专利名称：高压断路器振动检测系统及检测方法
技术领域：
本发明涉及断路器振动检测技术领域，具体涉及一种高压断路器振动检测系统。
技术背景
根据国家电力行业对电力设备所提出的进行状态检修的要求以及实现智能电网的要求，对电力设备运行状况的实时监测就成了必不可少的工作，国内外很多专家学者都在从事这方面的工作。根据CIGRE与中国电科院的调研结果，机械故障占开关设备故障的近37%，因此对开关设备进行机械故障检测显得极为必要。在国家《高压设备智能化技术导则》中指出高压断路器操动机构机构特性检测包括分合闸线圈电流波形、分合闸时间、行程_时间曲线和振动信号。由于振动信号能够对操动机构各个环节的动作进行实时监测， 因此将振动技术实用化的重要性日益重要。
在高压断路器运行状态的各种在线监测方法中，通过振动技术进行监测来反映开关设备运行状态的方法具有的众多优点。国内外的学者和研究人员也对振动在线监测技术做了许多的研究工作。和其它状态监测方法相比，振动信号监测的优点在于
I)振动信号中包含有丰富的时域和频域信息，可以在整个时间序列和频谱范围内反映高压断路器分合闸过程中机械状态。通过数字信号处理技术，可以提取出大量的状态信息。并且随着数字信号处理技术的不断发展，能够从振动信号中提取出越来越多的代表高压断路器运行状态的特征参量。
2)可以在高压断路器的接地部分进行测量，属于间接测量的一种方法，避免了直接测量方法中存在的高电压隔离以及信号采集困难等方面的问题。
3)振动信号监测方法是非侵入式的测量方法，不改变高压断路器的内部结构，不影响设备的正常运行。
4)振动信号检测方法受外部电磁干扰的影响较小，抗干扰能力强。
5)振动传感器具有尺寸小、重量轻、安装方便、工作可靠等优点，使得振动信号监测方法实现起来比较容易，很适合用于在线检测和户外临时性检测等的场合。
对弹簧机构高压断路器而言，传统的利用安装角位移传感器来测量高压断路器机械状态的方法无法反映动作过程中各操动机构、传动机构的动作特性及对应的时间关系， 无法准确实现机械故障的判断、预测与定位。
目前，国内有部分单位和研究机构也有进行高压断路器振动的研究工作，但是都集中在三相同期性的判断方面，且多适用于中压领域或者离线监测。例如中国专利申请号为200410026262. 1，名称为“基于振动分析的真空高压断路器触头关合时刻的在线检测方法”的专利，利用高压断路器合闸时触头碰撞产生的振动信号来实现触头关合时刻的检测， 该方法适用于中压等级的真空高压断路器，且该发明只检测了振动信号，检测参量较少，不适用于IlOkV及以上电压等级的高压高压断路器。该发明装置需人工进行数据采集存储， 非智能，无法实现自动诊断故障的目标。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目在于提供一种高压断路器振动检测系统，以方便实现对IIOkV及以上电压等级的高压断路器在线监测的目的。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是
一种高压断路器振动检测系统，其特征在于包括安装在高压断路器多个位置上的振动传感器，和振动传感器依次相通信连接的电荷_电压转换模块、低通滤波模块、电位抬高模块、隔离单元模块、单片机以及上位机，和高压断路器相通信连接的断口换位信号检测模块也通过所述隔离单元模块与所述单片机以及上位机依次相通信连接，还包括和高压断路器依次相通信连接的电流互感器、低通滤波模块、触发电路模块，触发电路模块也通过所述隔离单元模块与所述单片机以及上位机依次相通信连接。
所述振动传感器为电荷输出型压电加速度振动传感器，其频率范围为(Tl5kHz。
所述低通滤波模块的截止频率为15kHz。
上述高压断路器振动检测系统的检测方法，包括如下步骤
步骤I :在高压断路器上多个位置安装振动传感器，通过振动传感器采集高压断路器不同位置的分合闸振动信号，此分合闸振动信号为电荷信号；
步骤2 :电荷-电压转换模块将振动传感器输出的电荷信号转换成电压信号并根据需要进行相应的放大；
步骤3 :低通滤波模块将放大后的电压信号中的高频干扰信号滤除，经过滤除后的电压信号经过电位抬高模块将其转换为正电压信号，同时断口换位信号检测模块提取高压断路器分合闸断口信号，电流互感器采集高压断路器分合闸电流信号，然后通过低通滤波模块将分合闸电流信号中的高频干扰信号滤除，经过滤除后的分合闸电流信号通过触发电路模块转换为触发信号；
步骤4:步骤3所述的正电压信号、高压断路器分合闸断口信号以及触发信号通过隔离单元模块进入单片机，最后通过总线的方式与上位机通信，完成整个振动信号的传输过程；
步骤5 :操作者将上位机显示的不同位置的分合闸振动信号的波形进行对比，挑选出最能反映高压断路器分合闸动作过程的波形，从而确定振动传感器最佳安装位置，此最佳安装位置上安装的振动传感器采集的分合闸振动信号作为后续信号处理的数据来源；
所述振动传感器采用磁力座安装方式安装在高压断路器上，所述磁力座磁性>6T。
步骤3所述高频干扰信号是指频率为15kHz以上的干扰信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点
I、本发明诊断系统及诊断方法适用于IlOkV及以上电压等级的高压断路器；
2、由于本发明振动检测系统设置了单片机和上位机，因此能够自动采集分合闸振动信号，实现了智能监测的目标；
3、本发明振动检测系统能够同时检测多路振动信号，并可对辅助断口信息进行提取；
4、电流互感器采集采集高压断路器分合闸电流信号，通过低通滤波模块和触发电路触发模块将分合闸电流信号转换为触发信号，使单片机能够准确及时的采集到分合闸振动信号。


图I为本发明检测系统及振动信号流通框图。
图2电荷-电压转换模块电路原理图。
图3为低通滤波模块电路原理图。
图4为电位抬高模块电路原理图。
图5为隔离单元模块电路原理图。
图6为触发电路模块。
图7为断口信号检测模块电路。
图8为800kV高压断路器中传感器安装位置示意图。
图9为126kV高压断路器中传感器安装位置示意图。
图10是某型号126kV高压断路器采集的振动信号的频谱分析图。
图11是在SOOkV断路器上安装3种磁力座测得振动信号的时域及频域图；其中 图Ila为3T磁力座时域波形图，图Ilb为3T磁力座频域波形图，图Ilc为6T磁力座时域波形图，图Ild为6T磁力座频域波形图，图Ile为18T磁力座时域波形图，图Ilf为18T磁力座频域波形图。
图12为PCB公司装置采集到的触头分闸振动信号图。图13为本发明装置采集到的触头分闸振动信号和断口换位信号图。 图14为PCB公司装置采集到的触头合闸振动信号图。图15为本发明装置采集到的触头合闸振动信号和断口换位信号图。 图16为126kV高压断路器采集的合闸振动信号图。图17为126kV高压断路器采集的分闸振动信号图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
如图I所示，本发明一种高压断路器振动检测系统，包括安装在高压断路器多个位置上的振动传感器，和振动传感器依次相通信连接的电荷_电压转换模块、低通滤波模块、电位抬高模块、隔离单元模块、单片机以及上位机，和高压断路器相通信连接的断口换位信号检测模块也通过所述隔离单元模块与所述单片机以及上位机依次相通信连接，还包括和高压断路器依次相通信连接的电流互感器、低通滤波模块、触发电路模块，触发电路模块也通过所述隔离单元模块与所述单片机以及上位机依次相通信连接。隔离单元模块将前后两部分电路实现电气上的隔离，防止了两部分电路之间的互相干扰，增强了电路本身的抗干扰能力。
优选的，所述振动传感器为电荷输出型压电加速度振动传感器，振动频率为15kHz 以下。
优选的，所述低通滤波模块的截止频率为15kHz。
如图2所示为电荷-电压转换模块电路原理图，反馈电容C7和反馈电容C24均接在AD549的2引脚和6引脚间，通过双向开关SW根据需要来选择接入哪个阻值的反馈电容，反馈电容C7和反馈电容C24选用不同的电容值，以实现对其输出电压范围的调节，反馈电阻R20也接在AD549的2引脚和6引脚间，电容C73和电阻R41并联后，一端接地，另一端和AD549的3引脚相接，在AD549的I引脚和5引脚间接滑动变阻器VR7，AD549的4引脚和7引脚分别与正负12V电源相接。振动传感器输出的电荷信号VIBINl通过该电路后可以变换为需要的电压范围的电压信号VIB0UT11。如图3所示为低通滤波模块电路原理图，电阻R33与电阻R34串联后和0P27的3弓I脚相接，电阻R33与电阻R34之间通过电容C70接地，0P27的3引脚和6弓丨脚通过电容CAl相接，2引脚和6引脚直接连接，4引脚和7引脚分别与正负12V电源相接。电阻R33、电容C70、电阻R34和电容CAl构成了二阶有源低通滤波器，该电路的功能是滤除信号VIB0UT11中的高频干扰信号，得到信号VIB0UT2。如图4所示为电位抬高模块电路原理图，滤波后信号VIB0UT2经电位器VR4与0P27的2引脚相接，0P27的3引脚通过电阻R25接地；2引脚和6引脚间接电阻R23，电位器VRl —端与-12V电源相接，另一端通过电阻R15接地，同时通过电阻R24与0P27的2脚相接；正负12V电源分别与0P27的7引脚与4引脚相接。此模块通过调节VRl实现抬高电位值，通过调节VR4实现放大倍数的调节。信号VIB0UT2经此模块处理后得到VIB0UT3，VIB0UT3信号全部变为正值，方便单片机采集。如图5所不为隔尚单兀模块电路原理图，输入信号VIB0UT3与隔尚芯片IS0124的15引脚相接，隔离前正负12V电源分别与隔离芯片IS0124的I引脚和2引脚相接，隔离芯片IS0124的16引脚与隔离前的电源地相接，隔离芯片IS0124的2引脚和16引脚间接电容C53，l引脚和16引脚间接电容C56，隔离后正负12V分别与隔离芯片IS0124的9引脚和10引脚相接；隔离芯片IS0124的9引脚与隔离后的电源地相接，隔离后的振动信号通过7脚与单片机的AD 口相接，实现振动信号的采样处理。如图6所示为触发电路模块，触发电路模块主要提供单片机触发信号，比较器采用LM339，比较器LM339的6引脚既既与电位器VRlO相接，又通过通过电阻R48与I引脚相接，电流互感器采集的分合闸线圈电流信号经低通滤波后得到信号C0MP1，信号COMPl接在比较器LM339的7引脚；光耦隔离器采用的是TLP521，光耦隔离器TLP521的I引脚和2引脚接隔离前信号，其中I引脚通过电阻R44与LM339的I引脚相接，电阻R44通过电阻R39接隔离前正12V电源相接，2引脚接隔离前电源地，光耦隔离器TLP521的3引脚和4引脚与隔离后信号相接，3引脚通过电阻R58与隔离后电源地相接，且同时与单片机I/O相接，4引脚接隔离后正5V电源。如图7所示为断口信号检测模块电路。接插件Jl的1、2 口接在高压断路器辅助断口的两端，同时2 口与+12V电源相接，I 口通过R19与地相接。光耦隔离芯片U21的I脚与Jl的I 口相接，2脚通过R32与地相接，3脚通过R18与隔离后地相接，同时送到单片机的中断口 DK，4脚与5V电源相接。当高压断路器分闸时，隔离芯片U21不导通，DK电平为“O”;当高压断路器合闸时，光耦导通，DK电平为“I”。通过电平高低变化可判断高压断路器分合闸情况。本发明一种高压断路器振动检测方法，包括如下步骤步骤I :在高压断路器上多个位置安装振动传感器，通过振动传感器采集高压断路器不同位置的分合闸振动信号，此分合闸振动信号为电荷信号；
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步骤2 :电荷-电压转换模块将振动传感器输出的电荷信号转换成电压信号并根据需要进行相应的放大；步骤3 :低通滤波模块将放大后的电压信号中的高频干扰信号滤除，经过滤除后的电压信号经过电位抬高模块将其转换为正电压信号，同时断口换位信号检测模块提取高压断路器分合闸断口信号，电流互感器采集高压断路器分合闸电流信号，然后通过低通滤波模块将分合闸电流信号中的高频干扰信号滤除，经过滤除后的分合闸电流信号通过触发电路模块转换为触发信号；步骤4:步骤3所述的正电压信号、高压断路器分合闸断口信号以及触发信号通过隔离单元模块进入单片机，最后通过总线的方式与上位机通信，完成整个振动信号的传输过程；步骤5 :操作者将上位机显示的不同位置的分合闸振动信号的波形进行对比，挑选出最能反映高压断路器分合闸动作过程的波形，从而确定振动传感器最佳安装位置，此最佳安装位置上安装的振动传感器采集的分合闸振动信号作为后续信号处理的数据来源；优选的，所述振动传感器采用磁力座安装方式安装在高压断路器上，优选的，所述磁力座磁性>6T。步骤3所述高频干扰信号是指频率为15kHz以上的干扰信号。对于安装位置的选择，本发明以SOOkV高压断路器和126kV断路器为例，分别如图8和图9所示，图8中标出了 7个传感器的测试安装位置。通过上述振动检测方法，得到在图示安装位置I的位置采集到的振动信号可以准确的反映高压断路器的合闸时刻，在图示安装位置7的位置采集到的振动信号可以准确的反映高压断路器的分闸时刻。图9中位置2处得到的分闸、合闸振动信号效果最好。由于高压断路器大量采用铁质材料制成，故振动传感器安装方式可考虑采用加装磁力座的方式。从图10和图11可以看出，振动信号的频率范围基本在IOkHz以内，符合磁力座安装方式可有效采集的频率范围。综合上述两点，传感器安装方式选用磁力座安装方式。由于图8和图9两种高压断路器的安装方式都需选择合适的磁力座，图11对3种不同型号(具体参数见表I)的磁力座采集的振动信号进行FFT变换分析。从其频谱中可以看出，3种磁力座测得信号的频率分布在(T5kHz时基本一致，而当频率f > 5kHz时，磁性为3T的磁力座测得的振动信号的部分频带未呈现，而磁性为6T和18T的磁力座可完整的将振动信号的整个频带表现出。考虑到质量及价格因素，本发明推荐使用磁力座磁性>6T。表I磁力座磁性参数
jttai rajcttl f~I I- γγ ITi / I I-, Ji、J mm质量 g Cf吸力 T谐振频率 kHz温度范围III Τ4401 3Lj JL T f Λ/ IΦ\(ν< 57>3.520彡100
权利要求
1.一种高压断路器振动检测系统，其特征在于包括安装在高压断路器多个位置上的振动传感器，和振动传感器依次相通信连接的电荷-电压转换模块、低通滤波模块、电位抬高模块、隔离单元模块、单片机以及上位机，和高压断路器相通信连接的断口换位信号检测模块也通过所述隔离单元模块与所述单片机以及上位机依次相通信连接，还包括和高压断路器依次相通信连接的电流互感器、低通滤波模块、触发电路模块，触发电路模块也通过所述隔离单元模块与所述单片机以及上位机依次相通信连接。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于所述振动传感器为电荷输出型压电加速度振动传感器，其频率范围为(Tl5kHz。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于所述低通滤波模块的截止频率为15kHz。
4.权利要求I所述高压断路器振动检测系统的检测方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I :在高压断路器上多个位置安装振动传感器，通过振动传感器采集高压断路器不同位置的分合闸振动信号，此分合闸振动信号为电荷信号； 步骤2 :电荷-电压转换模块将振动传感器输出的电荷信号转换成电压信号并根据需要进行相应的放大； 步骤3:低通滤波模块将放大后的电压信号中的高频干扰信号滤除，经过滤除后的电压信号经过电位抬高模块将其转换为正电压信号，同时断口换位信号检测模块提取高压断路器分合闸断口信号，电流互感器采集高压断路器分合闸电流信号，然后通过低通滤波模块将分合闸电流信号中的高频干扰信号滤除，经过滤除后的分合闸电流信号通过触发电路模块转换为触发信号； 步骤4 :步骤3所述的正电压信号、高压断路器分合闸断口信号以及触发信号通过隔离单元模块进入单片机，最后通过总线的方式与上位机通信，完成整个振动信号的传输过程; 步骤5:操作者将上位机显示的不同位置的分合闸振动信号的波形进行对比，挑选出最能反映高压断路器分合闸动作过程的波形，从而确定振动传感器最佳安装位置，此最佳安装位置上安装的振动传感器采集的分合闸振动信号作为后续信号处理的数据来源。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述振动传感器采用磁力座安装方式安装在高压断路器上，所述磁力座磁性>6T。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤3所述高频干扰信号是指频率为15kHz以上的干扰信号。
全文摘要
一种高压断路器振动检测系统及检测方法，该系统包括安装在高压断路器多个位置上的振动传感器，和其连接的电荷-电压转换模块、低通滤波模块、电位抬高模块、隔离单元模块、单片机以及上位机，和高压断路器相连的断口信号检测模块也通过隔离单元模块与单片机以及上位机依次相通信连接，还包括和高压断路器依次相连的电流互感器、低通滤波模块、触发电路模块，触发电路模块也通过隔离单元模块与单片机以及上位机依次相连；检测方法在高压断路器上多个位置安装振动传感器采集分合闸振动信号，对其进行处理后，挑选出最能反映高压断路器分合闸动作过程的波形，从而确定振动传感器最佳安装位置；以方便实现对110kV及以上电压等级的高压断路器在线监测的目的。
文档编号G01H11/08GK102928069SQ20121037807
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者王小华, 郭风帅, 贺伟峰, 荣命哲, 刘定新, 刘伸展, 彭在兴, 寇新民, 张一茗, 刘有为, 许渊 申请人:西安交通大学, 河南平高电气股份有限公司, 中国电力科学研究院