CN214953952U - 一种带有故障诊断功能的电容取电开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种带有故障诊断功能的电容取电开关及方法，该开关包括高压电容器、保护模块、取电单元以及测控单元，在保护模块与接地端之间接入电流测量传感器，高压电容器的第二端与保护模块的第一端连接，保护模块的第二端与电流测量传感器的第一端连接，电流测量传感器的第二端接地，取电单元的第一端连接至保护模块的第一端，取电单元的第二端连接至电流测量传感器的第二端，取电单元的第三端输出电压信号至测控单元，电流测量传感器的第三端输出保护模块的电流信号至测控单元。本实用新型通过已有的开关配接的FTU已有资源，对数据进行分析可获得开关的分合闸时间特征，从而判断开关是否处于正常状态。

Description

一种带有故障诊断功能的电容取电开关

技术领域

本实用新型涉及配电自动化技术领域，尤其涉及一种带有故障诊断功能的电容取电开关。

背景技术

配电开关作为配电网和用户之间的联系环节，其可靠运行对于保证供电可靠性意义重大。配电开关在配电网中起着两方面的作用：一是控制作用，即根据配电网运行要求，将一部分电气设备或线路投入或退出运行状态；二是保护作用，即电气设备或线路发生故障时，通过继电保护及自动装置动作，将故障部分从电网中迅速切除，保护电网的无故障运行。随着经济的发展和全国配电网的改造和智能电网建设的深入，柱上开关特别是一二次融合柱上开关需求广阔。每年都有数十万台投入使用。由于近年来电容取电一二次融合柱上开关由于不存在***隐患等优点正逐步取代传统PT取电的一二次融合柱上开关，因此对电容取电一二次融合柱上开关的故障诊断特别是早期故障诊断具有重要意义。

目前的电容取电开关均存在故障发生后，被动进行更换的故障处理模式，缺乏对开关进行早期故障预防的措施。电容取电一二次融合开关都是智能化程度较高的配电自动化开关，具有电流电压等采样、线路保护、通信等功能，但目前这些资源没有得到最大限度地利用。

开关的机械特性参数有几个，但实际使用中，多供电可靠性影响最大的是分合闸特性，而分合闸特性中，分合闸时间及不同期是最重要的两个参数值，开关的机械故障最终表现为分合闸不正常。因此，通过分合闸过程即可基本清楚开关的目前运行是否处于正常状态。分析分合闸的过程常规方法是通过在开关内部安装位移传感器的办法，用位移-电流，位移-电压曲线进行分析。但这种方法需要开关做重新设计，增加成本，特别是对成型、稳定的开关和大量已投运的开关，增加位移传感器是不可能的。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种不用增加位移传感器，通过已有的开关配接的FTU已有资源，对数据进行分析可获得开关的分合闸时间特征，从而判断开关是否处于正常状态的带有故障诊断功能的电容取电开关。

为了实现上述主要目的，本实用新型提供的一种带有故障诊断功能的电容取电开关，包括高压电容器、保护模块、带电气隔离的取电单元以及测控单元，在所述保护模块与接地端之间接入电流测量传感器，所述高压电容器的第一端与电力线的A、B、C三相中的任一一相连接，所述高压电容器的第二端与所述保护模块的第一端连接，所述保护模块的第二端与所述电流测量传感器的第一端连接，所述电流测量传感器的第二端接地，所述取电单元的第一端连接至所述保护模块的第一端，所述取电单元的第二端连接至所述电流测量传感器的第二端，所述取电单元的第三端输出电压信号至所述测控单元，所述电流测量传感器的第三端输出所述保护模块的电流信号至所述测控单元，其中，所述测控单元用于测量电压、电流信号，并对开关进行控制，当所述测控单元检测到采样数据异常时，向主站发送告警信息。

进一步的方案中，所述高压电容器、保护模块、取电单元之间可选择单相、两相或三相取电模式进行供电。

更进一步的方案中，所述保护模块为压敏电阻阵列，所述压敏电阻阵列由若干个串联的压敏电阻构成，各个所述压敏电阻根据爬电距离或者绝缘等级间距设置，并依次串联排列在所述保护模块的线路主板上。

更进一步的方案中，所述取电单元包括隔离变压器、整流滤波电路、稳压电路，所述隔离变压器的一次侧线圈与所述保护模块两端连接，所述隔离变压器的二次侧线圈两端连接至所述整流滤波电路，在所述整流滤波电路的输出端设置有所述稳压电路，所述整流滤波电路的输出端连接所述稳压电路的输入端。

由此可见，本实用新型提供对现有模块进行简单硬件改动，即可对保护模块和带电气隔离的取电模块进行故障诊断，利用开关和FTU已有的资源，对采样数据进行分析，即可获得开关运行过程中的分合闸不同期状况和分合闸时间，从而对开关的动作特性进行判断进而对开关的故障进行早期诊断。

所以，本实用新型不增加硬件开销，利用采样数据，分析开关不同期和分合闸时间以及电源侧和负荷侧的电压差，从而对开关机械故障进行早期诊断，变“被动停电更换”成“主动预防”，有利于提高供电可靠性；将高压取电电容后的保护电路和取电电路分成保护模块和带电气隔离的取电模块，FTU对其进行检测，有故障时可向主站发出报警信号、提醒运维人员进行快速准确在线带电更换，避免了停电发生、可减少停电经济损失、提高供电可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一种带有故障诊断功能的电容取电开关实施例的原理图。

图2是本实用新型一种带有故障诊断功能的电容取电开关实施例中取电单元的电路原理图。

图3是本实用新型一种带有故障诊断功能的电容取电开关实施例中保护模块的电路原理图。

图4是本实用新型一种带有故障诊断功能的电容取电开关实施例中合闸时间计时起点电路的电路原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，本实用新型的一种带有故障诊断功能的电容取电开关，包括高压电容器10、保护模块20、带电气隔离的取电单元30以及测控单元40，在保护模块20与接地端之间接入电流测量传感器50，高压电容器10的第一端与电力线的A、B、C三相中的任一一相连接，高压电容器10的第二端与保护模块20的第一端连接，保护模块20的第二端与电流测量传感器50的第一端连接，电流测量传感器50的第二端接地，取电单元30的第一端连接至保护模块20的第一端，取电单元30的第二端连接至电流测量传感器50的第二端，取电单元30的第三端输出电压信号至测控单元40，电流测量传感器50的第三端输出保护模块20的电流信号至测控单元40，其中，测控单元40用于测量电压、电流信号，并对开关进行控制，当测控单元40检测到采样数据异常时，向主站发送告警信息。

高压电容器10、保护模块20、取电单元30之间可选择单相、两相或三相取电模式进行供电。

例如，在三相取电模式下，设置有三个高压电容器10，通过在端子排上设置引线容易实现三个电容的并联。通过端子排也可以设置为三个电容分别对应三相电容C1，可以同时适用于单相或三相的情况。

参见图2，取电单元30包括隔离变压器B1、整流滤波电路、稳压电路，隔离变压器B1的一次侧线圈与保护模块20两端连接，隔离变压器B1的二次侧线圈两端连接至整流滤波电路，在整流滤波电路的输出端设置有稳压电路，整流滤波电路的输出端连接稳压电路的输入端。

具体的，电压信号V1连接高压电容器10(C1)的一端，高压电容器10的另一端同时连接隔离变压器B1一次侧线圈的一端，隔离变压器B1一次侧线圈的另一端接地，隔离变压器B1的一次侧线圈两端并联有保护模块20、电流测量传感器50。

隔离变压器B1的一组二次侧线圈的两端连接电阻R1的两端，电阻R1为阻尼电阻。隔离变压器B1的一组二次侧线圈的两端接入整流桥电路的输入端，整流桥电路为二极管D1～D4组成的全波整流电路，整流桥电路的输出端之间并联有电容C3，二极管D1～D4组成的整流桥电路以及起到滤波作用的电容C3组成上述的整流滤波电路。

在整流桥电路输出正极和输出负极之间还并联有电阻R2～R3串联组成的分压支路以及稳压器件D5，稳压器件D5采用型号为TL431的可控精密稳压源实现。稳压器件D5的阴极连接整流桥电路输出正极，阳极连接整流桥电路输出负极，稳压器件D5的参考极连接在电阻R2～R3之间。稳压器件D5(TL431)两端电压取决于电阻R2～R3的阻值，由本领域公知常识可知，稳压器件D5输出端电压U＝(1+R2/R3)·2.5V，因此通过调节电阻R2～R3的阻值可以使稳压器件D5输出端电压处于在电压转换电路输入端所要求的工作电压范围之内。电阻R2～R3以及稳压器件D5组成上述的稳压电路。

稳压器件D5输出端电压接入稳压芯片U2的输入端，稳压芯片U2可根据所供电设备的供电要求采用市售常见的DC/DC稳压芯片实现，稳压芯片U2输出的电压信号至测控单元40(U3)。

在本实施例中，高压电容器10由多个直流耐压数为80kV的CB81圆柱形薄膜电容器串联而成。

可见，作为高压电容器10，可以采用一个电容实现，也可以采用多个电容串联构成，本实施例的高压电容器10采用高压陶瓷电容器，且特殊的串联结构适合于在高电压下长期可靠地工作。

进一步的，保护模块20为压敏电阻阵列。其中，参见图3，其包括输入端100、压敏电阻阵列以及输出端200，压敏电阻阵列由若干个串联的压敏电阻构成，如压敏电阻RV1～RV30，各个压敏电阻根据爬电距离或者绝缘等级间距设置，并依次串联排列在保护模块20的线路主板上。

作为优选，压敏电阻为金属电氧化物压敏电阻，反应速度快，且快速响应时间小于10ns，快速响应能够保证更好的保护设备或端口不受浪涌电流的影响。

本实施例的保护模块20采用压敏电阻阵列的型式，单独做成模块，放置于取电单元30前端，与取电单元30并联，可以抗击浪涌冲击，特别是持续时间较长的冲击，通过把集中的热量进行分散的处理方法，显著降低了每个器件在极端情况下的温升，从而被免过高的温升对器件的伤害，达到保护器件的目的，提高整体***的工作的可靠性。

在实际应用中，本实施例的取电回路具体为：将第一导线1连接到电力线某一相上(如图中A相上)，因为高压电容器10的电抗高，通过高压电容器10后，电压降大大降低。电流流经第二导线2后，有两个分支。但在线路电压正常的情况下，保护模块20两端的电压比较低，达不到启动电压，从而保护模块20不工作，即几乎没流有电流过；此时，高压电容器10流出的电流全部流经“带电气隔离的取电模块”，之后经过第三导线3、电流测量传感器50进入大地。

如果高压电容器10击穿短路，此时保护模块20两端的电压就会急剧升高，此时，保护模块20就会立即启动工作，开始流过电流。由于“带电气隔离的取电模块”的电抗较高，流过的电流与保护模块20相比可忽略，因此当高压电容器10出现击穿时，导线1、2、3和4上的电流会急剧加大。

如果保证第二导线2和第三导线3以及保护模块20的整个通路有做够的线径且均为同种铜材料，但第一导线1的线径远小于以上通路的线径，则当第一导线1、高压电容器10、第二导线2、保护模块20和第三导线3组成的电流通路流经击穿大电流时，由于单位长度上发热不一样：如果第二导线2和第三导线3的线径为第一导线1的2倍，则第一导线1上的单位长度的瞬间发热为第二导线2和第三导线3的4倍，在电流急剧升高，导线来不及散热的情况下，第一导线1上的温升将远远超过第二导线2和第三导线3以及保护模块20，因此，第一导线1必定先熔断。当第一导线1熔断后，将高压隔断，使得有可能接触到的保护模块20和带电气隔离的取电模块成为安全区域，消除了烧断第二导线2、第三导线3即保护模块20内部导体带来的触电风险。

本实用新型还提供的一种带有故障诊断功能的电容取电开关的故障诊断方法，电容取电开关是采用上述的电容取电开关，方法包括以下步骤：将PT去掉，采用电容取电开关进行取电，获取电力网上的高压交流电，并对其进行降压处理；当检测到有分/合闸信号时，由测控单元40发出分/合闸指令，接通供电线路；获取A、B、C三相的分/合闸时间，分别为Ta、Tb和Tc，将Ta-Tb、Ta-Tc以及Tb-Tc的绝对值与标准规定值进行比较，若绝对值大于标准规定值，则可确定开关出现不同期异常，向主站发送告警信息；若在Ta、Tb和Tc中，任何一个时间大于标准最大分/合闸时间，则可确定为开关出现分/合闸异常，向主站发送告警信息。

例如，本实施例中弹操机构开关的标准规定值最大为2ms，如表(1)所示：

表(1)

上述表(1)中弹操机构开关的标准最大合/分闸时间为60ms/45ms。

对于永磁机构开关，获取分/合闸时间具体包括：从测控单元40的动作指令发出开始计时，直到检测到线路有电流信号的瞬间为止，可确定为分/合闸时间。

对于永磁机构开关，获取分/合闸时间具体包括：从测控单元40的动作指令发出开始计时，直到检测到开关负荷侧有电压信号的瞬间为止，可确定为分/合闸时间。

进一步的，当开关负荷侧和电源侧的电压差超过预定值时，则确定为开关触头接触不良，向主站发送告警信息。

另外，当负荷侧和电源侧的电压差超过一定值时，可以判断为开关触头接触不良，将向主站发出报警信号、提醒运维人员进行检修。

进一步的，当测控单元40发出合闸指令时，合闸回路接通-合闸线圈得电-触头连接-供电线路接通。

对于弹操机构开关，获取分/合闸时间具体包括：从测控单元40的动作指令发出开始计时，直到检测到开关负荷侧有电压信号的瞬间为止，再减去继电器动作时间即为开关分/合闸时间。

具体的，对于弹操机构开关，对分合闸由继电器控制的弹操机构开关，由于每个继电器的动作时间长短存在差别，故上述提及继电器动作的时间一般为8ms只是近似而已。

在本实施例中，本实用新型的合闸回路如图4所示，图4为合闸时间计时起点电路，以检测到分合闸回路有电流时为计时开始起点，对Ta、Tb和Tc进行精确测量。

当单片机发出分闸指令时(即测控单元控制口值高电平时)，开关管Q1导通，继电器K1吸合，此时合闸线圈J1得电，电阻R20上产生电压，此电压通过AD采样可以检测到，此时刻作为合闸的计时起点，这样可精确地获得合闸时间的计时起点，从而精确测量合闸时间。

同理，类似地设置分闸时间计时起点电路，可精确测量分闸时间。

在实际应用中，电流测量传感器50将实际电流转换成电压信号，经过信号处理后，至AD转换器转换成数字信号，测控单元40再对数字信号进行运算处理。

当开关未合闸时，电流为零。

开关合闸过程如下：当开关配接的测控单元40检测到有合闸信号(可能是按键操作、遥控操作、重合闸等合闸信号)时，由测控单元40发出合闸指令，合闸回路接通，合闸线圈得电，机构动作直至触头连接，供电线路接通。由于开关接通的瞬间，即使无负载，开关后面也有变压器，必将产生电流(变压器励磁产生浪涌电流)，此电流通过具有高精度、宽量程的上述硬件电路可以被测控单元40检测到。

根据机构的类型，开关可以分为弹操机构开关和永磁机构开关。两类开关的机构驱动方式不一样，弹操机构开关的驱动电流比较小，一般用继电器触点即可。如果采用继电器控制，计算合闸时间时，应该在动作时间中扣除继电器动作的时间；而永磁机构开关则一般采用IGBT驱动，IGBT的响应速度快，可以认为动作指令发出后，线圈立即得电、没有延时，即瞬间同时动作。此外，两种开关的动作速度也有比较大的差别。

综上，如果从测控单元40动作指令发出开始计时，到检测到线路有电流的瞬间止，对永磁机构开关而言，此段时间即为开关合闸时间；对弹操机构开关而言，此段时间减掉继电器动作时间(一般为8ms)即为开关合闸时间。

设A、B、C三相测得的合闸时间分别为Ta、Tb和Tc，如果Ta-Tb和Ta-Tc以及Tb-Tc的绝对值与标准规定值比较，若大于标准规定值，可以判断为开关出现不同期异常，可向主站发送告警信息，让运维人员即可及时处理。

如果Ta、Tb和Tc中，任何一个时间大于标准最大合闸时间，则可判断为开关出现合闸异常；特别出现某一值出现远大于正常合闸时间时，可判断为开关被卡死，可向主站发送告警信息，提醒运维人员及时处理。

由于开关出现严重故障一般都是一个渐变过程，因此可以让运维人员提早得知开关的合闸早期异常情况、预防故障的发生。

同样地，可以通过测量电流的方法，测量分闸过程的故障诊断。

在本实施例中，由带电气隔离的取电单元30输出电压信号，经过信号处理后，至AD转换器转换成数字信号，测控单元40再对数字信号进行运算处理。

当开关未合闸时，开关负荷侧电压为零。

开关合闸过程如下：当开关配接的测控单元40检测到有合闸信号(可能是按键操作、遥控操作、重合闸等合闸信号)时，测控单元40发出合闸指令，合闸回路接通，合闸线圈得电，机构动作直至触头连接，供电线路接通，上述硬件电路中测控单元40可以检测到开关负荷侧电压。

同上述测量电流的方式一样，如果从测控单元40的合闸动作指令发出开始计时，到检测到开关负荷侧有电压的瞬间止，对永磁机构开关而言，此段时间即为开关合闸时间；对弹操机构开关而言，此段时间减掉继电器动作时间(一般为8ms)即为开关合闸时间。

类似地，设A、B、C三相测得的合闸时间分别为Ta、Tb和Tc，如果Ta-Tb和Ta-Tc以及Tb-Tc的绝对值与标准规定值比较，若大于标准规定值，可以判断为开关出现不同期异常，可向主站发送告警信息，让运维人员即可及时处理。

如果Ta、Tb和Tc中，任何一个时间大于标准最大合闸时间，则可判断为开关出现合闸异常；特别出现某一值出现远大于正常合闸时间时，可判断为开关被卡死，可向主站发送告警信息，提醒运维人员及时处理。

同样地，可以通过测量电源侧和负荷侧电压的方法，可以对分闸过程的故障进行诊断。

另外，当负荷侧和电源侧的电压差超过一定值时，可以判断为开关触头接触不良，将向主站发出报警信号、提醒运维人员进行检修。

本实用新型对现有模块进行简单硬件改动，即可对保护模块20和带电气隔离的取电模块进行故障诊断，如下：

(1)保护模块20的故障诊断：在保护模块20与接地端之间接入电流测量传感器50，当保护模块20正常时，电流为10μA数量级，否则出现故障。故障可能一般是压敏电阻由于受到高能量雷击，造成短路或断路，短路时电流为mA级、断路时电流为0。

(2)带电气隔离的取电模块的故障诊断：此模块的故障诊断很简单，只需对模块的输出电压进行检测即可：当输出为设计电压，一般为27V(供给蓄电池或超级电容储能)时正常，偏离此电压较多时，且在保护模块20的电流正常或为零时，判断为该模块损坏。

当上述两模块有损坏时，测控单元40将故障信息传送至主站，通知运维人员检修，配合专用工具，可进行不停电更换。

因此，本实用新型不增加硬件开销，利用电流采样数据，分析开关不同期和分合闸时间，从而对开关故障进行早期诊断；不增加硬件开销，利用电压采样数据，分析开关不同期和分合闸时间，从而对开关故障进行早期诊断；增加硬件检测分合闸回路电流检测，可精确获得开关不同期和分合闸时间数据，从而更精确地对开关故障进行早期诊断；在检测电压法数据时，当负荷侧和电源侧的电压差超过一定值时，可以判断为开关触头接触不良，将向主站发出报警信号、提醒运维人员进行检修；将高压取电电容后的保护电路和去电电路分成保护模块20和带电气隔离的取电单元30，FTU对其进行检测，有故障时可向主站发出报警信号、提醒运维人员进行检修。

由此可见，本实用新型提供对现有模块进行简单硬件改动，即可对保护模块20和带电气隔离的取电模块进行故障诊断，利用开关和FTU已有的资源，对采样数据进行分析，即可获得开关运行过程中的分合闸不同期状况和分合闸时间，从而对开关的动作特性进行判断进而对开关的故障进行早期诊断。

所以，本实用新型不增加硬件开销，利用采样数据，分析开关不同期和分合闸时间以及电源侧和负荷侧的电压差，从而对开关机械故障进行早期诊断，变“被动停电更换”成“主动预防”，有利于提高供电可靠性；将高压取电电容后的保护电路和取电电路分成保护模块20和带电气隔离的取电模块，FTU对其进行检测，有故障时可向主站发出报警信号、提醒运维人员进行快速准确在线带电更换，避免了停电发生、可减少停电经济损失、提高供电可靠性。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有故障诊断功能的电容取电开关，其特征在于，包括：

高压电容器、保护模块、带电气隔离的取电单元以及测控单元，在所述保护模块与接地端之间接入电流测量传感器，所述高压电容器的第一端与电力线的A、B、C三相中的任一一相连接，所述高压电容器的第二端与所述保护模块的第一端连接，所述保护模块的第二端与所述电流测量传感器的第一端连接，所述电流测量传感器的第二端接地，所述取电单元的第一端连接至所述保护模块的第一端，所述取电单元的第二端连接至所述电流测量传感器的第二端，所述取电单元的第三端输出电压信号至所述测控单元，所述电流测量传感器的第三端输出所述保护模块的电流信号至所述测控单元，其中，所述测控单元用于测量电压、电流信号，并对开关进行控制，当所述测控单元检测到采样数据异常时，向主站发送告警信息。

2.根据权利要求1所述的电容取电开关，其特征在于：

所述高压电容器、保护模块、取电单元之间可选择单相、两相或三相取电模式进行供电。

3.根据权利要求1所述的电容取电开关，其特征在于：

所述保护模块为压敏电阻阵列，所述压敏电阻阵列由若干个串联的压敏电阻构成，各个所述压敏电阻根据爬电距离或者绝缘等级间距设置，并依次串联排列在所述保护模块的线路主板上。

4.根据权利要求1所述的电容取电开关，其特征在于：

所述取电单元包括隔离变压器、整流滤波电路、稳压电路，所述隔离变压器的一次侧线圈与所述保护模块两端连接，所述隔离变压器的二次侧线圈两端连接至所述整流滤波电路，在所述整流滤波电路的输出端设置有所述稳压电路，所述整流滤波电路的输出端连接所述稳压电路的输入端。

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