专利名称：基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电气控制工程中的一种基于无线转矩测量的有载分接开关传动
部分故障诊断系统，属于电力变压器中的有载分接开关故障诊断领域。
背景技术：
电力变压器调压主要是通过改变分接绕组的抽头位置来实现的，分无励磁调压和 有载调压两种形式。变压器中连接和切换变压器分接抽头的装置通常称为分接开关。切换 分接抽头不需将变压器从电网中切除，即带负载切换调压，称为有载调压。有载调压所采用 的分接开关称为有载分接开关。有载分接开关是电力变压器完成有载调压的核心部件。 有载调压变压器在电网中应用不断增多，目前绝大部分110kV及以上的变压器都 安装了有载分接开关。随着对电能质量要求的提高，电力变压器日均调压次数显著增加，调 压次数的增多，有载分接开关发生故障的几率将增加，影响电力系统的安全稳定运行。因 此，开展分接开关运行的状态监测和故障诊断对电力系统安全运行意义重大，并具有良好 的应用前景。 有载分接开关的在线监测和故障诊断技术起步于20世纪90年代，目前仍在发展 中。国内外主要是采用振动传感器测量分接开关操作过程中的振动信号，然后利用一定的 信号处理方法和诊断算法来评估和预测分接开关触点的工作状态。 分接开关中传动部件异常是引起变压器故障的主要因素之一，目前对其研究较 少，有报道采用监测分接开关传动机构转轴转速的方法来分析分接开关传动机构故障，但 传动系统的大多数故障将先引起传动机构转轴转矩变化，转矩变化再引起转速变化。分析 与实验证明，由于传动系统的特殊性，分接开关传动机构故障后(特别是轻微故障)，引起 的转轴转速变化是非常微弱的，监测与分析相当困难。 测量转矩变化比测量转速变化要直接得多，特别是对于分接开关传动机构这种低 速大转矩的传动轴，转矩变化比转速变化明显。但是，传统的测量转矩的方法是将转矩传感 器串接于被测量轴之间，安装很不方便，对于分接开关监测来说是不现实的。有报道采用基 于环形旋转变压器原理的转矩测量，但对同心度的要求很高(《0. lmm)，且对防振要求也 较高，在实际分接开关传动轴的监测中实现相当困难。

发明内容本实用新型要解决的技术问题是针对背景技术里分接开关传动系统的监测和故 障诊断技术存在的缺陷而提出一种基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断 系统。 本实用新型基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其结构包 括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端和由无线接收 电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电，其中转矩传感器连接于有载分接开 关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还与有载分接开关的驱动电机连接，无线发射电路与无线接 收电路通过天线无线连接，无线接收电路的输出端连接计算机。 本实用新型是利用无线转矩传感器监测有载分接开关传动部分的运行状态，根据 转矩的变化情况诊断分接开关传动系统的故障，总体具有如下有益效果1、不需要改变分 接开关的运行方式和结构，不影响系统运行；2、既可以测量静态转矩，也可以测量动态转 矩；3、体积小、重量轻，应用时不需要断开分接开关的传动轴，易于安装使用；4、检测精度 高、稳定性好、抗干扰性强；5、没有导电环等磨损元件，可以长时间运行。

图1是本实用新型的结构示意图。 图2(a)和(b)是本实用新型中转矩传感器的四片电阻应变片的两种安装示意图。 图3是本实用新型中测量电桥的电路示意图。
具体实施方式如图1所示，本实用新型的结构包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、 无线发射电路组成的系统前端和由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电 池供电，其中转矩传感器连接于有载分接开关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串 接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还与有载分接开 关的驱动电机连接，无线发射电路与无线接收电路通过天线无线连接，无线接收电路的输 出端连接计算机。 为了更清楚地说明本实用新型，下面以M型分接开关为例对相关内容进行扩展描 述。( — )系统工作原理 分接开关操作机构的一个重要环节是快速机构的弹簧储能，当储能弹簧性能改变
或储能过程中存在机构卡涩等故障时，必然伴随着传动转轴转矩的变化( 一般都是转矩不
同程度地增大)。对于瞬态卡涩故障，转矩出现瞬态增大波动；对于长期卡涩，转矩将在一
定时间内持续增大。因此，通过在分接开关的垂直传动轴上装设基于应变原理的无线转矩
传感器来监测转矩变化，与正常时转矩进行比较，诊断分接开关传动机构的故障。 本实用新型采用应变式转矩测量方法，在分接开关的垂直传动轴上粘贴电阻应变
片，基本不改变机械系统的结构参数就可以由应变电桥输出的电信号得到相应的转矩大小。 金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体的电阻随着机械变形而发 生变化的现象称为电阻应变效应。
电阻应变式传感器在进行测量时，电阻应变片粘贴于弹性元件上，当弹性元件在
力的作用下发生机械变形时，传感器感应到弹性元件的机械应变e ，并将其转换为电阻的
变化AR/R，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，因此要采用转
换电路把应变片的AR/R变化转换成电压或电流变化。本实用新型采用常用的电桥作为转
换电路，如图3所示，电桥各桥臂的电阻分别为HR3、R4，供电电源电压为E。 由材料力学可知，当传动轴受扭矩作用时，在轴表面上与面垂直中心线成45度和135度的方向上存在最大的拉应力和压应力。因此本实用新型采用固定应变片式转矩传感 器，将四片电阻应变片中的两片分别与垂直传动轴任一侧面的垂直中心线成45度和135度 方向粘贴在该侧的外表面，另外两片电阻应变片与上述两片以该侧面的垂直中心线对称粘 贴，组成全桥电路。向应变电桥任意对角的两端提供工作电源，另外两端则输出反映转矩大 小的电信号。 选用同一型号的应变片，如果在初始状态使电桥I^ = R2 = R3 = R4，电桥处于平衡
状态，电桥两端的开路输出电压为0。当传感器有信号输入时，电阻应变<formula>formula see original document page 5</formula>，K为应变
片的灵敏系数，e为机械应变，电桥的输出电压为
<formula>formula see original document page 5</formula> 为提高测量精度，电桥全部四个桥臂都接入应变片，则称为全桥四臂工作方式，四 个桥臂的电阻变化量分别为A & = -AR2， AR3 = -AR4。电桥输出电压为 U0 = EK e 分接开关需切换时，其垂直传动轴由电机通过减速机构带动旋转。转轴上有转矩
传递，在轴上安装的四片电阻应变片组成的电桥测得与转矩大小成一定关系的电信号，该
信号经信号调理电路放大、转换后传送到单片机处理，并经编码传送给无线发射电路进行
发送，无线接收电路接收到数据后送给计算机，由计算机解码，并通过转矩监测程序对分接
开关的转矩变化情况进行在线监测和诊断。
( 二 )无线转矩传感器的安装 本实用新型将应变电桥的应变片粘贴在有载分接开关的垂直传动轴上，同时将由 信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端及供电电池用绝缘胶带和包扎 线捆绑固定在此传动轴上与传动轴一起旋转，而无线接收电路和计算机则可设置在距离分 接开关不远的其他位置。 分接开关的垂直传动轴截面多为正方形，为提高精度，转矩传感器的四片电阻应 变片的安装如图2(a)和(b)所示(两种方式均可)。当驱动端(传动轴下端)按图示箭头 方向驱动转矩时，应变片R2与应变片R3主要受拉力，电阻增加，应变片&与应变片R4主要 受压力，电阻减小。
(三)监测 分接开关日均动作次数有限(不同场合的变压器动作次数各异，一般在几次到十 几次，与电力系统调压要求有关，特殊场合除外)，一次动作的持续时间很短(数秒钟)。所 以不需要时刻进行监测，仅在分接开关动作期间工作。利用分接开关驱动电机的控制信号 启动监测，当分接开关切换时，则转矩传感器测得反应转矩大小的电信号，该信号经处理后 通过无线发射机发射，再由无线接收机接收后传到计算机进行在线监测。(四)供电 由于本实用新型仅需在变压器分接开关动作时工作，分接开关一天动作次数有 限，一次动作时间最多也就数秒钟，如上海华明电气设备有限公司生产的CMA7型电动机构 约5秒，SHM-1型电动机构约4秒，所以日均工作时间远小于待机时间，因此本实用新型系 统前端采用电池供电，完全可以满足系统长时间工作要求，更换也较方便。[0033](五)诊断 单片机电路利用分接开关驱动电机动作信号在电机启动时启动监测系统采样，将 采样数据经单机片处理、编码后通过无线发送出去，接收电路通过天线接收该信号并传送 给计算机，通过计算机解码、滤波、分析处理后转变成与转矩成正比的信号，并与保存于计 算机中的分接开关正常状态的数据进行比较诊断诊断分为两步，一是比较分接开关在储 能过程中转轴转矩增加的趋势，如果当前分接开关在传动系统储能过程中转矩比正常状态 下的转矩增加速度快，则判断分接开关传动系统故障；二是比较分接开关储能过程中转矩 最大值，在当前最大转矩较计算机中存储的正常状态的最大转矩明显增大时(一般取大于 正常最大值的115% )，则判断分接开关传动系统故障。确诊故障后系统报警并显示转矩变 化曲线及数值。
权利要求一种基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端和由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电，其中转矩传感器连接于有载分接开关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还与有载分接开关的驱动电机连接，无线发射电路与无线接收电路通过天线无线连接，无线接收电路的输出端连接计算机。
2. 根据权利要求1所述的基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于所述系统前端与有载分接开关的垂直传动轴捆绑固定，该系统前端与垂直传动轴一起旋转。
3. 根据权利要求1所述的基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于所述转矩传感器是由四片电阻应变片组成的应变电桥电路。
4. 根据权利要求3所述的基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统，其特征在于所述组成应变电桥电路的四片电阻应变片通过粘贴固定于有载分接开关的垂直传动轴外表面，其中四片电阻应变片中的两片分别与垂直传动轴任一侧面的垂直中心线成45度和135度方向粘贴在该侧的外表面，另外两片电阻应变片与上述两片以该侧面的垂直中心线对称粘贴，组成全桥电路。
专利摘要本实用新型公开了一种基于无线转矩测量的有载分接开关传动部分故障诊断系统，属于电力变压器有载分接开关故障诊断领域。该系统包括由转矩传感器、信号调理电路、单片机电路、无线发射电路组成的系统前端及由无线接收电路、计算机组成的系统后端，系统前端由电池供电并与垂直传动轴捆绑固定，其中转矩传感器连接于有载分接开关的垂直传动轴，转矩传感器的输出端依次串接信号调理电路、单片机电路后连接无线发射电路的输入端，单片机电路还连接驱动电机，无线发射电路与无线接收电路以天线无线连接，无线接收电路的输出端连接计算机，计算机通过分析分接开关垂直传动轴上的转矩变化诊断传动系统故障。本系统检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。
文档编号G01L3/10GK201497630SQ20092023194
公开日2010年6月2日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者姚华阳, 姜宁, 张惠峰, 王春宁, 金基平, 鞠平, 韩敬东, 马宏忠 申请人:河海大学