CN114362090B - 智能物联网高爆开关 - Google Patents
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Abstract
一种智能物联网高爆开关，包括设于底座上的防爆壳体，所述防爆壳体内具有前腔以及后腔，所述前腔内设有一次设备、保护器以及断路器，所述保护器与所述一次设备以及断路器连接，所述后腔包括接线腔以及地刀腔，所述接线腔内设有电缆接头，所述地刀腔内设有地刀，还包括物联网通信管理机、热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置以及分别设于所述断路器各触头以及电缆接头上的多个测温传感器，本发明可以对断路器分断能力进行在线诊断、进行智能除湿，并可以基于断路器各触头及电缆接头的接触情况进行故障诊断，有利于排除故障，安全性高。
Description
技术领域
本发明属于煤矿电网技术领域，尤其涉及一种智能物联网高爆开关。
背景技术
目前矿用隔爆兼本质安全型高压真空配电装置(以下简称高爆开关)是煤矿井下供电必不可少的开关设备，其通常具有一次设备(电压互感器(PT)、电流互感器(CT)、零序电流互感器)、保护器以及断路器，断路器包括合闸回路、合闸执行机构、分闸回路、分闸执行机构、无压释放脱扣回路、脱扣执行机构、断路器小车等。高爆开关用于实现对供电设备的停电，送电；一旦用电设备负荷侧发生漏电或者短路等故障时，高爆开关中的保护器检测到故障并发出故障跳闸命令，使开关跳开切除故障。
但是，传统的高爆开关无法进行智能分析诊断，不能对故障隐患提前预知和早期预警，不利于排除故障：
1、无法对断路器分断能力进行在线诊断:对于一个高爆开关来说，一旦开关分断能力降低或者机构拒动，当发生短路故障时本身开关切除故障慢或者切除不了故障，势必会导致上级或者上上级开关跳闸，发生越级跳闸的情况，目前，只能通过外部检测设备进行离线监测，离线状态下模拟的电压电流都正常的情况，与真正故障时的情况差别大；
2、无法进行对内部进行智能除湿：高爆开关内部封闭，当湿度超过一定程度，有可能导致固体绝缘物表面不断吸收潮气并形成水膜，而水中含有的离子在电场中会沿绝缘物表面运动，并在电极附近形成积聚，使得局部电场强度增加，发生放电，并引起沿面闪络电压下降，吸潮越严重，沿面闪络电压则降低越多，这种沿绝缘物表面放电，会使得绝缘物表面局部过热至碳化并伴有强烈的放电声和弧臭味，其最终会造成相对地和相间短路故障，从而发生重大电气事故。
3、无法基于断路器各触头及电缆接头的接触情况进行故障诊断：
当断路器小车不到位、触头接触不可靠或者高压电缆的接头没有固定可靠，会有一定的阻抗，长时间工作会引起触头和电缆头温度急剧上升，导致动触头和静触头及电缆接头处发生放电，引起弧光放电短路或者弧光接地，引起故障，造成事故及停电。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供一种可对故障进行分析诊断的智能物联网高爆开关。
本发明采用的技术方案如下：
一种智能物联网高爆开关，包括设于底座上的防爆壳体，所述防爆壳体内具有前腔以及后腔，所述前腔内设有一次设备、保护器以及断路器，所述保护器与所述一次设备以及断路器连接，所述后腔包括接线腔以及地刀腔，所述接线腔内设有电缆接头，所述地刀腔内设有地刀，其特征在于，还包括物联网通信管理机、热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置以及分别设于所述断路器各触头以及电缆接头上的多个测温传感器，所述物联网通信管理机与所述保护器连接，所述热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置以及测温传感器均与所述物联网通信管理机连接，所述热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置均设于所述前腔内；
所述保护器被配置为：
(1)进行断路器分断能力在线诊断：
在命令所述断路器执行分闸的过程中，计算所述保护器向断路器发出分闸命令到该保护器检测到所述断路器完成分闸的时间t1；
计算所述断路器的分闸时间T＝t1-t2，t2为预设时间，代表所述保护器向断路器发出分闸命令到该断路器收到分闸命令的时间；
若T≤时间阈值，则断路器分断能力正常，若T>时间阈值，则代表断路器分断能力不正常；
(2)进行智能除湿：
通过所述温湿度传感器确定所述前腔内的湿度，若所述湿度>第一湿度阈值，则命令所述加热除湿装置进行除湿，直到所述湿度小于第二湿度阈值；
在除湿过程中，通过所述温湿度传感器确定前腔温度，若所述前腔温度>第一温度阈值，则命令所述加热除湿装置停止除湿；
(3)基于所述断路器各触头及电缆接头的接触情况的故障诊断：
通过测温传感器或者热成像仪确定所述断路器各触头的温度，通过测温传感器确定电缆接头的温度，从中确定温度最大值；
若所述温度最大值>第二温度阈值，则命令所述断路器执行分闸。
本发明智能物联网高爆开关可以对断路器分断能力进行在线诊断、进行智能除湿，并可以基于断路器各触头及电缆接头的接触情况进行故障诊断，有利于排除故障，安全性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的断路器分断能力在线诊断原理图。
具体实施方式
如图1所示，本说明书实施例提供一种智能物联网高爆开关，包括设于底座上的防爆壳体1100。
防爆壳体1100内具有前腔1110以及后腔，后腔包括接线腔1120、地刀腔1130以及本安腔1140。
前腔1110内设有一次设备1111、保护器1112、断路器1113、物联网通信管理机1114、热成像仪1115、温湿度传感器1116、加热除湿装置1117、弧光传感器1118、超声波传感器1119、智能显示器1198以及本安电源1199。
接线腔1120内设有电缆接头，地刀腔1130内设有地刀1131，本安腔1140内设有用于接入外部数据的网关1141、以太网本安隔离模块1142以及5G通讯模组1143。
断路器1113的各触头以及电缆接头上均设有测温传感器1150。
一次设备1111包括一次电压互感器、一次电流互感器以及零序电流互感器，一次电压互感器、一次电流互感器以及零序电流互感器均与保护器1112连接。
保护器1112与断路器1113、物联网通信管理机1114、加热除湿装置1117以及智能显示器1198连接。
断路器1113包括合闸执行回路、与合闸执行回路连接的合闸机构、分闸执行回路、与分闸执行回路连接的分闸机构、失压脱扣执行回路、与失压脱扣执行回路连接的脱扣机构以及电动小车，合闸执行回路、分闸执行回路、失压脱扣执行回路以及电动小车均与保护器1112连接。
热成像仪1115、温湿度传感器1116、弧光传感器1118、超声波传感器1119以及测温传感器1150均与物联网通信管理机1114连接。
网关1141与以太网本安隔离模块1142以及物联网通信管理机1114连接，并通过本安电源1199供电，以太网本安隔离模块1142与5G通讯模组1143连接。
其中，一次电压互感器是将外部三相供电6KV/10KV转化为高爆开关内部的三相供电100V，由保护器1112采集三相供电100V来判断***供电电压的完好性，供电***是否过压或欠压等。
一次电流互感器是将高爆开关供电的负荷电流信号通过一次电流互感器(变比50/5-1250/5)转化成二次额定电流为5A的电流信号，通过保护器1112采集两相或者三相电流来判断***供电是否正常，供电***是否发生短路、过流、过载等。
零序电流互感器用于供高爆开关供电的三相电缆穿过一次零序电流互感器(1A/100MV)从而转化成二次的电压信号，通过保护器1112采集漏电电流和开口三角处的零序电压来判断***供电是否正常，供电***是否发生接地、漏电等。
断路器1113收到保护器1112的合闸命令后，启动合闸，闭合合闸执行回路，使合闸线圈带电，带动合闸机构动作，高爆开关合闸；收到保护器1112的分闸命令或者保护跳闸命令后，启动分闸，闭合分闸执行回路，使分闸线圈带电，带动分闸机构动作，高爆开关分闸；当保护器1112检测到外部三相供电6KV/10KV低于一定值后，失压脱扣执行回路驱动脱扣机构分闸，满足煤安规程。
电动小车代替传统的机械机构小车，保护器1112收到远程遥控小车的进入命令或摇出命令时，驱动电动小车的电机进行摇入到工作位置或者摇出试验位置，代替传统的手车人力将小车拉出或者推入，是实现开关智能化和电动化必不可少的。
电动地刀代替传动的纯手动挂接地线，保护器1112收到远程遥控电动接地刀的分闸命令或合闸命令时，驱动电动接地刀的电机进行合闸操作和分闸操作，代替传统的将开关后腔盖打开，通过人力挂接地线，将高压电缆的残留电压泄放，是实现开关智能化和电动化必不可少的。
测温传感器1150用于对开关触头和电缆接头的温度进行检测，如可以采用表带式无线测温传感器。
热成像仪1115可以采用双光谱热像仪，用于实时监控断路器小车的到位情况和电动接地刀的分合闸情况，梅花动静触头的接触情况，电缆接头连接情况，通过双光谱的热成像不仅能够实时监视开关触头和电缆接头的温度，而且能够监视整个照射区域的温度，这些温度数据可以在智能显示器1198中显示，实现本地的开关内部实时视频监控和热成像测温；同时通过网关1141以及5G通讯模组1143可以将图像视频转换成5G无线信号发送给5G通讯无线基站，进而传送到地面调度监控中心，这样在地面监控中心也能够实时监控开关内部状况。
超声波传感器1119用于检测开关内部局部放电数据，保护器1112可以根据局部放电数据监测开关内部局部放电，用于对开关内绝缘破坏的早期检测，这样保护器1112就可以发出告警或跳闸命令，断开开关，提前预警。
弧光传感器1118检测开关内部的局部放电弧光或者短路弧光，保护器1112可以根据检测到的电弧光强弱发出告警或跳闸命令，断开开关，提前预警，防止故障扩大化。
温湿度传感器1116用于检测前腔1110内的湿度和温度。
物联网通信管理机1114用于汇聚规约矿用物联网传感器(热成像仪1115、温湿度传感器1116、弧光传感器1118、超声波传感器1119、测温传感器1150)的检测数据以及来自网关1141的外部检测数据，进而将检测数据传输给保护器1112。
网关1141为普通网关或者智能通信管理网关，在煤矿井下变电所或者配电点，可以选择在一个高爆开关内部设置智能通信管理网关，使其成为一个物联网网关，其它高爆开关内部只需设置普通网关，其它开关可以通过各自的网关依次串联至物联网网关上，其中，开关之间的网关通过支持RS485、CAN、以太网和光纤通讯的对接插头连接，同时，变电所或者配电点的第三方厂家外部检测设备也可以通过上述对接插头连接至物联网网关，这样，具有普通网关的高爆开关的内部检测数据以及变电所或者配电点的第三方厂家外部检测设备的检测数据都可以汇聚到物联网网关，通过该物联网网关接入接入5G共网或者5G专网，实现井下所有高爆开关的智能化数据的接入和监控，避免现有技术中，各高爆开关都通过接线盒方式互联，造成接线杂乱，施工复杂，维修费劲等问题，同时，也可以就地实时显示和控制变电所各种设备。
网关1141通过以太网接口与以太网本安隔离模块1142连接，将非本安的以太网信号经过隔离后输出本安型的以太网信号，然后与5G通讯模组1143连接。
本安电源1199将前腔中的非本安电源的供电转换为本安电源给本安腔供电。
智能显示器1198通过以太网接口与保护器1112进行通讯，实现人机交互，将保护器1112采样的数据(电压、电流、功率等)，开入信息，故障信息，保护定值等，传感器的各种数据如视频数据、测温数据等进行实时显示，实现就地实时监控和可视化、电动化操作。
红外遥控器1160与智能显示器1198人机接口进行配合使用，实现就地查看各种数据，实现本地实时监控，如对故障记录、温湿度数据、弧光数据、视频监控及热成像以及高爆开关的机械特性等数据进行查询，也可以进行其它操作，如定值采集及修改等等。
保护器1112被配置为：
(1)进行断路器分断能力在线诊断：
在命令断路器1113执行分闸的过程中，如图2所示，计算保护器1112通过分闸出口向断路器1113发出分闸命令到该保护器1112检测到断路器1113完成分闸的时间t1，由于断路器1113中辅助触点的作用，在合闸状态下，开关合位信号为1，开关分位信号为0，断路器1113收到分闸命令后进行分闸，保护器1112会检测到开关合位信号从1变成0，同时，开关分位信号从0变成1，此时即代表保护器1112检测到断路器1113完成分闸。
计算断路器1113的分闸时间T＝t1-t2，t2为预设时间(可以预先测量确定，如8ms)，代表保护器1112通过分闸出口向断路器1113发出分闸命令到该断路器1113收到分闸命令的时间。断路器的分闸速度决定了开关的机械特性分断能力，断路器的分闸时间是断路器分闸速度的体现。
若T≤时间阈值(如80ms)，则断路器分断能力正常，若T>时间阈值，则代表断路器分断能力不正常。
在实际的使用场景中，保护器1112会在两种情况下，命令断路器1113执行分闸，一种是正常遥控分闸，另一种是故障(短路或者漏电)跳闸。
对于正常遥控分闸的情形，在每次正常遥控分闸时，计算t1-t2的值T′，记录T′；触发诊断(人为触发或者定期触发)时，从记录中取与当前时间最接近的多个T′(如3个)，计算平均值作为分闸时间T；若T>时间阈值，则代表断路器分断能力不正常，进行提示告警：请检修开关或者更换开关断路器。
对于故障跳闸的情形，与正常遥控分闸不同，需要及时的进行判断，故需要在分闸的过程中实时根据分闸时间T＝t1-t2进行判断，若T>时间阈值，则代表断路器分断能力不正常，进行提示告警：请检修开关或者更换开关断路器。
(2)进行智能除湿：
通过温湿度传感器1116确定前腔1110内的湿度，若湿度>第一湿度阈值(如70％RH，一般湿度超过70％RH时会通过空气引起腔体内间隙放电造成故障事故)，则命令加热除湿装置1117进行除湿，并提示告警:开关腔内湿度过高，直到湿度小于第二湿度阈值(如50％RH)。
在除湿过程中，通过温湿度传感器1116确定前腔温度，若前腔温度>第一温度阈值(70℃)，则命令加热除湿装置1117停止除湿。
其中，可以周期性多次获取温湿度传感器1116的湿度检测值(如1秒1次，取5次湿度检测值：Hx1、Hx2、Hx3、Hx4、Hx5)，并计算平均值作为前腔内的湿度((Hx1+Hx2+Hx3+Hx4+Hx5)/5)，可以周期性多次获取温湿度传感器1116的温度检测值(如1秒1次，取5次温度检测值：Tx1、Tx2、Tx3、Tx4、Tx5)，并计算平均值作为前腔温度((Tx1+Tx2+Tx3+Tx4+Tx5)/5)，这样准确性更高。
(3)基于断路器1113各触头及电缆接头的接触情况的故障诊断：
通过测温传感器1150或者热成像仪1115确定断路器各触头的温度，通过测温传感器1150确定电缆接头的温度，从中这些温度中确定温度最大值。
其中，可以周期性多次(如1秒1次，取3次)获取断路器各触头以及电缆接头的温度，每次从中获取最大温度(Tmax1、Tmax2以及Tmax3)，并计算最大温度的平均值作为温度最大值((Tmax1+Tmax2+Tmax3)/3)，这样准确性更高。
若温度最大值>第三温度阈值(如70℃，超过时会引起故障事故)，则命令断路器执行分闸，进行提示告警：超温跳闸，请检修。
此外，保护器1112还可以对高爆开关中的电压、电流、零序电流等进行采样、计算和保护；对开关短路进行控制分闸、合闸操作，对电动小车进行控制摇入和摇出，对电动地刀进行控制分闸、合闸操作。
但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (9)
1.一种智能物联网高爆开关，包括设于底座上的防爆壳体，所述防爆壳体内具有前腔以及后腔，所述前腔内设有一次设备、保护器以及断路器，所述保护器与所述一次设备以及断路器连接，所述后腔包括接线腔以及地刀腔，所述接线腔内设有电缆接头，所述地刀腔内设有地刀，其特征在于，还包括物联网通信管理机、热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置以及分别设于所述断路器各触头以及电缆接头上的多个测温传感器，所述物联网通信管理机与所述保护器连接，所述热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置以及测温传感器均与所述物联网通信管理机连接，所述热成像仪、温湿度传感器、加热除湿装置均设于所述前腔内；
所述保护器被配置为：
(1)进行断路器分断能力在线诊断：
在命令所述断路器执行分闸的过程中，计算所述保护器向断路器发出分闸命令到该保护器检测到所述断路器完成分闸的时间t1；
计算所述断路器的分闸时间T＝t1-t2，t2为预设时间，代表所述保护器向断路器发出分闸命令到该断路器收到分闸命令的时间；
若T≤时间阈值，则断路器分断能力正常，若T>时间阈值，则代表断路器分断能力不正常；
(2)进行智能除湿：
通过所述温湿度传感器确定所述前腔内的湿度，若所述湿度>第一湿度阈值，则命令所述加热除湿装置进行除湿，直到所述湿度小于第二湿度阈值；
在除湿过程中，通过所述温湿度传感器确定前腔温度，若所述前腔温度>第一温度阈值，则命令所述加热除湿装置停止除湿；
(3)基于所述断路器各触头及电缆接头的接触情况的故障诊断：
通过测温传感器或者热成像仪确定所述断路器各触头的温度，通过测温传感器确定电缆接头的温度，从中确定温度最大值；
若所述温度最大值>第三温度阈值，则命令所述断路器执行分闸。
2.根据权利要求1所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述后腔还包括本安腔，所述本安腔内设有用于接入外部数据的网关、以太网本安隔离模块以及5G通讯模组，所述网关与所述以太网本安隔离模块以及物联网通信管理机连接，所述以太网本安隔离模块与所述5G通讯模组连接。
3.根据权利要求2所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述网关为普通网关或者智能通信管理网关。
4.根据权利要求3所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述前腔内还设有弧光传感器以及超声波传感器，所述弧光传感器以及超声波传感器均与所述物联网通信管理机连接。
5.根据权利要求3所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述进行断路器分断能力在线诊断，进一步包括：
在每次正常遥控分闸时，计算t1-t2的值T’，记录所述T’；
触发诊断时，从记录中取与当前时间最接近的多个T’，计算平均值作为分闸时间T；
若T>时间阈值，则代表断路器分断能力不正常，进行提示告警。
6.根据权利要求5所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述进行智能除湿，进一步包括：
周期性多次获取所述温湿度传感器的湿度检测值，并计算平均值作为所述前腔内的湿度，若所述湿度>第一湿度阈值，则命令所述加热除湿装置进行除湿，并提示告警，直到所述湿度小于第二湿度阈值；
在除湿过程中，周期性多次获取所述温湿度传感器的温度检测值，并计算平均值作为前腔温度，若所述前腔温度>第一温度阈值，则命令所述加热除湿装置停止除湿。
7.根据权利要求6所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述基于所述断路器各触头及电缆接头的接触情况的故障诊断，进一步包括：
周期性多次获取所述断路器各触头以及电缆接头的温度，每次从中获取最大温度，并计算最大温度的平均值作为温度最大值；
若所述温度最大值>第二温度阈值，则命令所述断路器执行分闸,并进行提示告警。
8.根据权利要求7所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，所述一次设备包括一次电压互感器、一次电流互感器以及零序电流互感器，所述一次电压互感器、一次电流互感器以及零序电流互感器均与所述保护器连接。
9.根据权利要求8所述的一种智能物联网高爆开关，其特征在于，还包括智能显示器、与所述智能显示器配合的红外遥控器以及用于将所述前腔中的非本安电源的供电转换为本安电源给本安腔供电的本安电源，所述智能显示器以及本安电源均设于所述前腔中，所述智能显示器与所述保护器连接，所述本安电源与所述网关连接。
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