CN111044896A - 一种支柱式断路器在线监测*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种支柱式断路器在线监测***，包括感知层、传输层和应用层，所述感知层包括同步采样A/D模块以及与所述同步采样A/D模块连接的控制回路监测单元、合分闸回路监测单元、弹簧压力传感器、绝缘子监测单元、密度监测单元和内部环境监测单元；所述传输层包括无线传输模块和有线传输模块；所述应用层包括处理器，所述处理器上连接有FIFO存储器、FLASH存储器和SRAM存储器；具有在线监测，及时发现隐患、便于运维和提高经济效益等优势。

Description

一种支柱式断路器在线监测***
技术领域
本发明属于支柱式断路器技术领域，具体涉及一种支柱式断路器在线监测***。
背景技术
支柱式开关是AIS站点重要设备，高压断路器作为变电站最重要的保护设备，其可靠运行对电网安全至关重要。国际国内的调查和统计报告均表明，高压断路器的故障80％是由于机械原因引起，主要是操动机构的故障较多。目前对高压断路器机械特性的检查主要靠例行检查操作机构的机械特性、定期进行预防性试验、更换到期部件等静态手段。这种方法效率低，成本高，无差别更换到期部件不仅会浪费大量完好部件造成巨大浪费，而且有可能引发新的故障，据统计有10％的断路器故障是由不正确的检修造成的。
如何对断路器的工作状态进行有效的在线监测，及时发现断路器的早期故障，预警故障发生、预测故障发展，避免断路器故障恶性发展，防止恶性事故的发生，为实现计划检修到状态检修的转变创造条件。对提升运维检修工作效率和工作质量、提升电网安全运行能力有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种支柱式断路器在线监测***，以解决现有的支柱式断路器缺乏有效的监测和运维***，故障维修成本高、重发概率高、且对工作人员的工作效率和工作质量造成一定困难，从而影响电网安全运行的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
一种支柱式断路器在线监测***，包括感知层、传输层和应用层，所述感知层包括同步采样A/D模块以及与所述同步采样A/D模块连接的控制回路监测单元、合分闸回路监测单元、弹簧压力传感器、绝缘子监测单元、密度监测单元和内部环境监测单元；所述传输层包括无线传输模块和有线传输模块；所述应用层包括处理器，所述处理器上连接有FIFO存储器、FLASH存储器和SRAM存储器，所述控制回路监测单元、所述合分闸回路监测单元、所述弹簧压力传感器、所述绝缘子监测单元、所述密度监测单元和所述内部环境监测单元采用所述同步采样A/D模块采集数据，并通过所述无线传输模块或所述有线传输模块将数据传输至所述处理器，所述处理器无法及时响应高速多通道所述同步采样A/D模块的输出，数据缓存在大容量所述FIFO存储器中，所述处理器及时将所述FIFO存储器数据转移到大容量所述SRAM存储器中，监测的数据始终循环记录，实现一个短时长的常录波存储器；任何一个电压回路信号作为触发录波数据存储信号，所述处理器在检测到电压信号后，将此信号发生前一刻的检测数据记录在所述FLASH存储器，直到该电压信号消失后一刻，所述同步采样A/D模块的采样信号也会被同步记录，从而实现一个完整的事件记录录波文件；所述处理器将事件记录录波文件通过以太网上传至后台分析***，所述后台分析***根据在线事件录波文件分析断路器状态实现断路器状态检修。
进一步的，所述控制回路监测单元包括回路检测模块、电阻RX+、电阻RX-、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻 R4依次串联并连接于所述控制回路的正负母线之间，所述电阻RX+和所述电阻RX-串联并连接于所述控制回路的正负母线之间；所述电阻RX+与所述电阻RX-之间和所述电阻 R2与所述电阻R3之间分别接地。
进一步的，所述检测模块包括第一电流传感器CT1、第一电压传感器和第二电压传感器，所述第一电流传感器CT1连接于所述控制回路的正母线用于采集所述控制回路的正母线输入电流；所述第一电压传感器连接于所述电阻R1与所述电阻R2之间用于采集所述控制回路的正母线对接地的电压；所述第二电压传感器连接于所述电阻R3与所述电阻R4之间用于采集所述控制回路的负母线对接地的电压。
进一步的，所述合分闸回路监测单元包括合分闸检测模块、电阻R5和电阻R6，所述电阻R5和所述电阻R6分别连接于所述合分闸回路的线圈电源线两端。
进一步的，所述合分闸检测模块包括第二电流传感器CT2、第三电压传感器和第一温度传感器CT1，所述第二电流传感器CT2连接于所述合分闸回路的线圈电源线上；所述第二温度传感器设置于所述合分闸回路的线圈外壳上；所述第三电压传感器连接于所述电阻R6与所述电阻R5之间用于采集所述合分闸回路的动作开关的动作电压。
进一步的，所述弹簧压力传感器采用垫片形测力传感器F1和测力传感器F2，其设置于所述支柱式断路器的合分闸储能弹簧与壳体之间。
进一步的，所述绝缘子监测单元包括集流环，所述集流环安装于支柱式断路器的绝缘子底座根部用于采集所述绝缘子表面污秽泄漏电流。
进一步的，所述密度监测单元包括螺栓型气压传感器，所述螺栓型气压传感器安装于支柱式断路器的SF6补气口。
进一步的，所述内部环境检测单元包括设置于支柱式断路器的机构箱内空气温湿度传感器、机构箱舱壁的第二温度传感器、内部金属结构件的第三温度传感器和机构箱外壁的第四温度传感器。
进一步的，所述有线传输模块包括RS485和RS232，所述无线传输模块包括WIFI 和4G。
本发明的有益效果是：
本发明一种支柱式断路器在线监测***，(1)采用在线监测技术可以及时发现事故隐患，防患于未然；(2)采用在线监测技术可以替代大部分停电试验，减少设备的停电时间，节约试验费用。(3)采用在线监测技术可以更安全的利用老旧设备，由于在线监测可以早期发现故障隐患，老旧设备的安全裕度可以适当降低，尽可能延长其使用寿命，提高经济效益。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明具体结构示意图；
图3是本发明控制回路监测单元示意图；
图4是本发明合分闸监测单元示意图；
图5是弹簧压力传感器安装示意图；
图6是弹簧压力传感器原理示意图；
图7是绝缘子监测单元示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，一种支柱式断路器在线监测***，包括感知层、传输层和应用层，感知层包括同步采样A/D模块以及与同步采样A/D模块连接的控制回路监测单元、合分闸回路监测单元、弹簧压力传感器、绝缘子监测单元、密度监测单元和内部环境监测单元；传输层包括无线传输模块和有线传输模块，有线传输模块包括RS485和RS232，无线传输模块包括WIFI和4G；应用层包括处理器，处理器上连接有FIFO存储器、FLASH 存储器和SRAM存储器，控制回路监测单元、合分闸回路监测单元、弹簧压力传感器、绝缘子监测单元、密度监测单元和内部环境监测单元采用同步采样A/D模块采集数据，并通过无线传输模块或有线传输模块将数据传输至处理器，处理器无法及时响应高速多通道同步采样A/D模块的输出，数据缓存在大容量FIFO存储器中，处理器及时将FIFO 存储器数据转移到大容量SRAM存储器中，监测的数据始终循环记录，实现一个短时长的常录波存储器；任何一个电压回路信号作为触发录波数据存储信号，处理器在检测到电压信号后，将此信号发生前一刻的检测数据记录在FLASH存储器，直到该电压信号消失后一刻，同步采样A/D模块的采样信号也会被同步记录，从而实现一个完整的事件记录录波文件；处理器将事件记录录波文件通过以太网上传至后台分析***，后台分析***根据在线事件录波文件分析断路器状态实现断路器状态检修。
如图3所示，控制回路通常采用110Vdc或220Vdc电源供电，通过检测控制回路电源状态就可以避免控制回路故障导致拒动、误动；为了避免介入检测对回路的影响，电流传感器采用霍尔交直流电流传感器检测电流，电压检测采用高阻抗电阻分压+运算放大器方式检测，控制回路绝缘性能监测采用正负母线高阻抗电阻分压+运算放大器方式检测对大地(外壳)电压方式；具体为：控制回路监测单元包括回路检测模块、电阻RX+、电阻RX-、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4 依次串联并连接于控制回路的正负母线之间，电阻RX+和电阻RX-串联并连接于控制回路的正负母线之间；电阻RX+与电阻RX-之间和电阻R2与电阻R3之间分别接地；检测模块包括第一电流传感器CT1、第一电压传感器和第二电压传感器，第一电流传感器CT1 连接于控制回路的正母线用于采集控制回路的正母线输入电流；第一电压传感器连接于电阻R1与电阻R2之间用于采集控制回路的正母线对接地的电压；第二电压传感器连接于电阻R3与电阻R4之间用于采集控制回路的负母线对接地的电压；结果为霍尔电流传感器实时采集正母线的输入电流，监测***同时采集正母、负母对大地(机箱外壳)的电压，开关处于待机状态时工作电流是稳定且微弱的，如果开关静态电流发生改变，则表明开关控制回路可能异常，监测***自动发出告警；控制回路电压等于正负母线电压之和，且正负母线电压大小相等、极性相反，如果其绝对值不相等，这意味着母线对地绝缘有问题(极端情况正负母线对都有相等的接地电阻，本监测方法失效，但一般认为绝缘故障不可能正负母线同时发生且漏电大小相等)，已知R1,R2,R3,R4，U+,U-，可以计算出接地电阻，一旦超标***会自动告警。
如图4所示，分/合闸线圈、储能电机的工作电压、电流波形监测单元原理图；在开关的分、合闸线圈L1(马达M1)电源线上安装高速霍尔电流传感器，在线圈两端接入分压电阻，线圈外壳安装温度传感器，并将分、合闸(储能)动作开关的动作电压作为主处理器的中断信号，用于启动隔离A/D开始高速采样和主控记录波形数据形成录波文件记录在FLSH存储器中；具体为：合分闸回路监测单元包括合分闸检测模块、电阻 R6和电阻R5，电阻R6和电阻R5分别连接于合分闸回路的线圈电源线两端，合分闸检测模块包括第二电流传感器CT2、第三电压传感器和第一温度传感器CT1，第二电流传感器CT2连接于合分闸回路的线圈电源线上；第二温度传感器设置于合分闸回路的线圈外壳上；第三电压传感器连接于电阻R6与电阻R5之间用于采集合分闸回路的动作开关的动作电压；结果为：处理器实时采集TC1温度传感器数据，实时监测分、合闸线圈L1 (马达M1)的工作温度，如果温度超标，***自动向后台管理***发出报警信号；处理器实时积算线圈功率曲线，通过模式识别判断功率曲线是否正常，对异常数据自动发出告警信息，后台***调阅分析电压、电流波形录波数据文件，应用专家***和大数据分析方法进一步详细分析，得出故障类型、故障严重程度评估的报告，并提示处理意见。
如图5所示，弹簧压力传感器采用垫片形测力传感器F1和测力传感器F2，其设置于支柱式断路器的合分闸储能弹簧与壳体之间；垫片型测力传感器F1、F2采用常规应变电桥测力计工作原理，具有精度高、安全性好、可靠性高和成本低廉的的特点，其机械尺寸高度在5mm以下，甚至可以做到3mm，将其替代常规垫片安装在弹簧与壳体之间；其工作原理如图6所示，当弹簧力F作用在压力测量垫片上，垫片受力后发生应变，在垫圈的外缘和内缘分别贴有4组电阻应变片S1～S4，其中S1、S4受到拉伸应力，电阻变大，S2、S3受到挤压应力，电阻变小，采用电桥检测电路，放大器A1的输出电压正比于F，放大器A1输出信号送到A/D采样电路，处理器读取A/D，然后按整定系数重新标定A/D值，就可以实时监测弹簧的压紧力，结合储能电机工作电流检测，当储能电机停止运转表面储能结束，如果此时监测到储能弹簧压力不够，***自动发出告警信号，预警储能不足。
如图7所示，绝缘子监测单元包括集流环，集流环安装于支柱式断路器的绝缘子底座根部用于采集绝缘子表面污秽泄漏电流；由于绝缘子泄漏电流通常是nA级的，所以只能用电阻直接取样的方法来实现电流检测，由于在绝缘子底部取样，没有高电压的威胁，可以直接采样，只需要注意污闪发生时的过电压保护，监测电路就可以低成本高可靠的监测绝缘子的泄漏电流，***实时监测泄漏电流，一旦超标会自动发出告警信号。
密度监测单元包括螺栓型气压传感器，螺栓型气压传感器安装于支柱式断路器的SF6补气口。在SF6的补气口安装螺栓型气压传感器，传感器就如同保护盖紧密封住补气口避免漏气，同时微微顶开止逆阀，对SF6取样的同时也保证不会因漏气而使得开关内部SF6快速失压，实现密封的双保险。***对补气口压力传感器采样，并同时监测SF6 温度以补偿压随温度变化造成的检测误差，从而实现开关SF6密度在线监测，如果发现 SF6压力下降趋势，表明有漏气趋势，会在发生失压故障前预警漏气故障。
内部环境检测单元包括设置于支柱式断路器的机构箱内空气温湿度传感器、机构箱舱壁的第二温度传感器、内部金属结构件的第三温度传感器和机构箱外壁的第四温度传感器。在机构箱内布置一个空气温湿度传感器、机构箱舱壁、内部金属结构件和箱外布置温度传感器，通过实时监测空气温湿度、舱壁与内部结构件的温度，实时计算凝露条件，在冷凝发生前及时启动制冷除湿装置预防冷凝的发生，同时监测外部空气温度变化，预测冷凝趋势，当外部急剧升温时会导致内部空气也急剧升温，而内部结构件在箱内升温较慢，有可能迅速形成冷凝结露现象，所以当外部急剧升温，内部空气温度还没有升高到形成冷凝现象时就及时启动制冷除湿装置除湿，可以预防春秋季气温大幅度变化导致的机构箱内的冷凝缺陷，避免弹操机构锈蚀故障，确保机构安全稳定运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，包括感知层、传输层和应用层，所述感知层包括同步采样A/D模块以及与所述同步采样A/D模块连接的控制回路监测单元、合分闸回路监测单元、弹簧压力传感器、绝缘子监测单元、密度监测单元和内部环境监测单元；所述传输层包括无线传输模块和有线传输模块；所述应用层包括处理器，所述处理器上连接有FIFO存储器、FLASH存储器和SRAM存储器，所述控制回路监测单元、所述合分闸回路监测单元、所述弹簧压力传感器、所述绝缘子监测单元、所述密度监测单元和所述内部环境监测单元采用所述同步采样A/D模块采集数据，并通过所述无线传输模块或所述有线传输模块将数据传输至所述处理器，所述处理器无法及时响应高速多通道所述同步采样A/D模块的输出，数据缓存在大容量所述FIFO存储器中，所述处理器及时将所述FIFO存储器数据转移到大容量所述SRAM存储器中，监测的数据始终循环记录，实现一个短时长的常录波存储器；任何一个电压回路信号作为触发录波数据存储信号，所述处理器在检测到电压信号后，将此信号发生前一刻的检测数据记录在所述FLASH存储器，直到该电压信号消失后一刻，所述同步采样A/D模块的采样信号也会被同步记录，从而实现一个完整的事件记录录波文件；所述处理器将事件记录录波文件通过以太网上传至后台分析***，所述后台分析***根据在线事件录波文件分析断路器状态实现断路器状态检修。
2.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述控制回路监测单元包括回路检测模块、电阻RX+、电阻RX-、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R1、所述电阻R2、所述电阻R3和所述电阻R4依次串联并连接于所述控制回路的正负母线之间，所述电阻RX+和所述电阻RX-串联并连接于所述控制回路的正负母线之间；所述电阻RX+与所述电阻RX-之间和所述电阻R2与所述电阻R3之间分别接地。
3.根据权利要求2所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述检测模块包括第一电流传感器CT1、第一电压传感器和第二电压传感器，所述第一电流传感器CT1连接于所述控制回路的正母线用于采集所述控制回路的正母线输入电流；所述第一电压传感器连接于所述电阻R1与所述电阻R2之间用于采集所述控制回路的正母线对接地的电压；所述第二电压传感器连接于所述电阻R3与所述电阻R4之间用于采集所述控制回路的负母线对接地的电压。
4.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述合分闸回路监测单元包括合分闸检测模块、电阻R5和电阻R6，所述电阻R5和所述电阻R6分别连接于所述合分闸回路的线圈电源线两端。
5.根据权利要求4所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述合分闸检测模块包括第二电流传感器CT2、第三电压传感器和第一温度传感器CT1，所述第二电流传感器CT2连接于所述合分闸回路的线圈电源线上；所述第二温度传感器设置于所述合分闸回路的线圈外壳上；所述第三电压传感器连接于所述电阻R5与所述电阻R6之间用于采集所述合分闸回路的动作开关的动作电压。
6.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述弹簧压力传感器采用垫片形测力传感器F1和测力传感器F2，其设置于所述支柱式断路器的合分闸储能弹簧与壳体之间。
7.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述绝缘子监测单元包括集流环，所述集流环安装于支柱式断路器的绝缘子底座根部用于采集所述绝缘子表面污秽泄漏电流。
8.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述密度监测单元包括螺栓型气压传感器，所述螺栓型气压传感器安装于支柱式断路器的SF6补气口。
9.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述内部环境检测单元包括设置于支柱式断路器的机构箱内空气温湿度传感器、机构箱舱壁的第二温度传感器、内部金属结构件的第三温度传感器和机构箱外壁的第四温度传感器。
10.根据权利要求1所述的一种支柱式断路器在线监测***，其特征在于，所述有线传输模块包括RS485和RS232，所述无线传输模块包括WIFI和4G。
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