CN207439672U - 一种基于微处理器的便携式框架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微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置。该装置的组成包括：储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块、微处理器模块、上位机和电源模块；电源模块分别与储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块、微处理器模块相连；微处理器模块分别与储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、信号调理模块、锁相模块和上位机相连；储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块分别与传感器模块相连；传感器模块分别与信号调理模块、锁相模块相连。本装置既可对框架式断路器进行出厂前检测又可在使用现场进行机械故障诊断。

Description

一种基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置

技术领域

本实用新型属于断路器机械故障诊断装置，具体为一种基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置。该装置可以实现低压断路器机械动作过程中操作附件的相关信号检测，尤其是框架式断路器，当需要进行断路器出厂前检测或现场检测即在使用现场进行机械故障诊断时，可借助检测断路器动作过程中的电流信号、电压信号、振动信号和声音信号的机械故障诊断装置。

背景技术

随着电力工业的发展,电网的容量日益增大。框架式断路器作为低压供电系统中必不可少的设备之一，起着保护及控制的作用，其健康状况的优良与电力系统能否正常运作息息相关。为确保电力系统的可靠运转，对断路器的使用寿命及质量提出严格要求。因此，对框架式断路器进行出厂前检测和使用现场的机械故障诊断就显得尤为重要。该技术能够把握断路器出厂前和使用中的健康状况，能对出现的异常情况进行相应的故障诊断，便于及时维修，这对提高电力设备的可靠性具有重要作用。

目前，断路器的故障诊断装置大都需要采集断路器主轴转角、触头受力、动触头行程等测量信号。这些装置的信号采集方式存在一些缺陷，如动触头行程或主轴转角信号需要打开断路器本体进行传感器的安装，触头受力改变了触头的行程距离，这些测量方式破坏了断路器的机械结构，因此不能准确反映断路器在实际运行过程中的机械状态。除此之外，一些装置本身体积较大、不易携带且操作复杂，难以对断路器进行现场机械故障诊断。研究发现，断路器在动作过程中操作附件线圈电流信号会随着断路器机械结构的细微变化而发生变化，由此可得，通过对电流信号的检测与分析能够及时发现断路器操作附件回路及其连锁机械结构在运行过程中发生的运行状态变化，且此方式不会对断路器的本体结构造成损害。电流信号又具有高稳定性、易于检测等特点，可使其作为断路器的检测参数之一。考虑到断路器在运行过程中，合分闸线圈回路380V交流电源初始相位会对电流波形乃至对诊断结果产生影响，为了消除这一影响进一步提高故障诊断的准确率，本装置在进行诊断时可使合分闸线圈回路在给定的电源相位下接通，进行故障诊断；也可在其他相位下接通检测断路器的动作特性。此外辅助以对断路器合分闸过程中的振动信号和声音信号的检测来对断路器触头系统进行机械故障诊断，可以达到较为理想的诊断效果。以上三种检测方式的传感器安装方便，其中电流信号的检测只需将断路器的储能电机线圈以及合分闸线圈的电气连接线接入该装置内部对应的开关模块即可；振动信号的检测只需将加速度传感器垂直安装于断路器的基座横梁的中间位置即可；声音传感器的检测只需将拾音器非接触地放置于断路器后方20厘米左右的位置即可。此三种检测方式保障了本装置后续进行故障诊断的准确性。

框架式断路器的机械动作过程分为储能、合闸、分闸三个环节，此三个环节相互关联，且依次进行，其中任何一个环节出现异常，断路器都可能发生故障。因此，为了实现断路器更全面的机械故障诊断，需对断路器储能、合闸、分闸三个环节的动作过程全部进行监测。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述不足，提供一种基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置，该装置以微处理器为核心，采用模块化设计，用三个电流传感器分别检测断路器运行中储能、合闸、分闸三个阶段的操作附件线圈电流信号；用一个加速度传感器和一个拾音器检测断路器合闸与分闸两个阶段的触头系统振动信号和声音信号；用一个电压传感器检测操作附件线圈回路电压；能在不破坏断路器机械结构的前提下，由传感器模块与微处理器模块等协作完成对断路器操作附件线圈电流信号、振动信号和声音信号的检测；由锁相模块、微处理器模块、合闸开关模块与分闸开关模块协作完成对断路器合分闸线圈回路接通时电源相位的控制，由上位机完成对数据的处理和故障诊断，可方便、可靠地对断路器进行出厂前检测和使用现场的故障诊断。

本实用新型的技术方案为：

一种基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置，其组成包括：储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块、微处理器模块、上位机和电源模块；

其中，电源模块分别与储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块、微处理器模块相连；微处理器模块分别与储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、信号调理模块、锁相模块、上位机相连；储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块分别与传感器模块相连；传感器模块分别与信号调理模块、锁相模块相连。

所述的储能开关模块由固态继电器和接触器组成，二者相连；

所述的合闸开关模块和分闸开关模块组成相同，都由ULN2003、光耦、双向可控硅TH串联构成；

所述的传感器模块的组成包括六个各自独立的传感器，分别为三个霍尔电流传感器CHF-10P、一个霍尔电压传感器CHV-25P、一个内装IC压电式加速度传感器LC0159和一个KZ-502B拾音器；

所述的信号调理模块由六个各自独立的的信号调理电路组成，包括三个相同的电流信号调理电路、一个电压信号调理电路、一个振动信号调理电路和一个声音信号调理电路；

所述的锁相模块的组成包括过零比较电路U3、锁相环电路U4和稳压管U5，三者依次串联；

所述的微处理器模块的组成包括单片机；

所述的上位机采用笔记本电脑；

所述的电源模块包括相互独立的两种型号的开关电源。

本实用新型的有益效果为：

用于对框架式断路器的出厂前检测和使用现场的机械故障诊断。在断路器动作过程中便于及时发现故障，及时维修，保证断路器的可靠性与稳定性。本装置无需手动操作断路器，可由单片机发出储能、合闸、分闸指令，使断路器完成相应操作，能够方便地控制断路器的整个动作过程；选用对断路器机械状态变化敏感的电流信号为主要检测信号，在储能、合闸、分闸三个环节动作过程中对其进行检测，更加精确地检测出断路器动作特性的微弱变化，有针对性的对合闸与分闸两个动作过程中的振动信号和声音信号进行采集和处理，增加了故障诊断类型。同时此装置还实现了合分闸线圈回路在给定相位下的机械故障诊断，也可观察其他相位下断路器的动作特性。此装置是一种便携式的机械故障诊断装置既可对框架式断路器进行出厂前检测又可在使用现场进行机械故障诊断。

具体体现在以下几点：

1、诊断故障类型丰富。通过检测储能电机电流信号，合闸线圈电流信号和分闸线圈电流信号等主要信号可以诊断断路器储能弹簧卡涩、储能弹簧脱落、传动齿轮卡涩、铁芯行程不足、铁芯卡涩、机械结构卡涩、衔铁行程不足和顶杆阻力异常等机械故障；通过检测振动信号和声音信号等辅助信号可以诊断虚假合闸、分闸不彻底和三相不同期等机械故障。

2、装置模块化程度高，便于携带且检测方式方便有效。检测电流信号时，只需将断路器的储能电机以及合分闸线圈的电气连接线与装置内部对应开关模块相连即可；检测振动信号时，只需将加速度传感器垂直安装于断路器的基座横梁的中间位置即可；检测声音信号时，只需将拾音器非接触地固定于断路器后方20厘米左右的位置即可，以上传感器安装简单方便，且不会对断路器的本体造成损害。此三种检测方式能准确的检测断路器在运行过程中发生的机械结构变化，保障了本装置后续进行故障诊断的准确率。

3、装置中的STM32F103RCT6单片机其ARM处理器内核实现了系统的快速数据采集与处理，满足了系统的实时性。

4、装置具有合分闸线圈回路电源相位控制功能，可以实现给定相位的机械故障诊断，也可观察其他相位下断路器的动作特性。锁相模块电路相位跟踪特性好；合闸开关模块和分闸开关模块中由双向可控硅作为开关器件，双向可控硅响应速度快，可在不同相位下实现开关作用；又加以单片机自身定时精度高，综合提高了合分闸线圈回路接通时的电源相位控制精度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型装置的组成结构图，其中虚线框内为检测新型装置。

图2是本实用新型装置的信号采集示意图。

图3是本实用新型装置的合分闸开关模块电路图。

图4是本实用新型装置的电流/电压信号调理电路图。

图5是本实用新型装置的振动信号调理电路图。

图6是本实用新型装置的声音信号调理电路图。

图7是本实用新型装置的锁相模块电路原理图。

图8是本实用新型装置的微处理器模块示意图。

图9是本实用新型装置的单片机供电电路图。

图10是本实用新型装置的电流传感器接线图。

图11是本实用新型装置的电压传感器接线图。

图12是本实用新型装置的加速度传感器接线图。

图13是本实用新型装置的拾音器接线图。

图14是本实用新型装置的微处理器模块流程图。

图15是本实用新型装置的上位机故障诊断流程图。

图16是本实用新型装置的上位机信号测试图。

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。

本实用新型装置为一种基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置，整体结构如图1所示，其组成包括：储能开关模块1、合闸开关模块2、分闸开关模块3、传感器模块4、信号调理模块5、锁相模块6、微处理器模块7、上位机8和电源模块9；

其中，电源模块9分别与储能开关模块1、合闸开关模块2、分闸开关模块3、传感器模块4、信号调理模块5、锁相模块6、微处理器模块7相连；微处理器模块7分别与储能开关模块1、合闸开关模块2、分闸开关模块3、信号调理模块5、锁相模块6、上位机8相连；储能开关模块1、合闸开关模块2、分闸开关模块3分别与传感器模块4相连；传感器模块4分别与信号调理模块5、锁相模块6相连；断路器附件中储能电机线圈回路、分闸线圈回路、合闸线圈回路的一条电气连接线分别与储能开关模块1、合闸开关模块2、分闸开关模块3相连；

所述的储能开关模块1由固态继电器和接触器组成，二者相连。具体可优选欧姆龙G3MC-202PL固态继电器和施耐德LC1D12交流接触器；由固态继电器控制接触器的通断，来控制储能动作。

所述的合闸开关模块2和分闸开关模块3组成相同，都由ULN2003、光耦、双向可控硅TH串联构成，其连接方式如图3所示。微处理器模块7产生的驱动信号经R1进行3.3V上拉接入ULN2003的输入端进行放大，ULN2003的输出经R2进行15V上拉后与光耦相连，光耦输出经R5、R6、R7后与双向可控硅TH相连，TH与合分闸线圈回路相接。

所述的传感器模块4的组成包括六个各自独立的传感器，分别为三个霍尔电流传感器CHF-10P、一个霍尔电压传感器CHV-25P、一个内装IC压电式加速度传感器LC0159和一个KZ-502B拾音器。其中霍尔电流传感器和霍尔电压传感器均与电源模块9中的±15V端子相连；加速度传感器与自带的恒流源相连，该恒流源与电源模块9中的+24V端子相连；拾音器与电源模块9中的+12V端子相连。六个传感器的信号输出端分别与信号调理模块5中的六个信号调理电路的IN端子相连。六个传感器的安装方式为：三个霍尔电流传感器IN+端分别与储能开关模块1、合闸开关模块2、分闸开关模块3相接，霍尔电流传感器IN-端分别与储能电机线圈回路、合闸线圈回路、分闸线圈回路的另一条电气连接线相接；霍尔电压传感器与操作附件线圈回路供电电源电气连接线相接；加速度传感器垂直安装于断路器的基座横梁的中间相位置；拾音器非接触地放置于断路器后方20厘米左右的位置。六个传感器与信号调理电路的接地端需共地，如图2所示。

所述的信号调理模块5由六个各自独立的的信号调理电路组成，包括三个相同的电流信号调理电路、一个电压信号调理电路、一个振动信号调理电路和一个声音信号调理电路。每一个信号调理电路都与电源模块9、传感器模块4、微处理器模块7相连，具体为：每一个信号调理电路供电端子±15V和+5V与电源模块9中开关电源对应的输出相连，每一个信号调理电路中的IN端子分别与传感器模块4中六个传感器的信号输出端相连，每一个信号调理电路中的OUT端子分别与微处理器模块7中的AD模拟输入端口相连接。

所述的信号调理模块5中的六个信号调理电路均为公知技术，其中电流/电压信号调理电路如图4所示，该电路将霍尔电流/电压传感器输出的电压信号转变为满足单片机AD模拟输入端口需求的电压信号，电路包括缩放、偏置与二阶有源低通滤波器电路三部分，滤波器的截止频率fc＝2.5kHz；振动信号调理电路如图5所示，电路包括缩放、偏置与二阶有源低通滤波器电路三部分，滤波器的截止频率fc＝10kHz；声音信号调理电路如图6所示，电路包括缩放、偏置与二阶有源低通滤波器电路三部分，滤波器的截止频率fc＝5kHz；以上调理电路特点为输出电压稳定，带载能力强。

所述的锁相模块6的组成包括过零比较电路U3、锁相环电路U4和稳压管U5，三者依次串联，其连接方式如图7所示。过零比较电路U3采用LM393比较器，锁相环电路U4采用CD4046CMOS锁相环。锁相模块输出信号与单片机的CAP口单独连接，连接方式为将电压传感器采集到的电压信号经过U3过零比较，将正电压信号传入U4中，输出与电压UAB同频的方波信号，因为输出为5V，所以需先经过U5降压后传入单片机的CAP捕捉口。

所述的微处理器模块7为由STM32F103RCT6单片机组成的最小系统，如图8所示。该最小系统添加了存储空间为8M的外部FLASH存储器W25Q64BV，用来存储经AD转化后的数据；单片机通过RS232串口通信电路和上位机进行通信；单片机采用如图9所示的供电电路。其方案为先由电源模块9把220V的交流电压转换成本电路中所需要的15V电压；再通过高效率同步直流对直流降压转换器RT7272,经过电路转换输出5V电压；最后经过贴片式三端稳压器1117-3.3输出稳定电压3.3V，为单片机供电，同时也为合分闸开关模块和锁相模块提供3.3V电源。

霍尔电流传感器接线图如图10所示；

霍尔电压传感器接线图如图11所示；

加速度传感器接线图如图12所示；

拾音器接线图如图13所示；

所述的上位机8采用联想笔记本电脑；

所述的电源模块9包括相互独立的两种型号的开关电源，具体可选明纬Q-100B和Q-120C开关电源。

本实用新型装置选用对断路器机械状态变化敏感的电流信号为主要检测信号，在储能、合闸、分闸三个过程中对其进行检测，更加精确地检测出断路器使用过程中机械结构的微弱变化，此外有针对性的对合闸与分闸两个过程中的振动信号和声音信号进行采集和处理，增加了故障诊断的类型。STM32F103RCT6单片机的使用实现了系统的快速数据采集，满足了系统实时性和大量数据存储的需求。同时此装置模块化程度高，体积小便于携带，又具有合分闸线圈回路电源相位控制功能，可以实现给定相位的机械故障诊断，也可观察其他相位下断路器的动作特性。以上可以实现对框架式断路器进行出厂前检测和使用现场机械故障诊断。

具体的使用方式如下所述。

首先将储能电机线圈回路、合闸线圈回路、分闸线圈回路的一条电气接线分别与装置内部对应的开关模块相连；三个霍尔电流传感器IN-端分别与储能电机线圈回路、合闸线圈回路、分闸线圈回路的另一条电气连接线相接；霍尔电压传感器与操作附件线圈回路供电电源电气连接线相接；将内装IC压电式加速度传感器垂直安装在断路器的基座横梁中间的位置；将KZ-502B拾音器非接触地放置于断路器后方20厘米左右的位置。由电源模块9将220V电压转换为+24V、±15V、+12V和+5V为开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块和微处理器模块供电。上位机启动后，首先对波特率，数据位，起始位，停止位、校验位和工作模式进行设置，之后按下单片机上的储能触发按钮，储能开关模块1控制储能电机线圈回路导通；储能结束后按下合闸触发按钮，当单片机的CAP口捕捉到方波信号上升沿时，检测到电源过零点，延时与给定的合闸线圈回路电源相位所对应的时间，再发出驱动信号，合闸开关模块2控制合闸线圈回路导通；合闸完成后按下分闸触发按钮，当单片机的CAP口捕捉到方波信号上升沿时，检测到电源过零点，延时与给定的分闸线圈回路电源相位所对应的时间，再发出驱动信号，分闸开关模块3控制分闸线圈回路导通，以上实现了对合分闸线圈回路电源相位的控制。试验中传感器模块采集的电流信号、电压信号、振动信号和声音信号经信号调理模块转换为符合微处理器模块输入要求的电平幅值，之后AD采集的数据通过RS-232总线传到上位机，上位机接收信号并完成相应的数据处理及故障诊断。

将所设计的基于微处理器的便携式框架式断路器机械故诊断装置用于断路器出厂前检测和现场故障诊断时，图14为微处理器模块流程图。

图15为本装置上位机故障诊断流程图，系统上位机对接收的数据进行小波去噪、小波包分解，能量系数提取处理，用支持向量机完成故障类型的识别，并对故障加以编号，最终实现框架式断路器故障的检测与诊断。

以上数据处理和故障识别均基于LabVIEW平台实现。LabVIEW平台的程序是本领域常用的方式，在装置组成清楚，功能明确的的条件下，普通技术人员很容易编写出来，是公知技术。

图16为本实用新型装置的上位机信号测试图，可以根据断路器动作过程中所采集的电流信号，声音信号和振动信号，得出对应的机械故障类型。

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 (2)

1.一种基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置，其特征为该装置的组成包括：储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块、微处理器模块、上位机和电源模块；

其中，电源模块分别与储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、传感器模块、信号调理模块、锁相模块、微处理器模块相连；微处理器模块分别与储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块、信号调理模块、锁相模块、上位机相连；储能开关模块、合闸开关模块、分闸开关模块分别与传感器模块相连；传感器模块分别与信号调理模块、锁相模块相连。

2.如权利要求1所述的基于微处理器的便携式框架式断路器机械故障诊断装置，其特征为所述的储能开关模块由固态继电器和接触器组成，二者相连；

所述的合闸开关模块和分闸开关模块组成相同，都由ULN2003、光耦、双向可控硅TH串联构成；

所述的传感器模块的组成包括六个各自独立的传感器，分别为三个霍尔电流传感器CHF-10P、一个霍尔电压传感器CHV-25P、一个内装IC压电式加速度传感器LC0159和一个KZ-502B拾音器；

所述的信号调理模块由六个各自独立的信号调理电路组成，包括三个相同的电流信号调理电路、一个电压信号调理电路、一个振动信号调理电路和一个声音信号调理电路；

所述的锁相模块的组成包括过零比较电路U3、锁相环电路U4和稳压管U5，三者依次串联；

所述的微处理器模块的组成包括单片机；

所述的上位机采用笔记本电脑；

所述的电源模块包括相互独立的两个开关电源。