CN212693963U - 断路器的监测装置 - Google Patents

Abstract

一种断路器的监测装置，包括安装在断路器上的控制单元，安装在断路器动触头上的加速度传感器和陀螺仪，与控制单元连接的电流采样电路，电流采样电路与中央处理单元连接用于采集实时工作电流，所述加速度传感器、陀螺仪分别与控制单元连接，本实用新型的断路器的监测装置，在断路器合闸和/或分闸过程中，通过振动加速度传感器和陀螺仪监控动触头的状态，能用于判断是否存在故障。

Description

断路器的监测装置

技术领域

本实用新型涉及低压断路器，具体涉及一种断路器的监测装置。

背景技术

随着科技的发展，断路器寿命及故障的监测装置多配置有单片机，通过单片机实现信号量的读取与判断。目前，对于断路器寿命及故障的监测多采用在线监测的方式，一般将断路器的电寿命作为断路器寿命监测的重要指标，通过光电传感器采集电流信号来计算出电寿命。但是，断路器寿命包括机械寿命和电寿命，在现有技术中大多集中于用电寿命来反应断路器的寿命，忽略了对机械寿命的监测，但是在实际生产应用中，机械磨损会对电寿命产生影响，因此这种忽略机械寿命而仅依靠电寿命来判断断路器寿命及故障的监测方式的精确度较低，不能准确反映断路器的实际使用情况。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种断路器的监测装置。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种断路器的监测装置，包括安装在断路器上的控制单元，安装在断路器动触头上的加速度传感器和陀螺仪，与控制单元连接的电流采样电路，电流采样电路与中央处理单元连接用于采集实时工作电流，所述加速度传感器、陀螺仪分别与控制单元连接。

优选的，在断路器合闸和/或分闸过程中，加速度传感器向控制单元传递动触头的振动加速度信号，陀螺仪向控制单元传递动触头的位移角速度信号。

优选的，控制单元基于加速度传感器传递的振动加速度信号获取合闸和/或分闸过程中动触头的振动频率、振幅及振动时间；基于陀螺仪传递的位移角速度信号获取合闸和/或分闸过程中动触头的位移及角速度。

优选的，还包括分别与控制单元连接的供电电路和数据获取模块，所述控制单元、供电电路及数据获取模块设置在电路板上。

优选的，所述电路板安装在断路器的侧面,断路器的操作机构层叠设置在电路板上方。

优选的，所述控制单元为单片机，所述数据获取模块为通讯接口。

优选的，所述采样电路包括电流互感器和信号处理电路，所述电流互感器与断路器的主回路连接用于采集断路器的实时工作电流，并通过信号处理电路将实时工作电流信号传递至控制单元。

优选的，所述加速度传感器为电压式加速度传感器。

优选的，所述的控制单元还包括中央单元自身的存储单元，或与中央单元连接的存储单元，所述存储单元存储有故障阈值，所述故障阈值包括振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、角速度故障阈值和位移故障阈值中的一种或多种，控制单元将合闸和/或分闸过程中动触头的振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移分别对应的与振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、角速度故障阈值和位移故障阈值进行对比判断出断路器是否处于故障状态。

本实用新型的一种断路器的监测装置，在动触头合闸和/或分闸过程中，通过振动加速度传感器和陀螺仪监控动触头的状态。

进一步，基于加速度传感器传递的振动加速度信号获取合闸和/或分闸过程中动触头的振动频率、振幅及振动时间；基于陀螺仪传递的位移角速度信号获取合闸和/或分闸过程中动触头的位移及角速度，能用于断路器是否处于故障状态。

附图说明

图1是本实用新型一种断路器的监测装置的监测流程图；

图2是本实用新型一种断路器的监测装置中寿命衰减曲线示意图；

图3-5是本实用新型一种断路器的监测装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图1至5给出的实施例，进一步说明本实用新型的一种断路器的监测装置的具体实施方式。本实用新型的一种断路器的监测装置不限于以下实施例的描述。

一种断路器寿命的监测方法，包括如下步骤：

步骤S1：获取在额定电流条件下的原始寿命衰减曲线，存储原始寿命衰减曲线并作为下一次更新寿命衰减曲线时的基础寿命衰减曲线；

步骤S2：在断路器合闸和/或分闸时，获取断路器的实际工作电流，根据实际工作电流和额定电流的关系推导出基础寿命衰减曲线的调整系数，根据调整系数将基础寿命衰减曲线调整为实时寿命衰减曲线，存储实时寿命衰减曲线作为下一次更新寿命衰减曲线时的基础寿命衰减曲线；

步骤S3：获取动触头在合闸和/或分闸过程中的至少一个物理量，所述物理量包括振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移，至少一个物理量拟合形成与实时寿命衰减曲线有关的寿命物理量，结合寿命物理量及实时寿命衰减曲线计算出断路器的实时剩余寿命；步骤S1中得到的原始寿命衰减曲线与寿命物理量有关，原始寿命衰减曲线中的寿命物理量和步骤S3中的寿命物理量基于相同的物理量拟合得到。

本实用新型的一种断路器寿命的监测方法，获取断路器的原始寿命衰减曲线，通过对比实际电流与额定电流更新寿命衰减曲线，并获取实际电流下的动触头合闸和/或分闸时的物理量拟合为反映电寿命的寿命物理量，结合寿命物理量与更新后的寿命衰减曲线获取反应断路器的电寿命的实时剩余寿命。

结合附图1详细介绍断路器寿命的监测方法：

步骤S1：获取在额定电流条件下的原始寿命衰减曲线，存储原始寿命衰减曲线并使原始寿命衰减曲线作为下一次更新寿命衰减曲线时的基础寿命衰减曲线；所述原始寿命衰减曲线中的剩余次数与寿命物理量有关，所述寿命物理量与动触头在合闸和/或分闸过程中的物理量有关，所述物理量包括动触头合闸和/或分闸时振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移中的一个或多个。其中，物理量的测量可以在动触头合闸或分闸时测量，也可以在合闸、分闸时都进行测量。

原始寿命衰减曲线可以从厂家处获得，为已知数据，厂家可以根据设计要求、多次实验拟合得到。原始寿命衰减曲线的建立具体为，选取断路器样品，在额定电流下，对断路器合闸、分闸多次，每间隔n次获取一次动触头的物理量，n大于等于1，例如断路器的额定合闸、分闸次数为100万次，对断路器进行合闸、分闸100万次，在每间隔100次的合闸、分闸时获取动触头的物理量，物理量的获取可在动触头合闸或分闸时测量，也可以在合闸和分闸时都测量，所述物理量包括振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移，将获得动触头的一个或多个物理量拟合形成反映断路器机械寿命的寿命物理量，将寿命物理量与断路器的动作次数拟合形成作为原始寿命衰减曲线的关系曲线。如图2所示，所述原始寿命衰减曲线中的剩余次数与寿命物理量成反比，随着寿命物理量的逐渐增加，断路器的剩余次数逐渐减小，图2示意性的给出了线性的原始寿命衰减曲线，实际根据采用的拟合方法不同，得到的原始寿命衰减曲线可能是线性或者曲线。一种拟合方法为采用matlab进行数据拟合，得到关系曲线。

步骤S2：在断路器合闸和/或分闸时，获取断路器的实际工作电流，根据实际工作电流和额定电流的关系推导出基础寿命衰减曲线的调整系数，例如一种调整系数的公式为，调整系数M＝额定电流Ie/工作电流I，根据调整系数将基础寿命衰减曲线调整为实时寿命衰减曲线，存储实时寿命衰减曲线作为下一次更新寿命衰减曲线时的基础寿命衰减曲线。优选在每次合闸和/或分闸时都要获取实际工作电流，实际工作电流可在动触头合闸或分闸时获取，或者同时获取合闸、分闸时的工作电流，根据所获得的实际工作电流与额定电流的关系推导出基础寿命衰减曲线的调整系数，并根据调整系数调整实时寿命衰减曲线，存储调整后的实时寿命衰减曲线作为断路器动触头下一次合闸和/或分闸时更新寿命衰减曲线时的基础寿命衰减曲线。本实施例基于实际工作电流和额定电流确定调整系数，在断路器实际工作中，工作电压比较稳定，而且即使工作电压发生变化，根据I＝U/R，也可以体现在电流上；当然调整系数也可以采用其它的调整系数公式，基于工作电流和额定电流得到调整系数。

具体的，根据实际工作电流和额定电流的关系所推导出的调整系数不能改变寿命衰减曲线的变化率；在相同的寿命物理量时，若实际工作电流大于额定电流时，实际寿命衰减曲线上所对应的剩余次数小于原始寿命衰减曲线上所对应的剩余次数，若实际工作电流小于额定电流时，实际寿命衰减曲线上所对应的剩余次数大于原始寿命衰减曲线上所对应的剩余次数。结合图2具体说明，以寿命物理量为x轴，断路器的剩余次数为y轴，在额定电流下，原始寿命衰减曲线为一条随x值增大y值减小的直线，当然，寿命衰减曲线也可以为一条曲线，在根据调整系数调整后，实时寿命衰减曲线为与原始寿命衰减曲线相平行的直线，如此表示调整系数并不能改变寿命衰减曲线的变化率，当实际电流大于额定电流时，相比原始寿命衰减曲线，实时寿命衰减曲线更靠近x轴，这样在相同寿命物理量的条件下，所对应的剩余次数较小，即调整系数小于1；当实际电流小于额定电流时，相比原始寿命衰减曲线，实时寿命衰减曲线更远离x轴，这样在相同寿命物理量的条件下，所对应的剩余次数较大，即调整系数大于1。

步骤S3：在更新寿命衰减曲线的合闸和/或分闸过程中，获取动触头在合闸、分闸过程中的物理量，所述物理量包括振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移，其中至少一个物理量拟合形成反映电寿命的寿命物理量，结合寿命物理量及实时衰减曲线，通过计算获得反应断路器电寿命的实时剩余寿命。步骤S1中得到原始寿命衰减曲线与寿命物理量有关，原始寿命衰减曲线中的寿命物理量和步骤S3中的寿命物理量基于相同的物理量拟合得到。优选，采用振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移五个物理量拟合形成的寿命物理量，步骤S1中原始寿命衰减曲线也是基于相同的五个物理量和方法拟合得到。

进一步，将实时剩余寿命与断路器的原始寿命衰减曲线对比分析计算获得断路器的寿命状态，看断路器是否超负荷使用，或者是健康状态。

具体的，结合以上步骤，提供第一种实施例，在步骤S3中，将在动触头合闸和/或分闸过程中所获取的振动频率、振幅和振动时间拟合为寿命物理量，并根据寿命物理量及实时寿命衰减曲线获得实时剩余寿命，寿命物理量的一种拟合方法是获取动触头的测量加速度传感器的振动频率、振幅和振动时间，并将三者数值调至同一数量级后做平均处理得到寿命物理量，根据寿命物理量及实时寿命衰减曲线计算获得实时剩余寿命。

提供与第一实施例类似的第二实施例，在步骤S3中，获取的动触头在合闸和/或分闸过程中的角速度和位移拟合为寿命物理量，并根据寿命物理量及实时寿命衰减曲线获得实时剩余寿命。类似的，寿命物理量的一种拟合方法是获取动触头的测量角速度和位移，并将两者数值调至同一数量级后求取平均值所得。

提供第三种实施例，在动触头合闸和/或分闸过程中所获得的振动频率、振幅和振动时间拟合为第一寿命物理量，第一寿命物理量结合实时剩余寿命曲线获得第一实时剩余寿命；将角速度和位移拟合为第二寿命物理量，将第二寿命物理量结合实时剩余寿命曲线获得第二实时剩余寿命，第一寿命物理量、第二寿命物理量的拟合与第一实施例、第二实施例相同。将所获得的第一实时剩余寿命、第二实时剩余寿命综合考虑，获得较为准确的实时剩余寿命，优选求取第一实时剩余寿命和第二实时剩余寿命的平均值作为断路器的实时剩余寿命，利于获得较为精准的结果。同时考虑第一实时剩余寿命、第二实时剩余寿命能够提高监测准确度，但不仅限于采用两者的平均值计算，也可以偏重第一实时剩余寿命或偏重第二实时剩余寿命的方式进行计算获得，即根据相应的权重系数计算获得。

提供第四种实施例，在步骤S3中，将在动触头合闸和/或分闸过程中所获取的振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移拟合为寿命物理量，并根据寿命物理量及实时寿命衰减曲线获得实时剩余寿命，寿命物理量的一种拟合方法是获取将振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移，并将五者数值调至同一数量级后做平均处理得到寿命物理量，根据寿命物理量及实时寿命衰减曲线计算获得实时剩余寿命。

进一步的，通过对比实时寿命物理量与寿命物理量阈值判断断路器的故障情况。当断路器发生机械故障时，所获取的物理量会发生变化，与物理量有关的故障阈值进行对比即可获知，这种对比能够获得断路器的机械寿命。

优选在步骤S3中进行断路器故障判断，具体提供第一种故障判断方法，获取物理量的故障阈值，所述故障阈值包括振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、角速度故障阈值和位移故障阈值中的一种或多种，故障阈值为已知值，故障阈值可以通过多次测试获得。将所获得的物理量，即振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移分别对应的与振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、角速度故障阈值和位移故障阈值进行对比，当任意一个物理量超出故障阈值即判断为断路器处于故障状态。

当然，断路器的故障判断也可如第二种方法，获取寿命物理量故障阈值，将拟合后的寿命物理量与寿命物理量故障阈值进行比较，寿命物理量超过寿命物理量故障阈值即判断断路器处于故障状态，寿命物理量故障阈值为已知值，寿命物理量故障阈值可以通过多次测试结果调整一定系数获得。

基于图1-2提出的断路器寿命的监测方法，提供一种实现上述监测方法的装置，如图3-5所示，一种断路器寿命及故障的监测装置，包括安装在断路器上的控制单元，安装在断路器动触头上的加速度传感器和陀螺仪，与控制单元连接的电流采样电路，加速度传感器和陀螺仪与控制单元连接。

所述的控制单元包括中央处理单元及中央单元自身的存储单元，或中央处理单元和与中央处理连接的存储单元，存储单元存储有断路器的初始数据及实时更新的寿命衰减曲线，所述初始数据包括原始状态下的动触头在合闸和/或分闸过程中的原始寿命衰减曲线以及故障阈值，所述故障阈值包括直接测量得到的物理量故障阈值和物理量拟合后的寿命物理量故障阈值；所述物理量故障阈值包括动触头的振动加速度物理故障阈值包括振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、动触头的角速度故障阈值和位移故障阈值。

所述电流采样电路与中央处理单元连接，中央处理单元根据电流采样电路传递的电流信号获得实际工作电流，根据实际工作电流与额定电流计算并更新存储的寿命衰减曲线；所述加速度传感器、陀螺仪分别与控制单元连接，在断路器合闸和/或分闸过程中，加速度传感器向控制单元传递动触头的振动加速度信号，陀螺仪向控制单元传递动触头的位移角速度信号，控制单元的中央处理模块结合动触头的加速度信号、位移角速度信号得到寿命物理量，基于寿命物理量、更新后的寿命衰减曲线以及故障阈值，通过计算判断断路器的寿命状态和故障情况向数据获取模块输出数据。

在本实用新型中的控制单元可以为同时包括中央处理单元和存储单元的单片机，也可以是单独的微处理器作为中央处理单元结合单独的存储单元构成，均为市购的产品。在本实用新型中的加速度传感器和陀螺仪均采用现有市购的产品。如加速度传感器可以选用电压式加速度传感器、电容式加速度传感器、电感式加速度传感器、应变式加速度传感器或压阻式加速度传感器。所述电流采样电路包括电流互感器和连接在电路互感器和控制单元件的电流信号处理电路，进行滤波和整流处理，均属于本领域现有技术，不再赘述。

结合图3-5中的实施例，所述的控制单元为单片机，同时包括中央处理单元和存储单元。由加速度传感器向单片机传递振动加速度信号，机械振动波形由一系列衰减的正弦波组合而成，外部振动相应的幅值与冲击作用力的大小成正比，最大响应振动信号对应断路器动触头合闸瞬间，通过振动加速度频率及持续时间反应出动触头运动情况，通过振动加速度信号能够得到振动频率、振幅和振动时间，将振动加速度传感器的振动加速度信号输入单片机通过计算拟合为反映电寿命的寿命物理量，寿命物理量再通过与寿命衰减曲线结合计算获得动触头的电寿命，再由单片机将计算得出的电寿命与原始寿命衰减曲线对比获知此时的断路器的寿命状态；通过物理量或物理拟合后的寿命物理量与故障阈值对比获得断路器是否处于故障情况。当然，振动加速度信号输入单片机前可以进行滤波、放大等信号处理，此时在加速度传感器与单片机之间设置有信号处理电路。振动频率和持续时间根据接收到的正弦波的个数、开始时间和结束时间获得，振幅可以根据各正弦波幅值的最大值或平均值或其它均值计算方式获得。

由所述陀螺仪传感器测量位移和角速度并向单片机传递位移角速度信号，通过位移角速度信号能够得到角速度和位移，单片机通过计算将位移角速度信号拟合为反映电寿命的寿命物理量，再将寿命物理量与寿命衰减曲线结合进行计算获得动触头的电寿命，再由单片机将计算得出的电寿命与断路器的原始寿命衰减曲线进行对比获得此时的断路器的寿命状态，同时通过陀螺仪实时测量的角速度和位移分别与故障阈值中的动触头的角速度故障阈值和位移故障阈值对比可获得故障情况。当然，位移角速度信号输入单片机前可以进行滤波、放大等信号处理。

具体如图3所示，控制单元、供电电路、数据获取模块等设置在电路板上，电路板安装在断路器的侧面，断路器的操作机构层叠设置在电路板上方，单片机连接有为单片机供电的供电电路以及与单片机连接用于获取单片机数据的数据获取模块，数据获取模块为通讯接口和/或显示接口；加速度传感器和陀螺仪安装在断路器的动触头上，加速度传感器和陀螺仪可以由断路器现有的供电方式供电，也可以由电路板上的供电电路供电，断路器的主回路穿过电流采样电路的电流互感器，加速度传感器与陀螺仪通过引线与单片机连接，电流互感器通过电流信号处理电路与单片机连接，加速度传感器和陀螺仪分别通过各自的信号处理电路与单片机连接，电流信号处理电路和信号处理电路均设置在电路板上，所述单片机的中央处理单元仅根据动触头的振动加速度信号与寿命衰减曲线，或仅根据动触头的位移角速度信号与寿命衰减曲线，或根据动触头的振动加速信号和位移角速度信号以及寿命衰减曲线计算判断断路器的寿命状态和故障情况。

本实用新型的一种断路器的监测装置，控制单元储存并实时更新寿命衰减曲线，在动触头合闸和/或分闸过程中，通过振动加速度传感器和陀螺仪分别向控制单元传输振动加速度信号和位移角速度信号，当控制单元根据振动加速度传感器和陀螺仪传递的信号得到振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移，计算出动触头的反应电寿命的寿命物理量，再通过与电流的结合形成的寿命衰减曲线分析计算获取断路器的电寿命；同时，通过获得动触头在合闸和/或分闸过程中的物理量或将物理量拟合后与故障阈值对比获得断路器的故障情况，物理量体现了断路器的机械寿命，同时兼顾了断路器的机械寿命和电寿命，能更精确、有效的监测断路器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种断路器的监测装置，其特征在于：包括安装在断路器上的控制单元，安装在断路器动触头上的加速度传感器和陀螺仪，与控制单元连接的电流采样电路，电流采样电路与中央处理单元连接用于采集实时工作电流，所述加速度传感器、陀螺仪分别与控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：在断路器合闸和/或分闸过程中，加速度传感器向控制单元传递动触头的振动加速度信号，陀螺仪向控制单元传递动触头的位移角速度信号。

3.根据权利要求2所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：控制单元基于加速度传感器传递的振动加速度信号获取合闸和/或分闸过程中动触头的振动频率、振幅及振动时间；基于陀螺仪传递的位移角速度信号获取合闸和/或分闸过程中动触头的位移及角速度。

4.根据权利要求1所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：还包括分别与控制单元连接的供电电路和数据获取模块，所述控制单元、供电电路及数据获取模块设置在电路板上。

5.根据权利要求4所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：所述电路板安装在断路器的侧面,断路器的操作机构层叠设置在电路板上方。

6.根据权利要求4所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：所述控制单元为单片机，所述数据获取模块为通讯接口。

7.根据权利要求1所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：所述采样电路包括电流互感器和信号处理电路，所述电流互感器与断路器的主回路连接用于采集断路器的实时工作电流，并通过信号处理电路将实时工作电流信号传递至控制单元。

8.根据权利要求1所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：所述加速度传感器为电压式加速度传感器。

9.根据权利要求3所述的一种断路器的监测装置，其特征在于：所述的控制单元还包括中央单元自身的存储单元，或与中央单元连接的存储单元，所述存储单元存储有故障阈值，所述故障阈值包括振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、角速度故障阈值和位移故障阈值中的一种或多种，控制单元将合闸和/或分闸过程中动触头的振动频率、振幅、振动时间、角速度和位移分别对应的与振动频率故障阈值、振幅故障阈值、振动时间故障阈值、角速度故障阈值和位移故障阈值进行对比判断出断路器是否处于故障状态。

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