CN108692929A - 断路器合闸储能弹簧状态的监测***及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的断路器合闸储能弹簧状态的监测***，包括安装在断路器机构中的压力传感器、加速度传感器和光电编码器，压力传感器、加速度传感器和光电编码器均连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接多路A/D采集模块的输入端，多路A/D采集模块输出端连接上位机控制***，多路A/D采集卡模块输出端与上位机控制***之间通过USB总线连接。本发明还公开了该断路器合闸储能弹簧状态的监测***监测合闸储能弹簧状态方法，上位机控制***采用三次样条插值和线性拟合的方法将压力传感器、加速度传感器和压电编码器的数据进行处理获取各性能曲线，将处理得到的曲线与现有的标准数值进行比较即可得到合闸储能弹簧的状态参数。

Description

断路器合闸储能弹簧状态的监测***及监测方法
技术领域
本发明属于电力设备监测技术领域，涉及一种断路器合闸储能弹簧状态的监测***，还涉及了利用该监测***监测弹簧状态的方法。
背景技术
高压断路器中，弹簧操动机构广泛应用于各种自能式或半自能式灭弧室中，尤其是在126～252kV这个电压等级中，弹簧操动机构以其众多优点而成为首选操动机构。目前对断路器弹簧操动机构的监测主要是对操动机构整体性能的监测，包括对分合闸线圈电流、储能电机电流、以及动触头的分合闸行程进行监测，以此完成对操动机构整体性能的评价，但是该研究没有针对合闸储能弹簧的状态进行监测，无法对操动机构整体机械性能下降的原因进行分析。目前对于合闸储能弹簧检测的方法主要是离线检测，需要将储能弹簧拆卸，进行静态和动态的受力状态测量，并与仿真模型进行对比分析，该方法无法在断路器的运行和动作过程中对合闸储能弹簧的状态进行监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种断路器合闸储能弹簧状态的监测***，解决了现有技术中在断路器运行时无法对合闸储能弹簧的状态在线监测的问题。
本发明的另一目的是提供一种利用该断路器合闸储能弹簧状态的监测***监测弹簧状态的方法。
本发明所采用的技术方案是，断路器合闸储能弹簧状态的监测***，包括安装在断路器机构中的压力传感器、加速度传感器和光电编码器，压力传感器、加速度传感器和光电编码器均连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接多路A/D采集卡模块的输入端，多路A/D采集卡模块输出端连接上位机控制***，多路A/D采集卡模块输出端与上位机控制***之间通过USB总线连接。
本发明的其他特点还在于，
压力传感器固接在断路器的铸铝机构和弹簧挡板之间，压力传感器的检测面与弹簧挡板正对。
加速度传感器安装在断路器的弹簧行程导杆上，加速度传感器通过强磁铁固定在行程导杆的底端。
光电编码器安装在断路器中合闸的主传动轴上，光电编码器通过强磁铁吸附在主传动轴的端部。
本发明的另一技术方案是，
一种采用如上述的断路器合闸储能弹簧状态的监测***监测合闸储能弹簧状态的方法，具体包括如下步骤：
步骤1.启动上位机控制***，上位机控制***进行初始化，然后对压力传感器、加速度传感器和光电编码器进行监测，如果没有监测到压力传感器、加速度传感器和光电编码器，上位机控制***进行报错提示，反之，上位机控制***控制A/D采集模块开始采集数据并存储；
步骤2.A/D采集卡模块将存储的数据传输到上位机控制***，上位机控制***根据数据判断断路器是否动作，若未动作，只提取合闸储能弹簧的压力值，将其显示在控制软件前面板；若动作，上位机控制***控制A/D采集卡模块采集并读取经过信号调理模块处理的压力传感器、加速度传感器和光电编码器的数据，然后通过USB总线上传到上位机控制***，上位机控制***进行数据计算得到压力传感器、加速度传感器和光电编码器的输出数据拟合曲线；
步骤3.根据步骤2得到的曲线分析和判断断路器合闸储能弹簧的性能状态。
步骤2中信号调理模块将压力传感器、加速度传感器和光电编码器采集到的数据信号放大至A/D采集模块的采集量程内，然后，信号处理模块再将放大后的数据信号传输给A/D采集卡模块进行数据采集。
步骤2中上位机控制***采用三次样条插值和线性拟合的方法处理压力传感器、加速度传感器和光电编码器的数据分别得到断路器在合闸过程中的弹簧压力变化曲线、弹簧行程曲线、合闸行程曲线、以及储能过程中弹簧压力变化曲线和弹簧行程曲线。
步骤3中根据曲线判断路器合闸储能弹簧性能状态的方法是：将上位机控制***对压力传感器、加速度传感器和光电编码器得到的断路器在合闸过程中的弹簧压力变化曲线、弹簧行程曲线、合闸行程曲线、以及储能过程中弹簧压力变化曲线和弹簧行程曲线的特征点与对应型号的弹簧操动机构的合闸储能弹簧参数和机械性能参数的标准值进行对比，即得到断路器合闸储能弹簧性能的状态。
本发明的有益效果是，断路器合闸储能弹簧状态的监测***及监测方法，解决了现有技术中在断路器运行时无法对合闸储能弹簧的状态在线监测的问题。主要针对断路器的合闸储能弹簧状态进行监测，即对合闸储能弹簧的合闸动作和储能动作进行实时监测，采用强磁铁将压力传感器固接在断路器铸铝机构与合闸储能弹簧上端所连接的弹簧挡板之间，可实时获取合闸储能弹簧的压力-时间曲线，采用强磁铁将加速度传感器安装在弹簧的行程导杆底端，可实时获取断路器在动作过程中合闸储能弹簧的加速度-时间曲线，通过数据处理得到合闸储能弹簧动作的行程-时间曲线，采用强磁铁将光电编码器吸附在主传动轴的端部，通过数据处理转换为合闸行程曲线。
附图说明
图1是本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***结构示意图；
图2是本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***中压力传感器及加速度传感器的安装位置示意图；
图3是本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***中光电编码器的安装位置示意图；
图4是本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***上位机控制***流程图。
图中，1.压力传感器，2.加速度传感器，3.光电编码器，4.信号调理模块，5.多路A/D采集卡模块，6.USB总线，7.上位机控制***，8.弹簧挡板，9.弹簧套筒，10.合闸弹簧，11.行程导杆，12.铸铝机构，13.主传动轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***，如图1所示，包括安装在断路器机构中的压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3，压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3均连接信号调理模块4的输入端，信号调理模块4的输出端连接多路A/D采集卡模块5的输入端，多路A/D采集卡模块5输出端连接上位机控制***7，多路A/D采集卡模块5输出端与上位机控制***7之间通过USB总线6连接。
如图2所示，压力传感器2固接在断路器的铸铝机构12和弹簧挡板8之间，压力传感器2的检测面与弹簧挡板8正对。
加速度传感器2安装在断路器的弹簧行程导杆11上，加速度传感器2通过强磁铁固定在行程导杆11的底端。
如图3所示，光电编码器3安装在断路器中合闸的主传动轴13上，光电编码器3通过强磁铁吸附在主传动轴13的端部。
一种采用如上述的断路器合闸储能弹簧状态的监测***监测合闸储能弹簧状态的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1.启动上位机控制***7，上位机控制***7进行初始化，然后对压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3进行监测，如果没有监测到上述传感器，上位机控制***7进行报错提示，反之，上位机控制***7控制A/D采集卡模块5开始采集数据并存储；
步骤2.A/D采集卡模块5将存储的数据传输到上位机控制***7，上位机控制***7根据数据判断断路器是否动作，若未动作，只提取合闸储能弹簧的压力值，将其显示在控制软件前面板；若动作，上位机控制***7控制A/D采集卡模块5采集并读取经过信号调理模块4处理的压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3的数据，然后通过USB总线6上传到上位机控制***7，上位机控制***7进行数据计算得到压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3的数据曲线；
步骤3.根据步骤2得到的曲线分析和判断断路器合闸储能弹簧的性能状态。
步骤2中信号处理模块4将压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3采集到的数据信号放大至A/D采集卡模块5所能采集量程范围内，然后，信号处理模块4再将放大后的数据信号传输给A/D采集卡模块5进行数据采集。
步骤2中上位机控制***7采用三次样条插值和线性拟合的方法处理压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3的数据分别得到断路器在合闸过程中的弹簧压力变化曲线、弹簧行程曲线、合闸行程曲线、以及储能过程中弹簧压力变化曲线和弹簧行程曲线。该方法将曲线极值点对应的时间和曲线大小作为特征，首先使用三次样条插值对曲线进行平滑，然后将信号按设定的较大长度分为若干段，对每一段进行最小二乘拟合，根据每一段信号的趋势，定位极值点的大致位置，在极值点的大致区间内，缩小尺度进行拟合，重复这个过程至极值点所在区间足够小，在此区间寻找极大值点或极小值点，作为信号的特征点计算。
步骤3中根据曲线判断路器合闸储能弹簧性能状态的方法是：将上位机控制***7对压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3得到的断路器在合闸过程中的弹簧压力变化曲线，弹簧行程曲线、合闸行程曲线、以及储能过程中弹簧压力变化曲线和弹簧行程曲线的特征点与对应型号的弹簧操动机构的合闸储能弹簧参数和机械性能参数的标准值进行对比，即可得到断路器合闸储能弹簧性能的状态。
本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***及监测方法的工作原理如下：压力传感器1的选型是根据弹簧操动机构的合闸储能弹簧参数和弹簧操动机构的机械性能参数而确定的，采用压力传感器1的测量量程大于所要监测的弹簧操动机构的合闸储能弹簧储能压力量程，测试精度≤1％F.S，可实时测量出合闸储能弹簧的储能压力值。考虑到断路器内部结构及传感器安装的位置不能影响断路器的正常工作，采用合闸储能弹簧一端固定在操动机构的铸铝机构12上面，另一端通过弹簧挡板8和行程导杆11固定，将压力传感器1安装在储能弹簧上端的弹簧挡板8和铸铝机构12之间，将压力传感器1的工作电压、输出信号采用信号放大器放大至多路A/D采集卡模块5采集量程内，传输至多路A/D采集卡模块5进行数据采集。
加速度传感器2监测合闸弹簧动作过程中的加速度，后经积分处理得到合闸储能弹簧动作行程。所采用传感器的测量加速度量程要足够大，其次传感器的体积小、质量轻，测量过程中才可以对储能弹簧加速度的影响忽略不计。通过强磁铁将加速度传感器2固定在弹簧的行程导杆11底端，在合闸过程中，加速度传感器2会随着合闸储能弹簧以相同的速度运动，其输出信号直接反应了合闸储能弹簧运动的加速度大小，将采集到的加速度信号通过USB总线6传输到上位机控制***7中进行积分处理，即可得到合闸储能弹簧在动作过程中的释能速度-时间曲线和释能位移-时间曲线。
考虑到断路器内部结构的特殊性，直接使用位移传感器测量断路器动触头的分合闸行程难以实现，为便捷地获取合闸行程曲线，使用光电编码器3监测主传动轴的转速，利用强磁铁将光电编码器3吸附在主传动轴13的端部，光电编码器3输出A、B两相方波信号，通过A、B两路信号的相位差可以得到主传动轴13的旋转方向，使用多路A/D采集卡5直接将A、B两路信号量化采集，通过USB总线6传输到上位机控制***7中进行信号处理，得到弹簧操动机构的合闸行程曲线。
多路A/D采集卡模块5实现对合闸储能弹簧压力，合闸动作过程中弹簧能量的释放加速度、合闸行程曲线3组参数的同步采集，多路A/D采集卡模块5通过USB总线6与上位机控制***7连接，实现采集数据的实时高速上传。
上位机控制***7主要实现多路A/D采集卡模块5控制、传感器监测、读取监测实验数据、存储监测数据以及分析监测数据等功能。如图4所示，上位机控制***7启动后进行初始化，再进行压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3的监测，如果未监测到上述传感器，上位机控制***7进行报错提示，反之，上位机控制***7控制多路A/D采集卡模块5开始采集并读取采集数据，通过接收到的各传感器的数据判断断路器是否动作，若未动作，则只提取合闸储能弹簧的压力值，将其显示在上位机控制***7；若断路器动作，则根据各传感器的输出判断断路器进行的动作为合闸动作还是储能动作，并依据判断结果对所对应的数据进行相应的处理并在上位机控制***7显示；使用压力传感器1实时获取合闸储能弹簧的压力-时间曲线；使用加速度传感器2获取断路器在动作过程中合闸储能弹簧的加速度-时间曲线，通过数据处理得到合闸储能弹簧动作的行程-时间曲线；使用光电编码器3获取主传动轴的转速，并通过数据处理转换为合闸行程曲线。上位机控制***7通过USB总线6直接控制多路A/D采集卡模块5的工作，多路A/D采集卡模块5实时采集各传感器的输出值，将数据上传至上位机控制***7进行处理，实时显示各传感器的输出曲线，用于分析和评估断路器合闸储能弹簧的性能状态。
本发明的断路器合闸储能弹簧状态的监测***，通过多路A/D采集卡模块5对压力传感器1、加速度传感器2和光电编码器3的3组参数进行同步采集，将数据上传至上位机控制***7进行处理，实时显示各传感器的输出曲线；其中合闸储能弹簧的压力和合闸储能弹簧动作行程，主要是对断路器在合闸过程和弹簧的储能过程中弹簧的受力进行监测，合闸行程曲线可以间接地反应合闸储能弹簧的出力状态。本发明以合闸储能弹簧压力值和合闸储能弹簧动作行程为主要监测参数，以合闸行程曲线为辅助监测参数，通过对上述参数的测量，可以分析和预测断路器合闸储能弹簧的性能状态。

Claims (8)

1.断路器合闸储能弹簧状态的监测***，其特征在于，包括安装在断路器机构中的压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)，所述压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)均连接信号调理模块(4)的输入端，所述信号调理模块(4)的输出端连接多路A/D采集卡模块(5)的输入端，所述多路A/D采集卡模块(5)输出端连接上位机控制***(7)，所述多路A/D采集卡模块(5)输出端与所述上位机控制***(7)之间通过USB总线(6)连接。
2.如权利要求1所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测***，其特征在于，所述压力传感器(2)固接在断路器的铸铝机构(12)和弹簧挡板(8)之间，所述压力传感器(2)的检测面与所述弹簧挡板(8)正对。
3.如权利要求1所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测***，其特征在于，所述加速度传感器(2)安装在断路器的弹簧行程导杆(11)上，所述加速度传感器(2)通过强磁铁固定在所述行程导杆(11)的底端。
4.如权利要求1所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测***，其特征在于，所述光电编码器(3)安装在断路器中合闸的主传动轴(13)上，所述光电编码器(3)通过强磁铁吸附在所述主传动轴(13)的端部。
5.一种采用如权利要求1所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测***监测合闸储能弹簧状态的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1.启动上位机控制***(7)，上位机控制***(7)进行初始化，然后对压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)进行监测，如果没有监测到压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)，上位机控制***(7)进行报错提示，反之，上位机控制***(7)控制A/D采集卡模块(5)开始采集数据并存储；
步骤2.A/D采集卡模块(5)将存储的数据传输到上位机控制***(7)，上位机控制***(7)根据数据判断断路器是否动作，若未动作，只提取合闸储能弹簧的压力值，将其显示在控制软件前面板；若动作，上位机控制***(7)控制A/D采集卡模块(5)采集并读取经过信号处理模块(4)处理的压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)的数据，然后通过USB总线(6)上传到上位机控制***(7)，上位机控制***(7)进行数据计算得到所述压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)的输出数据拟合曲线；
步骤3.根据步骤2得到的曲线分析和判断断路器合闸储能弹簧的性能状态。
6.一种如权利要求5所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测方法，其特征在于，所述步骤2中信号处理模块(4)将所述压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)采集到的数据信号放大至所述A/D采集卡模块(5)所能采集量程范围内，然后，所述信号处理模块(4)再将放大后的数据信号传输给所述A/D采集卡模块(5)进行数据采集。
7.一种如权利要求5所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测方法，其特征在于，所述步骤2中上位机控制***(7)采用三次样条插值和线性拟合的方法处理所述压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)的数据分别得到断路器在合闸过程中的弹簧压力变化曲线、弹簧行程曲线、合闸行程曲线、以及储能过程中弹簧压力变化曲线和弹簧行程曲线。
8.一种如权利要求7所述的断路器合闸储能弹簧状态的监测方法，其特征在于，所述步骤3中根据曲线判断路器合闸储能弹簧性能状态的方法是：将上位机控制***(7)对所述压力传感器(1)、加速度传感器(2)和光电编码器(3)得到的断路器在合闸过程中的弹簧压力变化曲线、弹簧行程曲线、合闸行程曲线、以及储能过程中弹簧压力变化曲线和弹簧行程曲线的特征点与对应型号的弹簧操动机构的合闸储能弹簧参数和机械性能参数的标准值进行对比，即得到断路器合闸储能弹簧性能的状态。
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