技术领域
[0001] 本
发明属于输变电设备状态监测技术领域，涉及一种基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测方法。
背景技术
[0002] 断路器作为10kV配电系统的关键设备之一，正常运行时用来切换运行方式，把设备或线路投入或退出运行；当设备和线路发生故障时，快速
切除、隔离故障，保证非故障用户正常运行。因此，断路器在电
力系统中肩负着保护的任务，其工作可靠性是决定电力系统安全运行的重要因素。断路器机械特性监测包括三相主回路
电流监测、分合闸线圈电流监测和断路器触头行程时间特性监测。其中，断路器触头行程时间特性监测作为机械特性监测中主要的监测内容，可以反映触头运动的整个过程，分析触头行程时间特性曲线，可以得到断路器的行程、开距、超程、分合闸速度和分合闸时间等参量，从而对断路器操动机构的运行状况进行分析和判断，诊断断路器存在的隐患，方便操作人员及时发现故障，降低故障率。
[0003] 目前，国内用于断路器触头行程时间特性测量的传感器种类很多，在实际生产中经常采用
角位移传感器，角位移传感器安装在
主轴凸轮上，用来测量主轴的角位移和时间参数。但是，角位移传感器目前在使用过程中存在一些问题，首先，其需要光电转换将测量的几何位移量转换为脉冲
信号，而脉冲信号不能直观地显示触头行程时间特性，还需要针对脉冲信号设计对应的测量
电路，而在转换过程中，还会存在脉冲计数误差，导致采集的行程曲线偏离实际情况。另外，使用角位移传感器时，需要通过行程曲线得到位移量，但是这个是间接量，存在计算上不准确。其次，由于角位移传感器安装在主轴上，断路器A、B、C三相中任意一个触头动作，都将引起主轴上的角位移传感器工作，因此不能测量断路器分合闸的不同期状况。最后，角位移传感器的价格普遍较高，在使用过程中，将会导致高昂的制造成本。故需要改进
现有技术，在降低成本的情况下，可以直观地、全面地测量触头行程特性，提供准确的触头参数，以便准确地诊断故障，及时检修断路器，降低断路器的故障率，可以提高配网系统可靠运行。因此，本发明将设计基于直线位移传感器的10kV断路器机械特性监测技术。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是现有技术中角位移传感器无法直观全面地测量触头行程特性、成本较高的问题，提供一种新的基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测方法，具有能直观全面地测量触头行程特性、成本较较低、故障诊断率高的优点。
[0005] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测方法，首先，将三个直线位移传感器分别安装于三个绝缘拉杆的下端，记录触头的整个运动过程，将分合闸线圈的引线穿过霍尔电流传感器的测量孔径，而将三相主回路电流直接输入电流传感器，获得电流信号；其次，信号采集电路处理直线位移传感器、三相穿心电流传感器和闭环霍尔电流传感器输出的
电信号量；最后，
微处理器对信号采集电路的输出量进行AD
采样，得到三相主回路电流和分合闸线圈电流，还能根据触头行程时间曲线计算出包括断路器触头的行程、开距、超程、分合闸速度和分合闸时间的参数变量及分合闸的不同期的情况，实现对
开关柜断路器机械特性的实时监测。
[0006] 上述技术方案中，优选地，采用直线位移传感器测量触头行程时间特性，除了得到包括断路器触头的行程、开距、超程、分合闸速度和分合闸时间的参数变量，还能得到断路器分合闸不同期运行情况。
[0007] 上述技术方案中，优选地，10kV断路器机械特性监测中，整体方案设计结构包括主MCU、从MCU、信号采集模
块、光耦隔离、电源转换模块、
人机交互和通信模块，所述主MCU分别与从MCU、信号采集模块、外扩RAM、EEPROM、看
门狗、FLASH、光耦隔离及电源转换模块连接，所述从MCU与人机交互和通信模块连接，所述信号采集模块与传感器模块连接，所述光耦隔离分别与常闭触点和常开触点连接。
[0008] 上述技术方案中，优选地，直线位移传感器相当于滑阻，其两端接直流5V
电压，输出接滑片和直线位移传感器的一端，其
输出电压范围为0-5V；直线位移传感器的安装：动触头上U型槽卡在连接装置的卡槽中，使连接装置与动触头固定在一起；采用以α-氰基
丙烯酸乙酯为主要成分的
粘合剂，先把直线位移传感器的滑片插入连接装置的凹槽中，再用粘合剂将它们粘在一起，使直线位移传感器伴随动触头做直线运动。
[0009] 上述技术方案中，优选地，主MCU处理相关数据，对数据进行运算，得到三相分合闸不同期时间，主MCU监测到线圈电流大于
阈值时，MCU保存此时的时间T0，即为断路器收到合闸指令的时刻，动触头最大瞬时速度等于位移曲线上相邻两点的差值除相邻两点的时间差，主MCU通过位移曲线计算动触头最大速度，而动触头速度最大的时刻就是刚合速度，即动静触头刚
接触时刻T1，单相触头闭合时间等于T1和T0的差值，从而得到三相触头各自的闭合时间，主MCU计算三相触头闭合时间的两两之差，然后取最大的差值作为合闸不同期时间。
[0010] 上述技术方案中，优选地，直线位移传感器输出直流电压信号，直接供采集电路使用，不需要进行光电转换；断路器机械特性的相关参数和装置的运行情况根据变电站国际统一协议标准IEC61850进行数据封装和协议转换，然后利用以太网和GPRS把相关参数上传给远程监控中心，实现与监控中心的实时通信。
[0011] 上述技术方案中，优选地，直线位移传感器安装在动触头上，在凸轮发生机械故障时，仍然能采集触头动作过程。
[0012] 上述技术方案中，优选地，信号采集模块采用光耦HCNR201，针对此光耦设计电路，运放输出电流较小，而光耦HCNR201的发光
二极管IF的范围为1-20mA,为此在光耦前级运放处增加PNP管，基极与运放输出相接，提高光耦HCNR201的
发光二极管的电流IF，保证光耦HCNR201正常工作；IPD2＝K3IPD1，计算时K3＝1，忽略光敏二极管的压降，IPD1＝V1/(R1+R2)，IPD2＝VOUT/(R4+R5)，由IPD1＝IPD2可得VOUT/VIN＝(R4+R5)/(R1+R2)，IPD1的范围为5uA-100uA，根据输入的信号幅值确定R1+R2与R4+R5的值；快速二极管1N4150用于对发光二极管的保护；当光耦前级运放出现故障时，保证发光二极管不受损坏，通过设置R3的值来限流，R3＝[VCC-VF(LED)-VBE(PNP)-VSAT(运放)]/IF。
[0013] 上述技术方案中，优选地，MCU处理断路器机械特性参数的流程如下：MCU完成一次DMA传输后，判断断路器参数是否大于分、合闸的阈值，当大于分、合闸阈值时，说明断路器执行了分、合闸操作，将分、合闸数据存入数组中，关闭DMA；判断断路器的操作类型，如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]小于合闸阈值，即为分闸操作；如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]大于合闸阈值，分闸数组[a+x-a+y]小于分闸阈值，即为分、合闸操作；如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]大于合闸阈值，分闸数组[a+x-a+y]大于分闸阈值，即为分、合、分操作；如果分闸数组[a]小于分闸阈值，合闸数组[e]大于合闸阈值，分闸数组[g-h]小于分闸阈值，即为合闸操作；如果分闸数组[a]小于分闸阈值，合闸数组[e]大于合闸阈值，分闸数组[g-h]大于分闸阈值，即为合、分闸操作；知道断路器操作类型后，针对不同的操作类型，获取对应的数据，且对数据进行运算处理。
[0014] 上述技术方案中，优选地，MCU获取数据流程如下：清除数组中原有的数据，找到大于分、合闸阈值的第一个数据，即令b等于a，从数组[b]开始保存数据，以便获取完整的断路器动作参数；根据触头行程是否大于行程阈值，判断断路器分合闸是否结束，触头行程小于行程阈值时，表明分合闸操作未完成，保存分合闸参数；如果触头行程大于行程阈值时，表明分合闸操作已完成，为了保证触头行程时间曲线的完整性，针对操作后的触头行程赋值，令位移数组[b+1]＝位移数组[b]，且总计需要获取1000个数据点。
[0015] 本发明在三个绝缘拉杆的下端分别安装了三个直线位移传感器，除了得到断路器触头的行程、开距、超程、分合闸速度和分合闸时间等参量外，还能得到断路器分合闸不同期运行情况，能够反映电力系统的非全相运行异常情况，可以提高配网系统可靠运行，能够全面地监测断路器机械特性。另外，直线位移传感器输出直流电压信号，可直接供采集电路使用，而不需要再进行光电转换，简化了信号采集电路，避免计算间接量带来的误差。最后，直线位移传感器的价格比角位移传感器便宜很多，且能代替角位移传感器实现功能，因此，在实际生产中，采用直线位移传感器可以降低生产的成本，取得了较好的技术效果。
附图说明
[0016] 图1是本发明整体方案设计示意图。
[0017] 图2是直线位移传感器工作原理示意图。
[0018] 图3是本发明直线位移传感器安装
位置示意图。
[0019] 图3中，1为连接装置；2为凹槽；3为卡槽；4为直线位移传感器；5为滑片。
[0020] 图4是信号采集电路原理图。
[0022] 图6是本发明获取数据方法流程图。
[0023] 图7是三相合闸不同期时间示意图。
[0024] 图8是基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测的安装示意图。
[0025] 图9是所使用的直线位移传感器和传感器的
支架。
[0026] 图10是处理之后得到的断路器的分合闸线圈电流检测曲线和断路器出头行程的曲线。
[0027] 下面通过
实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
[0028] 【实施例1】
[0029] 本发明的整体方案设计如图1所示，电源转换模块主要是将24V转换为3.3V，为微处理器供电。本发明采用直线位移传感器测量断路器触头的行程，三相穿心电流传感器和闭环霍尔电流传感器分别测量三相主回路电流和分合闸线圈电流，经过信号采集电路采集并处理后，主MCU(控
制芯片)对信号进行AD(
模数转换)采样，根据触头的行程时间特性曲线计算得到断路器触头的行程、开距、超程、分合闸速度和分合闸时间等参量及分合闸不同期的情况。主MCU通过RS232
接口与从MCU数据交互，从MCU主要实现人机交互功能，且利用以太网和GPRS(通用分组无线服务技术)把相关参数上传给远程监控中心，实现与监控中心的实时通信。开入量经光耦隔离后输入主MCU。另外，整体方案设计中还包括看门狗电路、EEPROM(带电可擦写可编程读写
存储器)、外扩RAM(
随机存取存储器)和FLASH(固态存储器)。
[0030] 直线位移传感器工作原理如图2所示，直线位移传感器相当于滑阻，其两端接直流5V电压，输出接滑片和直线位移传感器的一端，其输出电压范围为0-5V。
[0031] 直线位移传感器安装位置如图3所示，动触头上U型槽卡在连接装置1的卡槽3中，使连接装置1与动触头固定在一起。本发明采用了以α-氰基丙烯酸乙酯为主要成分的粘合剂，先把直线位移传感器4的滑片5插入连接装置1的凹槽2中，再用粘合剂将它们粘在一起，使直线位移传感器4伴随动触头做直线运动。在动触头多次动作的情况下，直线位移传感器4的滑片5依然和连接装置1的凹槽2可靠地粘合。
[0032] 信号采集电路原理图如图4所示，信号采集电路对信号量处理后输入主MCU，其中主要是运放和光耦，而光耦采用的是HCNR201。
[0033] MCU处理断路器机械特性参数的流程如图5所示，MCU完成一次DMA传输后，判断断路器参数是否大于分、合闸的阈值，当大于分、合闸阈值时，说明断路器执行了分、合闸操作，将分、合闸数据存入数组中，存放15000个数据，关闭DMA。判断断路器的操作类型，如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]小于合闸阈值，即为分闸操作；如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]大于合闸阈值，分闸数组[a+x-a+y]小于分闸阈值，即为分、合闸操作；如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]大于合闸阈值，分闸数组[a+x-a+y]大于分闸阈值，即为分、合、分操作；如果分闸数组[a]小于分闸阈值，合闸数组[e]大于合闸阈值，分闸数组[g-h]小于分闸阈值，即为合闸操作；如果分闸数组[a]小于分闸阈值，合闸数组[e]大于合闸阈值，分闸数组[g-h]大于分闸阈值，即为合、分闸操作。知道断路器操作类型后，针对不同的操作类型，获取对应的数据，且对数据进行运算处理。
[0034] 主MCU处理相关数据，对数据进行运算，可以得到三相分合闸不同期时间。三相合闸不同期时间如图7所示，主MCU监测到线圈电流大于阈值时，MCU保存此时的时间T0，即为断路器收到合闸指令的时刻。动触头最大瞬时速度等于位移曲线上相邻两点的差值除相邻两点的时间差，主MCU通过位移曲线计算动触头最大速度，而动触头速度最大的时刻就是刚合速度(动静触头刚接触时刻T1)，单相触头闭合时间等于T1和T0的差值。用此方法可以得到三相触头各自的闭合时间，主MCU计算三相触头闭合时间的两两之差，然后取最大的差值作为合闸不同期时间。
[0035] MCU获取数据流程如图6所示，清除数组中原有的数据，找到大于分、合闸阈值的第一个数据，即令b等于a，从数组[b]开始保存数据，以便获取完整的断路器动作参数。根据触头行程是否大于行程阈值，判断断路器分合闸是否结束，触头行程小于行程阈值时，表明分合闸操作未完成，保存分合闸参数；如果触头行程大于行程阈值时，表明分合闸操作已完成，但为了保证触头行程时间曲线的完整性，本发明针对操作后的触头行程赋值，即令位移数组[b+1]＝位移数组[b]，且总计需要获取1000个数据点。
[0036] 本发明具体按照以下步骤实施：
[0037] 步骤1、安装直线位移传感器：
[0038] 本发明根据示意图3，将动触头上U型槽卡在连接装置1的卡槽3中，使连接装置1与动触头固定在一起。本发明采用了以α-氰基丙烯酸乙酯为主要成分的粘合剂，先把直线位移传感器4的滑片5插入连接装置1的凹槽2中，再用粘合剂将它们粘在一起，使直线位移传感器4伴随动触头做直线运动。另外，在动触头多次动作的情况下，直线位移传感器4的滑片5依然和连接装置1的凹槽2可靠地粘合。
[0039] 步骤2、利用传感器采集断路器数据：
[0040] 本发明选用ABB公司的EL25P1霍尔电流传感器。霍尔电流传感器将分合闸线圈电流信号I1变换电流信号I2，I2经匹配
电阻R转换为电压信号，然后经信号调理电路对其处理。断路器的三相主回路的电流较大，不易直接获取。故将三相主回路电流直接输入电流传感器，电流传感器将三相主回路电流变为100mA的电流，电流再经电阻R转换为电压信号，经信号调理电路对其处理。
[0041] 本发明针对触头运动过程，采用的传感器是直线位移传感器，直线位移传感器的功能是将几何位移量转化为电信号量。其实，直线位移传感器相当于一个滑动变阻器，传感器滑轨两端连接稳态直流电压，电流流过传感器的滑轨，滑片和滑轨始端的电压与滑片移动的长度成正比。
[0042] 步骤3、信号采集电路采集传感器输出的电信号量：
[0043] 如图4所示，电路的第一级运放为电压跟随电路，运放的输出电压等于输入电压。电容C3和C4主要是滤波作用，用来滤除光耦传输中的干扰。一般情况下，运放输出电流较小，而光耦HCNR201的发光二极管IF的工作范围为1-20mA,为此可在光耦前级运放处增加PNP管，基极与运放输出相接。电路中快速二极管D1用于对发光二极管的保护。
[0044] 当光耦前级运放出现故障,如输出为正电源电平或负电源电平时，保证发光二极管不受损坏，通过设置R3的值来限流。
[0045] a)R3的取值：
[0046] R3＝[VCC-VF(LED)-VBE(PNP)-VSAT(运放)]/IF (1)
[0047] 其中，VF(LED)典型值为1.4V，VBE(PNP)＝0.6V，VSAT(运放)＝0.2V。
[0048] b)VOUT与VIN的比例关系：
[0049] VOUT/VIN＝(R4+R5)IPD2/(R1+R2)IPD1
[0050] 根据光耦HCNR201的工作原理可知：
[0051] 其中，IPD2＝K3IPD1(K3的值在1附近，计算时将K3＝1)，忽略光敏二极管的压降，IPD1＝V1/(R1+R2)，IPD2＝VOUT/(R4+R5)，由IPD1＝IPD2可得VOUT与VIN的比例关系：
[0052] VOUT/VIN＝(R4+R5)/(R1+R2) (2)
[0053] 由于IPD1范围为IF的0.5％左右，故IPD1的范围为5uA-100uA。根据输入的信号幅值可确定R1+R2与R4+R5的值，如
输入信号为5V，则R1+R2可取在100K附近。最终，将信号采集电路输出的电压输入主MCU中，以便进行AD转换。
[0054] 步骤4、主MCU采集并处理断路器机械特性参数的方法：
[0055] MCU处理断路器机械特性参数的流程如图5所示，MCU完成一次DMA传输后，判断断路器参数是否大于分、合闸的阈值，当大于分、合闸阈值时，说明断路器执行了分、合闸操作，将分、合闸数据存入数组中，存放15000个数据，关闭DMA。判断断路器的操作类型，如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]小于合闸阈值，即为分闸操作；如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]大于合闸阈值，分闸数组[a+x-a+y]小于分闸阈值，即为分、合闸操作；如果分闸数组[a]大于分闸阈值，合闸数组[b-c]大于合闸阈值，分闸数组[a+x-a+y]大于分闸阈值，即为分、合、分操作；如果分闸数组[a]小于分闸阈值，合闸数组[e]大于合闸阈值，分闸数组[g-h]小于分闸阈值，即为合闸操作；如果分闸数组[a]小于分闸阈值，合闸数组[e]大于合闸阈值，分闸数组[g-h]大于分闸阈值，即为合、分闸操作。知道断路器操作类型后，针对不同的操作类型，获取对应的数据，且对数据进行运算处理。
[0056] 主MCU处理相关数据，对数据进行运算，可以得到三相分合闸不同期时间。主MCU监测到线圈电流大于阈值时，MCU保存此时的时间T0，即为断路器收到合闸指令的时刻。动触头最大瞬时速度等于位移曲线上相邻两点的差值除相邻两点的时间差，主MCU通过位移曲线计算动触头最大速度，而动触头速度最大的时刻就是刚合速度(动静触头刚接触时刻T1)，单相触头闭合时间等于T1和T0的差值。用此方法可以得到三相触头各自的闭合时间，主MCU计算三相触头闭合时间的两两之差，然后取最大的差值作为合闸不同期时间。
[0057] 主MCU获取数据的流程如图6所示，清除数组中原有的数据，找到大于分、合闸阈值的第一个数据，即令b等于a，从数组[b]开始保存数据，以便获取完整的断路器动作参数。根据触头行程是否大于行程阈值，判断断路器分合闸是否结束，触头行程小于行程阈值时，表明分合闸操作未完成，保存分合闸参数；如果触头行程大于行程阈值时，表明分合闸操作已完成，但为了保证触头行程时间曲线的完整性，本发明针对操作后的触头行程赋值，即令位移数组[b+1]＝位移数组[b]，且总计需要获取1000个数据点。
[0058] 步骤5、计算断路器机械特性相关参数：
[0059] 合闸线圈最大电流：I＝I(t2)*K1*K2，其中I(t2)为合闸线圈采样值的最大值，K1为互感器的变比，K2为模拟通道的系数。
[0060] 触头行程：动触头的起止位置之差的位移量，S＝S(t4)-S(t1)，其中S(t4)为150ms时位移量，S(t1)为起始时的位移量，t1为触头位移量大于阈值的时刻。
[0061] 开距：开关处在分闸位置时，动、静触头的距离，S＝S(t2)-S(t1)，其中S(t2)为刚合时位移量，t2为触头速度最大值对应的时刻，单位ms，S(t1)为起始时的位移量，t1为触头位移量大于阈值的时刻。
[0062] 速度：V＝S/t，其中V为瞬时速度，单位m/s，S为相邻两点的差值，即位移差，t为0.0001秒。
[0063] 超程：合闸操作时，从刚合位置点到合闸稳
定位置之间的位移量，S＝S(t4)-S(t2)，其中S(t4)为150ms时位移量，S(t2)为刚合(动触头速度最大)时位移量，t2为触头速度最大值对应的时刻。
[0064] 刚合速度：动触头在合闸过程中与静触头刚接触时的速度，V＝触头速度最大值，即t2时刻对应的触头速度。
[0065] 合闸时间：从接到合闸指令起到所有极触头都完全接触的时间间隔。
[0066] 三相分合闸不同期时间：三相(分)合闸时间两两之差，然后取最大的作为(分)合闸不同期时间。断路器三相不同期分合闸不仅损害断路器的触头，还会造成电力系统的非全相运行，严重危害电力系统正常运行。
[0067] 分闸的参数和合闸参数的计算原理一样，因此，断路器的分闸参数就不再一一列举。
[0068] 步骤6、实现人机交互和通信功能：
[0069] 从MCU采用微处理器STM32F103，主要实现人机交互和通信功能。主控板处理并计算断路器机械特性的相关参数，通过RS232接口将相关参数传输至从MCU。一方面，
液晶屏和指示灯可以直观地显示断路器机械特性的相关参数和装置的运行情况；另一方面，断路器机械特性的相关参数和装置的运行情况根据变电站国际统一协议标准IEC61850进行数据封装和协议转换，然后利用以太网和GPRS把相关参数上传给远程监控中心，实现与监控中心的实时通信。
[0070] 本发明是基于三个位移传感器的10kV断路器机械特性监测技术，采用直线位移传感器测量断路器触头的整个运动过程，设计信号采集电路处理直线位移传感器输出的电信号。主MCU进行AD采样和运算后得出相关参数，可以反映断路器的运行情况，全面地监测断路器的运行。另外，装置不仅利用液晶屏和指示灯直观地显示断路器机械特性的相关参数和装置的运行情况，还利用以太网和GPRS把相关参数上传给远程监控中心，实现与监控中心的实时通信。
[0071] 【实施例2】
[0072] 利用本发明的一种基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测方法，对西安工程大学临潼校区的10kV高压开关柜实验平台进行实测，将实测结果反映在人工交互的界面上，其安装示意图如图8所示，图9中展示了所使用的直线位移传感器和传感器的支架。利用图8的安装示意，可将断路器触头的机械运动转化为所安装的直线位移传感器的运动。相应的处理器采集、处理。
[0073] 基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测装置，可将断路器的触头位移等特性转化为电参量并采集、处理，图10中是处理之后得到的断路器的分合闸线圈电流检测曲线和断路器出头行程的曲线，并且根据基于多个位移传感器的10kV断路器机械特性监测方法，计算可得到相关的机械特性参数，将在线测量得到的机械特性参数与断路器厂家手册参数做对比，可轻易分析得到断路器的机械特性运行状态。
