连接或者非侵入式的情况下，检测断路器三个环节动作过程中的振动与声音信号来反映其所处的机械状态，可方便、可靠地对断路器进行全面的故障诊断。

本实用新型的技术方案为：

一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置，该装置的组成包括：工控机、I/O控制板卡、继电器模块、调压模块、电源模块、电压调理模块、传感器模块、信号调理模块和数据采集模块；

其中，工控机与I/O控制板卡相连；I/O控制板卡与继电器模块相连；调压模块与继电器模块相连；电源模块分别与传感器模块、信号调理模块、电压调理模块相连；传感器模块分别与电压调理模块、信号调理模块相连；信号调理模块与数据采集模块相连；数据采集模块与工控机相连；

所述的继电器模块为固态继电器；

所述的调压模块包括电磁继电器、交流接触器、同步齿轮减速电动机和调压器，其连接关系为电磁继电器与交流接触器相连，交流接触器与同步齿轮减速电动机相连，同步齿轮减速电动机与调压器相连；

所述的电源模块为开关电源；

所述的电压调理模块包括电压调理电路和恒流源模块，二者各自独立；

所述的传感器模块的组成包括四个各自独立的传感器，四个传感器分别为单轴压阻式加速度传感器、KZ501A拾音器、内装IC压电式加速度传感器和KZ502B拾音器；

所述的信号调理模块由四个相同且各自独立的的信号调理电路组成；

所述的数据采集模块为数据采集卡。

本实用新型的实质性特点为：

本实用新型是用于对万能式断路器的机械故障的诊断，确保检测对象的故障及时发现，从而有效地避免电网事故发生，保证断路器的保护特性的可靠性和稳定性。

其具有以下功能特点：

1、检测方式方便有效，加速度传感器和拾音器安装方便且无需与试品电气连接，检测时不影响断路器的正常运行，同时利用对应的振动与声音信号各自的优势，实现优势互补，可对框架式断路器故障有效地检测且故障诊断准确率高。

2、诊断装置的适应性好，针对不同厂家与型号的断路器，试验前只需通过调压模块，将电压调节到所对应产品的额定电压，便可对不同试品进行控制，进而实现对断路器动作过程中振动与声音信号的采集。

3、针对断路器的动作过程，选用不同型号的加速度传感器与拾音器测量，能够精确地检测对应的动作过程中的信号，实现对断路器整个动作过程的监测。

4、装置中的高性能工业控制机，可对试验数据自动存储，便于以后查询，并且内置先进的数据处理和分析软件，便于测试人员的操作使用。

本实用新型的有益效果为：本实用新型由工控机可通过PCL720+发出储能、合闸、分闸指令，使断路器完成相应的储能、合闸、分闸动作，检测时无需手动操作断路器，更方便地控制断路器动作过程，并且选用振动与声音信号的联合检测方式，二者结合具有互补性，能更好地反映断路器的机械状态，对储能、合闸、分闸动作过程中的振动与声音信号实时采集，实现断路器动作过程的全程监测。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是实用新型装置的组成图。其中虚线框内为振声检测新型装置。

图2是实用新型装置的控制电路；

图3是实用新型装置的信号采集示意图。

图4是实用新型装置的信号调理模块中的信号调理电路图。

图5是电压调理模块中的电压调理电路图。

图6是振声信号检测以及故障诊断流程图。

图7是万能式断路器故障在线诊断系统的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明，但它们不对本实用新型作任何限制。

本实用新型为一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置，整体结构框图如图1中虚线框内所示，其组成包括：工控机1、I/O控制板卡2、继电器模块3、调压模块4、电源模块5、电压调理模块6、传感器模块7、信号调理模块8、数据采集模块9；

其中，工控机1与I/O控制板卡2相连；I/O控制板卡2与继电器模块3相连；调压模块4与继电器模块3相连；电源模块5分别与传感器模块7、信号调理模块8、电压调理模块6相连；传感器模块7分别与电压调理模块6、信号调理模块8相连；信号调理模块8与数据采集模块9相连；数据采集模块9与工控机1相连；

I/O控制板卡2可采用研华PCL720+板卡；

继电器模块3为固态继电器；具体可优选美格尔JGX-1F固态继电器；

图2所示的控制电路表示，工控机通过PCL-720+板卡直接控制继电器模块中的固态继电器ACSSR，进而再通过固态继电器ACSSR的通断来控制调压模块，以实现对试品所需电压的调节。

调压模块4由电磁继电器、交流接触器、同步齿轮减速电动机和调压器组成，各器件之间的连接关系为电磁继电器与交流接触器相连，交流接触器与同步齿轮减速电动机相连，同步齿轮减速电动机与调压器相连；其中继电器模块3的固态继电器与调压模块4的电磁继电器相连，调压模块4的调压器与试品的附件线圈相连；具体可优选欧姆龙型号为LY4N-4的电磁继电器、德力西型号为CJX2-1810的交流接触器、ZHENG型号为60KTYZ的同步齿轮减速电动机、CHLVFU型号为TDGC₂-15的调压器；

电源模块5为开关电源；具体可优选为明伟Q-120C开关电源。

电压调理模块6分别由各自独立的电压调理电路和恒流源模块组成，其中电压调理电路与传感器模块7中的单轴压阻式加速度传感器相连，恒流源模块与传感器模块7中的内装IC压电式加速度传感器相连，电压调理电路与恒流源模块都与电源模块5相连，具体可采用由0.1～1μf的电容和20kΩ电阻组成的调理电路和朗斯LC0207恒流源模块；

传感器模块7的组成包括四个各自独立的传感器，四个传感器分别为单轴压阻式加速度传感器、KZ501A拾音器、内装IC压电式加速度传感器、KZ502B拾音器，其中传感器模块7的四个传感器的供电端分别与电压调理模块6、电源模块5相连，具体为传感器模块7中的单轴压阻式加速度传感器与电压调理模块6中的电压调理电路相连，传感器模块7中的内装IC压电式加速度传感器与电压调理模块6中的恒流源模块相连，传感器模块7中的KZ501A拾音器与KZ502B拾音器与电源模块5的+12V端子相连，传感器模块7的四个传感器的信号输出端分别与信号调理模块8中的四个信号调理电路的IN端子相连，其中四个传感器的安装为：单轴压阻式加速度传感器粘贴在试品的储能电机附近的支架上，尽量靠近储能电机处，KZ501A拾音器放置于试品附近即可，可放置于断路器前方2厘米左右的位置，而内装IC压电式加速度传感器粘贴在试品的基座横梁中间的位置，尽量靠近中间相触头，KZ502B可放置于试品后方2厘米左右的位置即可；单轴压阻式加速度传感器与KZ501A拾音器为用于检测储能过程的加速度传感器与拾音器，内装IC压电式加速度传感器与KZ502B拾音器为用于检测合闸与分闸过程的加速度传感器和拾音器。具体可优选检测储能过程的小量程的加速度传感器MEAS3255A和拾音器KZ501A，检测合闸与分闸过程的大量程的加速度传感器LC0159和拾音器KZ502B；

信号调理模块8由4个相同且各自独立的的信号调理电路组成，其中每一个信号调理电路都与电源模块5、传感器模块7、数据采集模块9相连，具体为信号调理模块8的每一个信号调理电路中的IN端子分别与传感器模块7中4个传感器的信号输出端相连，而每一个信号调理电路中的OUT端子分别与数据采集模块9中4个采集通道相连，并且每一个信号调理电路的+12V、-12V、+5V、-5V端子与电源模块5相连，其中每一个信号调理电路可采用集成运放、贴片电阻以及稳压二极管设计相应电路，集成运放作为核心元件，可选用TI的LM393N；

数据采集模块9可采用中泰USB7648A数据采集卡；

图3所示的四个传感器的接地端与信号调理电路的接地端共地，并且四个传感器的信号输出端分别与四个信号调理电路的IN端子相连，而四个信号调理电路的OUT端子分别与数据采集模块9中的4个采集通道相连。

图4所示的信号调理电路为电压并联负反馈电路，其输入与输出关系为其特点为输出电压稳定，带载能力强。同时，后端的二极管限幅电路可保证输入满足数据采集卡的电压要求，即-5～+5V。

图5所示的电压调理电路中的接线端子的1管脚接电源模块，接线端子的2管脚接地。

具体的连接方式如下所述。

首先将调压模块4与断路器的储能线圈、合闸线圈、分闸线圈、欠压线圈相连接，以便装置对断路器动作的控制，而传感器模块7中的加速度传感器仅需粘贴在断路器上，其中MEAS3255A粘贴在断路器储能电机附近的支架上，尽量靠近储能电机，而LC0159粘贴在断路器的基座横梁中间的位置；拾音器放置于断路器附近即可，如KZ501A可放置于断路器前方2厘米左右的位置，而KZ502B放置于断路器后方2厘米左右的位置即可。

工控机1通过I/O控制板卡2发出指令，经ISA总线将高/低电平信号传输到继电器模块3，以控制调压模块4给定合适的电压用于对断路器储能、合闸、分闸动作过程的控制以及保证断路器的合理运行；电源模块5将220V电压转换为+12V、-12V、+5V和-5V为其他各个模块供电；试验中的振动信号与声音信号经传感器模块7转换为电压信号，接至信号调理模块8进行信号的调理工作，调理使之符合数据采集模块9输入电平幅值要求后，再送入数据采集模块9进行A/D转换，最后经USB总线传输至工控机1中进行数据处理，其中储能过程中的振动与声音信号的检测采用传感器模块中的MEAS3255A和KZ501A，而合闸与分闸过程中的振动与声音信号的检测采用传感器模块中的LC0159和KZ502B。如图3所示，振动与声音信号检测所用的四个传感器、信号调理模块以及USB-7648A数据采集卡都需要共地，以保证信号测量的准确，每个传感器经信号调理模块后，输入到采集卡不同的通道，保证振动与声音信号的同步采集。

将所设计的万能式断路器动作的振声检测装置用于万能式断路器故障在线诊断系统时，图6为振动与声音信号的故障诊断流程，可见断路器动作过程产生的振动与声音信号经过工控机上基于LabVIEW平台的程序处理后可得出相应的机械状态，图7为断路器的故障诊断测试界面和结果，可方便的控制断路器的运行，采集断路器的振动与声音信号，存储所采集信号的数据，并且监测断路器动作过程中的机械状态，得出对应的故障类型。

本实用新型涉及的程序和协议为器件自带或公知技术。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims (1)

1.一种基于振声检测的万能式断路器机械故障诊断装置，其特征为该装置的组成包括：工控机、I/O控制板卡、继电器模块、调压模块、电源模块、电压调理模块、传感器模块、信号调理模块和数据采集模块；

其中，工控机与I/O控制板卡相连；I/O控制板卡与继电器模块相连；调压模块与继电器模块相连；电源模块分别与传感器模块、信号调理模块、电压调理模块相连；传感器模块分别与电压调理模块、信号调理模块相连；信号调理模块与数据采集模块相连；数据采集模块与工控机相连；

所述的继电器模块为固态继电器；

所述的调压模块包括电磁继电器、交流接触器、同步齿轮减速电动机和调压器，其连接关系为电磁继电器与交流接触器相连，交流接触器与同步齿轮减速电动机相连，同步齿轮减速电动机与调压器相连；

所述的电源模块为开关电源；

所述的电压调理模块包括电压调理电路和恒流源模块，二者各自独立；

所述的传感器模块的组成包括四个各自独立的传感器，四个传感器分别为单轴压阻式加速度传感器、KZ501A拾音器、内装IC压电式加速度传感器和KZ502B拾音器；

所述的信号调理模块由四个相同且各自独立的的信号调理电路组成；

所述的数据采集模块为数据采集卡。