隔离开关机械负载智能带电测试装置及测试方法 |
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| 申请号 | CN201710618218.7 | 申请日 | 2017-07-26 | 公开(公告)号 | CN107390120A | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 国网河南省电力公司南阳供电公司; 西安亚建电力技术有限公司; | 发明人 | 罗道军; 姚楠; 王雷; 华大鹏; 尚光伟; 陈柳宁; 张朋飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了隔离 开关 机械负载智能带电测试装置及测试方法，包括相互连接的 采样 单元与 数据处理 单元，所述数据处理单元包括嵌入式处理器以及分别与嵌入式处理器连接的数据转换单元、数据通信单元、数据存储单元和数据显示单元，所述采样单元包括 力 矩采集单元、 角 度采集单元和功率采集单元，所述力矩采集单元包括转矩 传感器 以及与所述转矩传感器通过无线收发单元连接的 解码器 。本发明利用目前发展成熟的传感器技术、计算机技术、 信号 处理和故障诊断技术，对 隔离开关 机械性能进行检测、分析，能够客观、准确对隔离开关状态进行判断。 | ||||||
| 权利要求 | 1.隔离开关机械负载智能带电测试装置，其特征在于：包括相互连接的采样单元与数据处理单元，所述数据处理单元包括嵌入式处理器以及分别与嵌入式处理器连接的数据转换单元、数据通信单元、数据存储单元和数据显示单元，所述采样单元包括力矩采集单元、角度采集单元和功率采集单元。 |
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| 说明书全文 | 隔离开关机械负载智能带电测试装置及测试方法技术领域背景技术[0002] 高压隔离开关是变电站中使用量最大的高压开关设备，其原理结构简单，但工作可靠性要求高，由于长期累露在户外恶劣大气环境中工作，且在运行过程中普遍存在管理不足、长期失修的现象，隔离开关容易暴露出各种缺陷。高压隔离开关典型故障主要包括导电回路发热、绝缘子断裂、操作失灵、锈蚀等，其中，除导电回路发热外，其他都属于机械故障。 针对隔离开关导电回路过热故障，国内外已经开展了大量研究工作，研制开发了红外测温、触头温度在线测试系统、触指压力检测技术等检测方法以及触头带电磨光装置等维护设备，并提出了触头材料及结构改善方案，但是关于高压隔离开关机械故障诊断技术的研究目前尚不完善，据统计，机械故障约占隔离开关全部故障的70%，严重威胁电网安全运行，因此对其故障原因进行分析并研究其诊断技术具有重要意义。 [0003] 户外隔离开关传动环节直接暴露在大气中经受着日晒雨淋，平时操作次数不多，轴销、轴承等传动部位缺少润滑和相对运动，因此其操作机构发生卡涩的情况较多。高压隔离开关的状态检测手段主要依赖红外、接触电阻、超声进行。 [0004] 超声波检测是目前应用最普遍的支柱瓷绝缘子探伤方法，并已形成行业标准，其原理是通过在绝缘子法兰处发射超声波，接收瓷件内部的反射信号来检测绝缘子表面或内部的裂纹等缺陷。 电力运行管理部门规定在高压隔离开关交接和预防性试验中需对支柱瓷绝缘子进行超声波探伤。然而，超声波检测的有效性与探头与绝缘子曲率的耦合度有关， 同时受到运维人员经验影响，可能存在误判。此外，超声波检测是一种局部损伤检测法， 其检测范围仅局限于绝缘子法兰根部 3 cm左右的区域，且只能在变电站停电时进行，需要登高作业，检测工作量较大。红外热像法是传统的绝缘子在线检测方法，主要通过检测绝缘子局部发热现象确定其缺陷位置，在隔离开关支柱瓷绝缘子的缺陷诊断中也有相关应用。 [0005] 红外热像法是非接触式方法，可以实现在线测试，目前，许多变电站配备了红外热像检测设备。 然而，红外热像法检测缺陷支柱绝缘子的有效性受污秽程度、背景环境、大气条件、拍摄角度、缺陷位置等多种因素的影响；同时，若支柱绝缘子表面釉层及瓷体致密性良好，水分难以渗入瓷体内部，因此，绝缘子内部裂纹缺陷引起的温度变化往往不够明显，容易造成误检或漏检。 从工程应用情况来看，红外热像法仅适合于大范围的初步检测。 [0006] 应力应变检测支柱绝缘子断裂的直接外部原因是受力过大，应力应变检测可以直接测量高压隔离开关分合闸操作过程中的支柱瓷绝缘子应力应变大小。 采用电阻应变片作为敏感元件，将其粘贴于绝缘子瓷柱表面，通过测量线将其接入电桥，并连接至电阻应变仪，利用应变采集与分析软件可实时测量绝缘子瓷柱承受的应力应变大小及变化情况，据此判断绝缘子是否存在异常受力。 此外，也可通过该方法测量隔离开关操作力矩大小。 [0007] 综上所述，惟独机械故障还没有一个有效测试手段。只能依赖产品既有质量和防锈性能，如发生卡涩则为时已晚，所以本发明提出一种针对机械故障的带电测试装置及方法，力图实现对隔离开关机械负载卡涩的变化进行带电检测，及时发现机械故障的隐患。 发明内容[0008] 本发明所要解决的技术问题就是提供隔离开关机械负载智能带电测试装置及测试方法，利用目前发展成熟的传感器技术、计算机技术、信号处理和故障诊断技术，对隔离开关机械性能进行检测、分析，能够客观、准确对隔离开关状态进行判断。 [0009] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：隔离开关机械负载智能带电测试装置，包括相互连接的采样单元与数据处理单元，所述数据处理单元包括嵌入式处理器以及分别与嵌入式处理器连接的数据转换单元、数据通信单元、数据存储单元和数据显示单元，所述采样单元包括力矩采集单元、角度采集单元和功率采集单元。 [0010] 进一步地，所述力矩采集单元包括转矩传感器以及与所述转矩传感器通过无线收发单元连接的解码器。 [0013] 进一步地，所述采样单元与所述数据处理单元均与供源装置连接，所述供源装置包括主电源模块与分布式电源模块。 [0015] 进一步地，所述分布式电源与所述采样单元连接，采用POE供电，以电力数据传输线为供源线路。 [0016] 进一步地，所述数据转换单元包括脉冲信号读取单元、模数转换单元和滤波单元，所述脉冲信号读取单元对所述采样单元的各传感器脉冲信号进行集中读取，所述滤波单元对信号采取系数衰减来进行抗干扰处理。 [0017] 进一步地，所述数据通信单元包括基于TCP/IP协议栈的以太网线路。 [0018] 进一步地，隔离开关机械负载智能带电测试方法，包括下列步骤：1）将力矩采集单元安装在待测操作机构的手柄上，通过转矩传感器及其连接电路将力矩信号转换成数字后通过无线电模块发射，接受模块将数字信号解调后输入I/O接口电路； 2）将角度采集单元安装在机构主轴上，并通过数字角度仪采集主轴的转角信号输入I/O接口电路； 3）将功率采集单元接入待测机构的交流三相电机工作电源端，对电压及电流取样，并对采集到的电流、电压信号进行处理，输出电流、电压及有功功率数字信号送至I/O接口电路； 4）I/O接口电路通过数据转换单元对信号进行处理，并将处理后信号传输至嵌入式处理器，即CPU中，CPU按转角脉冲θ的节奏对力矩信号M进行取样，得到转角θ与力矩M的数字关系，并生成M=F（θ）力矩曲线，同时，CPU按照转角脉冲θ的节奏对功率信号P进行取样，得到转角θ与功率P的数字关系，并生成P=F（θ）功率曲线； 5）CPU将采集到的数据以及生成的关系曲线分别送入数据存储单元进行存储、送入数据显示单元的显示器进行显示，同时通过数据通信单元将数据送入上位计算机中，上位机中包括专家系统分析软件，通过专家系统分析软件可以将实测数据与标准数据比较，与历史数据比较，从而判断出与标准数据和历史数据的差异并推荐解决方案。 [0019] 本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：1．本发明设计了一整套集成式的数据采集单元，运用转矩传感器、角度传感器、功率传感器等，设计数据采集、处理系统，完成对其分合闸输出力距曲线和功率曲线的自动测量、显示、分析、对比，尤其是功率采集装置能收集发送安装在待测电动机构内的功率信号，以数据形式表示出来，传感器的安装不影响设备的原有性能及可靠性，装置能在强电磁场和户外环境中长期可靠工作； 2．本发明的采样单元设定合适的脉冲，并通过数据处理单元对采样信号即时进行分析，通过处理器给出功率、时间、角度等变化量的关系曲线，便于通过研究各种运行状态对关系曲线的影响，如功率变化、转动角度变化等，提出可信的判据或对一些特征值设定合适的阀值，即专家判断； 3．本发明装置的供源单元采用主电源与分布式电源的协同作用，主电源应用感应取能原理，将感应取能技术应用于传感装置中，减少了供源的复杂度和困难度，能够合理利用资源，分布式电源采用的是分布式的POE供电，能在确保现有结构化布线安全的同时，还能保证各传感器的正常运行，最大限度地降低成本。 [0020] 4．本发明能够准确测量隔离开关操作中电机功率（即负载）变化的数据及历史变化趋势；定量判断隔离开关设备状态；指导隔离开关新装、运行、检修工作，作为状态检修的依据，预防电力事故的发生，保证设备运行的安全；装置的应用将能大大减少隔离开关检修工作时间，减轻检修工作人员的劳动强度，从而大幅度提高劳动生产率，增强对隔离开关进行状态评估的科学性。附图说明 [0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：图1为本发明力矩及角度采集流程的测试原理图。 [0022] 图2为本发明功率采集流程的测试原理图。 [0023] 图3为本发明转矩传感器结构示意图。 [0024] 图4为本发明光电传感器结构示意图。 具体实施方式[0025] 如图1、图2所示，隔离开关机械负载智能带电测试装置，能够运用转矩传感器、角度传感器、功率传感器等，设计数据采集、处理系统，完成对其分合闸输出力距曲线和功率曲线的自动测量、显示、分析、对比。装置对采集的电流、电压信号进行处理，输出电流、电压及有功功率数字信号送至CPU；同时接入主轴角度信号、显示器实时显示电流、电压、功率、动作时间、转动角度外还将绘制功率角度曲线，保存测量数据待查询。测试装置包括相互连接的采样单元与数据处理单元，数据处理单元包括嵌入式处理器以及分别与嵌入式处理器连接的数据转换单元、数据通信单元、数据存储单元和数据显示单元，采样单元包括力矩采集单元、角度采集单元和功率采集单元。数据通信单元包括基于TCP/IP协议栈的以太网线路。 [0026] 力矩采集单元包括转矩传感器以及与转矩传感器通过无线收发单元连接的解码器。角度采集单元包括光电传感器，光电传感器包括光电感应器和分度盘组，分度盘由磁铁吸在待测机构输出垂直管上，光电感应器支架由磁铁吸在待测机构安装支架上并对准分度盘齿。发明利用安装在操作机构手柄上的传感器及其电路将力矩信号转换成数字后通过无线电模块发射，接受模块将数字信号解调后输入I/O接口电路。同时装在机构主轴上的数字角度仪也将主轴的脉冲输入I/O接口电路。 [0027] 在实际应用中，扭矩可以选择简单装置的方法把扭矩转化为对力和磁的测量，发明选择电阻应变式传感器，当金属遇到外力时，其电阻值升高，其变化大小可以由虎克定律计算得来，如图3所示，转矩传感器模拟电动机构摇把形状，在对机构进行手动操作时，传感器感受到力矩变化的值将其转换成电信号，并通过无线发射给解码器进行处理。 [0028] 根据现场应用环境，可以选择槽型光电传感器，并配置分度盘确保测量精度，如图4所示， 光电传感器由光电感应器和分度盘组成。分度盘由磁铁吸在机构输出垂直管上，光电感应器支架由磁铁吸在机构安装支架上并对准分度盘齿。 [0029] 功率采集单元连接待测机构的三相电机工作电源端，采集电压、电流信号，并输出电流、电压及有功功率信号，对对应的三相电机工作电源接入装置三相输出端，进行电压、电流采集；采集对应关系的脉冲信号进行电机电流特征信号提取，并进行存储器封装和通信设计，直到完成数据信号采集、数模转换及I/0输出功能。 [0030] 数据处理单元的核心在嵌入式处理器，即CPU单元，数据转换单元包括脉冲信号读取单元、模数转换单元和滤波单元，脉冲信号读取单元对采样单元的各传感器脉冲信号进行集中读取，滤波单元对信号采取系数衰减来进行抗干扰处理。CPU一方面将按转角脉冲θ的节奏对力矩信号M进行取样，从而得到一组转角θ与力矩M数字关系，并生成M=F（θ）曲线。通过上位机的专家系统分析软件将实测数据与标准数据比较，与历史数据比较，从而判断出与标准数据和历史数据的差异并推荐解决方案；另一方面，CPU处理电流、电压及有功功率数字信号，得出机构电机输出功率P与主轴转过的角度θ的关系：P=F（θ），找到故障缺陷时间的图形表现方法，与标准一一对应关系情况的表征数据进行对比，CPU还可以通过其连接的存储、显示等组件，实时显示电流、电压、功率、动作时间、转动角度等，以及绘制功率、角度、力矩曲线，保存测量数据待查询。 [0031] CPU不仅能够设定合适的采样率，对采样信号即时进行分析，通过嵌入式处理器给出功率、时间等变化量的关系曲线；还通过数据通信单元将数据送入上位计算机中，上位机中包括专家系统分析软件，可以依据研究内容，提出可信的判据或对一些特征值设定合适的阀值，即专家判断；同时建立数据平台，记录隔离开关操作中状态量变化的数据及历史变化趋势；建立专家系统，能够根据测量结果判断状态，并给出状态检修策略；通过研究装置硬件设计与移动网或以太网连接方式，对重要故障隐患快速、便捷的利用移动通讯手段发出短信或邮件通知。 [0032] 采样单元与数据处理单元均与供源装置连接，供源装置包括主电源模块与分布式电源模块。主电源模块与数据处理单元连接，包括电场能集能装置、整流器和蓄电池，电场能集能装置包括平板电容器，平板电容器设置于电力设备母线的交变电场中。分布式电源与采样单元连接，采用POE供电，以电力数据传输线为供源线路。 [0033] 主电源包括电场能集能装置、整流器和蓄电池，电场能集能装置包括平板电容器，平板电容器设置于电力设备母线的交变电场中，两端感应出电流电压，将电场能转换为电能，向负载进行供电；供源装置的主电源应用感应取能原理，将感应取能技术应用于传感装置中，主要包括电场能集能装置、整流器和蓄电池，一方面，减少了供源的复杂度和困难度，能够合理利用资源，另一方面，在感应取能的供电单元中加入整流器、蓄电池，其中，整流器包括降压器以及稳压电路，以通过收集环境中产生的高压设备耦合能量，然后将这种能量转换成良好调节的输出，为传感单元及通信单元提供能量；能够有效避免供电线路在电力机柜母线的大电流下，取能单元吸取能量过剩而烧损电源电路，减小电源的发热量，并将多余的吸取能量进行有效储存，并能够避免供电线路电流为小电流或者断电的情况下而导致测试设备的供电不足，保证取能部件能够向测试设备输出稳定电源，保证测试设备持久稳定运行；并且能够防止取能单元饱和，且使取能单元能够发出瞬时大功率，增强取能电源带负载能力以及适应能力。电场能集能装置收集环境中产生的高压线路耦合能量并转换为电能，经整流稳压单元整流稳压后储存在蓄电池中为传感单元供电。 [0034] 蓄电池的充放电主要通过整流器的稳压电路来实现，对于充放电稳压电路的设计，随着电力电子器件的发展，大功率开关器件如绝缘栅双极晶体管 IGBT 的技术及其制造工艺日益成熟，已在变换器、有源电力滤波器、整流器、逆变器、动态电压调节器等方面得到成功的应用。本具体实施时，可采用由 IGBT 组成的电路来产生大功率正弦信号，该信号经升压变压器升压及高压串联谐振电路放大后，电压等级可达高压、超高压、特高压级别。建立了调频式谐振特高压试验电源的数学模型，并在此基础上提出了电压调节自调整比例–积分控制方法和新的 PI锁相自动调频的方法，从而实现整个充放电电路的调压和调频，我们所提的控制方法有利于消除传感装置的稳态误差和提高传感装置的动态性能，易于工程实现，其中，稳压频率控制主要由三相不可控整流电路，H桥逆变电路，输出滤波器，串联谐振电路组成。 [0035] 分布式电源采用POE供电，以电力数据传输线为供源线路。对各个采样单元的节点，采用的是分布式的POE供电，通过电力传输数据并作为供电电源，这样做就能在确保现有结构化布线安全的同时，不仅保证现有网络的正常运作，还能保证各传感器的正常运行，最大限度地降低成本。IEEE 802.3af标准是基于以太网供电系统POE的新标准，它在IEEE 802.3的基础上增加了通过网线直接供电的相关标准，是现有以太网标准的扩展，也是第一个关于电源分配的国际标准。 [0036] 综上所述，本发明不仅研发了一款能够对隔离开关动作过程中电机输入功率(电流、电压)、转动时间的检测装置，建立一套即时分析系统，对测量所得功率、时间等变化量通过坐标系绘制出关系曲线，研究各种因数对关系曲线的影响，如锈蚀、零部件变形、弹簧压力变化等；还通过CPU处理器及上位机的综合处理，建立数据平台，记录隔离开关操作中状态量变化的数据及历史变化趋势，建立专家系统，能够根据测量结果判断状态，并给出状态检修策略，从而能够准确测量隔离开关操作中电机功率（即负载）变化的数据及历史变化趋势；定量判断隔离开关设备状态；指导隔离开关新装、运行、检修工作，作为状态检修的依据，预防电力事故的发生，保证设备运行的安全。 [0037] 本发明首次将传感器技术、计算机技术、信号处理、网络技术和故障诊断技术进行有机结合，实现对隔离开关机械性能的功率进行在线检测、分析，达到了客观、准确对隔离开关机械状态进行判断的目的。当隔离开关安装调试完毕后，对其状态进行检测可以判定其是否存在原始性缺陷。装置的应用将能大大减少隔离开关检修工作时间，减轻检修工作人员的劳动强度，从而大幅度提高劳动生产率，增强对隔离开关进行状态评估的科学性。 |
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