专利名称：一种带状态在线监测功能的中压真空断路器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，具有对自身工作状
态进行实时在线监测以及故障自诊断功能，属于高压输配电过程中的开关设备技术领域。
背景技术：
断路器是电力系统中最重要的控制器件，也是动作最频繁的设备，其在运行过程 中有较高的故障率，一旦断路器发生故障很容易引起电网事故并造成重大的经济损失。目 前广泛使用的断路器检修方式有定期检修、故障检修。定期检修缺乏针对性，往往会造成人 力和物力极大的浪费，同时由于过度检修还有可能带来新的安全隐患；故障检修不能及早 发现设备的故障和缺陷。上述两种检修方法都存在着不合理性和局限性。 根据国内外权威电力研究部门对真空断路器历年事故的统计和分析，由操作机构 和辅助回路元件引起的事故占70%以上，大部分是由于机械特性不良造成拒分、拒合或误 动作等。因此，如果对包括中压断路器的机械特性在内的一些重要参数进行长期连续的在 线监测，不仅可以提高设备在线的运行状态，而且通过分析各种重要参数的变化，能够判断 是否存在故障的先兆，从而延长设备的维修保养周期，提高设备的利用率，保障电力系统的 安全性，减少维护保养的费用，为电力设备由定期检修向状态检修过渡提供保证。 目前，大量使用的中压真空断路器，其内部电气控制回路十分简单，仅包含分合 闸、储能控制电路和相关辅助开关以及简单的过流脱扣保护。由于自身不具备故障检测功 能，对于断路器内部操作机构机械故障，只能靠定期检修时去排查，且存在的安全隐患，只 能靠经验去判断。即使是现有的监测装置也存在自动化程度低、测量误差较大、技术不成熟 等缺陷，且大都是分立的监测单元，各个参数测量单元与断路器缺乏有机的结合，不能为故 障诊断提供完整有机的判据。在实际使用时，在断路器和测量单元之间连接有大量的控制 与数据线，不仅影响美观，而且影响了系统的可靠性。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种带状态在线监测功能的中压真空断路器。 为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种带状态在线监测功能的
中压真空断路器，包括断路器框架，在断路器框架的背面设有触臂，航空插头连接在断路器
框架上，在断路器框架内设有操作机构、分闸线圈回路、储能线圈回路、合闸线圈回路及操
作电源，其特征在于，在断路器框架内左侧肋板上设有实时监测与诊断系统电路，在分闸线
圈回路、储能线圈回路及合闸线圈回路中套装霍尔传感器，在上述三个回路操作电源整流
输出端分别并联有两个分压电阻，在断路器第二及第四隔室的上方分别设有第一摄像头及
第二摄像头，在断路器框架底板上分别并列垂直安装三个位移传感器，在触臂上贴有温度
传感器，霍尔传感器、分压电阻、第一摄像头、第二摄像头及位移传感器的输出端通过各自
的接口处理电路连接至实时监测与诊断系统电路的输入端，温度传感器的输出端连接温度
信号采集�？榈氖淙攵耍露刃藕挪杉？榈氖涑龆送ü欢晕尴呤辗⒛？榱又潦凳奔嗖庥胝锒舷低车缏返氖淙攵�。 本实用新型与现有技术相比，在现有中压真空断路器原有框架的基础上嵌入安装 实时监测与诊断系统电路、霍尔传感器、第一摄像头、第二摄像头及位移传感器，使之成为 一个有机可靠的整体，既美观又可靠。由于采用了基于DSP的实时监测与诊断系统，能够对 断路器的工作状态进行实时在线监测，具有故障识别功能，当产生故障先兆时，提取的特征 参量变化与预设故障征兆库相吻合时，系统即会发出报警，提醒运行维护人员及时准确地 对设备进行维护，从而大大减少定期检修次数，节约了维护成本以及停电检修所造成的经 济损失，降低了不当或不必要的检修引起故障的可能性，延长了断路器的使用寿命；同时， 还由于发现问题于萌芽状态，可靠避免事故的发生及问题的恶化，保证了电力系统的稳定 性。 本实用新型的优点是大大减少定期检修次数，节约了维护成本以及停电检修所 造成的经济损失，降低了不当或不必要的检修引起故障的可能性，延长了断路器的使用寿 命，可靠避免事故的发生及问题的恶化，保证了电力系统的稳定性。
图1为本实用新型提供的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器的外观侧 视图； 图2为本实用新型提供的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器的内部示 意图； 图3为本实用新型提供的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器的内部框 架示意图； 图4为实时监测与诊断系统的电路框图； 图5A为电流采集部分的电路框图； 图5B为电压采集部分的电路框图； 图6为一次温升监测单元的连接框图； 图7为一次温升监测单元安装绝缘组件的结构示意图； 图8为操作机构右视图； 图9为位移传感器的安装示意图； 图10为位移传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例来具体说明本实用新型。 实施例 如图1所示，为本实用新型提供的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器的 外观侧视图，从外观上看本实用新型提供的断路器与普通中压真空断路器相同，都是在断 路器框架1的背部伸出有触臂2。(此处序号与附图l相反，建议修改附图使之一致！) 如图2及图3所示，为本实用新型提供的一种带状态在线监测功能的中压真空断 路器的内部示意图，本实用新型提供的断路器的大多数部件与普通中压真空断路器是相同 的，在断路器框架1内部也设有操作机构4、分闸线圈回路5、储能线圈回路6、合闸线圈回路7及其操作电源，在断路器框架1上连接有航空插头3，而且断路器框架1从左至右依次 被分为五个隔室，所不同的是，本实用新型在断路器框架1内的左侧肋板上安装有实时监 测与诊断系统电路8，同时取代了普通中压真空断路器原有的控制驱动电路，且具有完全兼 容的连接顺序和等价的功能。本实用新型将ikowa公司生产的IK-VP342S10型第一 CCD摄 像头9装配在断路器第二隔室内，镜头斜向右下侧安装，用于监测分闸脱扣线圈电磁铁的 吸合及主轴传动拐臂转动情况，将第二摄像头装配在断路器第四隔室内，镜头斜向右下侧 安装，用于监测合闸线圈电磁铁吸合情况及储能机构、合闸凸轮等运动情况。同时，在第二 及第四隔室内安装了固定光源12。上述物体的运动图像经过镜头聚焦至摄像头内的CCD芯 片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下， 逐点外移，经滤波、放大、ADC处理后，形成数字视频信号，其像素由RGB转换成HIS颜色模 型，将转换后的信号传给实时监测与诊断系统电路8，实时记录分闸、合闸、储能操作机构运 动过程的图像数据。以弹簧操作机构为例，其故障图像识别的工作过程为从所记录的视 频流中截取视频图像信息，并对图像数据进行预处理，去除干扰、噪声，而后经过图像灰度 化处理，将24位真彩色图像转换成像8位灰度图，再经过平滑处理、图像增强后进行图像分 割，采用区域生长分割法，以获得目标区域特征，并与存储的以大量实验和仿真研究为基础 建立起来的故障资料信息库进行对比，最终判断当前弹簧操作机构运动过程的状态。通过 一系列比照可判断是否出现机构故障，如机构卡涩、分/合闸线圈电磁铁吸合故障、储能不 足等。 分闸线圈回路5及合闸线圈回路7电流波形反映了电磁铁本身及所控制的锁门或 阀门以及连锁触头等在操作过程中的工作情况。分闸线圈及合闸线圈工作期间，每个时间 段对应铁心的不同运动情况，电流波形出现有规律的变化。储能线圈回路6的电流波形反 映了电机本体及弹簧储能机构的工作情况。监测上述三个回路的电流波形对诊断断路器的 隐性故障非常关键。本实用新型采用南京中旭电子科技有限公司生产的DC50EB型霍尔传 感器采集三个回路的电流信号。安装时分别将这三个回路的直流模拟信号穿过各自的霍尔 传感器即可。为了能将采集到的信号输出给实时监测与诊断系统电路8，需要如图5A所示， 在霍尔传感器的输出端与地之间跨接一个阻值为100Q的匹配电阻，将感应出的电流信号 转换成适应DSP合适的电平，再接入滤波放大电路进行滤波及放大调理，而后传给DSP的 ADC内部功能单元。 分闸线圈回路5、储能线圈回路6及合闸线圈回路7的电压信号则反映了回路电源 供给状况，其采集比较简单，在操作电源整流桥电压输出正负两端并接两个电阻，采取分压 的方式采样即可，其具体接线方式如图5B所示，在220V工作电源整流输出端并接电阻Rl 及可调电阻R2，在并接的电阻Rl与可调电阻R2之间接入滤波放大电路，对信号进行调理， 而后将信号输入至DSP模数转换单元。 本实用新型为了准确测量断路器各相触头的行程参数，在操作机构4上安装了位 移传感器ll。位移传感器ll的大致安装位置如图8所示，该图示意的是操作机构4的右 视图，该操作机构4与常规的相同，也包括传动拐臂13，在传动拐臂13的两端分别联结有 传动连板14及绝缘拉杆15，在传动连板14上设有传动组件16，在绝缘拉杆15上设有真 空灭弧室组件17，所不同的是，本实用新型在绝缘拉杆15的下端左侧或右侧安装了由德国 novotechnik公司生产的KL50型改造的位移传感器ll，其具体安装方式如图9所示，将三相位移传感器11并列垂直安装在框架1底板上(示意其中一相)，而在断路器动触头绝缘 拉杆15的端部，用两个对称的"L"型金工件18将其紧紧包住形成"U"状，用插销20贯穿 于两个"L"型金工件18及拉杆15端部的安装孔中，在插销20的两侧分别用挡件21、连接 件19左部包�。韵拗品趾险⒄穸鸩逑�20的移位，在传感器11与绝缘拉杆15之间用 连接件19将两者连接。 如图lO所示，为位移传感器ll的结构示意图，包括滑块22、滑动导轨23、导电塑 料基片24、电刷25及封装壳26。在滑块22左部设有一插槽，在滑块22右部嵌有弹性电刷 25，与置于其右侧槽中的精密导电塑料基片24接触，导电塑料基片24接触面成矩形，在封 装壳26的左侧面开有一矩形槽，在封装壳26内部设有两个对称的半圆型导轨23，滑块22 置于其中可上下自由滑动。通过上述连接件19插入滑块22左部的插槽中，实现绝缘拉杆 15与传感器滑块22的联动。受断路器框架1底部空间的限制，传感器总长度应小于50mm， 断路器实际要求测量的有效行程为20mm，要求测量的精度达到0. 002mm，所开发的专用位 移传感器线性精度高、使用寿命长，完全满足测量的要求。 如图4所示，为实时监测与诊断系统电路的电路框图，包括DSP处理器，采用TI公 司的TMS320F2812型DSP芯片，以完成高速的数据采集和任务处理。为了采集信号，需要采 用各种信号的接口电路，为此DSP主处理单元的输入端分别连接滤波放大调理电路、接口 电路、无线接收模块(采用Nordic VLSI公司生产的nRF905型芯片)及DSP图像处理单元 (采用TI公司的TM320C32芯片)的输出端，DSP主处理单元的输出端通过航空插头3连接 外置的显示单元的输入端，滤波放大电路的输入端连接霍尔传感器及分压电阻的输出端， 接口电路的输入端连接位移传感器11的输出端，DSP图像处理单元的输入端连接第一摄像 头9及第二摄像头10的输出端。 同时，为了调试和初始化整个系统，可以在断路器上设置专用的调试接口，当断路 器制造完成，传感器安装固定完毕后，通过将断路器调试接口适当连接和短接可以自动测 量并保存断路器的出厂初始状态，为计算和分析断路器特性的变化提供原始数据。在DSP 核心系统基础上还可以扩展1个485通信接口及录波系统。录波系统采用64k的EEPROM，通 过软件管理和刷新，可以有效保存系统最近1000条异常记录和30日以上的运行数据(对 于需要保存更长时间的数据，则可通过通信接口上传测量数据，由通用计算机系统负责存 储。断路器系统动作的参数录波功能由断路器监测诊断单元内部负责，可以保存最近100 次动作的详细数据和分析处理结果)。 温度传感器的安装参看图l，将温度传感器贴在触臂2上靠近梅花触头侧，为了能 让DSP采集到温度信号，需要搭建如图6所示的电路，温度传感器的输出端连接温度信号采 集模块的输入端，温度信号采集�？榈氖涑龆送ü尴叻⑺湍？�(采用Nordic VLSI公司 生产的nRF905型芯片)与实时监测与诊断系统电路8上的无线接收�？榕涠�。温度传感 器选用National Semiconductor公司生产的LM35，它将触臂梅花触头处的温度信号转换 成相应的电压信号，输入至作为温度信号采集模块使用的ATMEGA48型单片机内部ADC单元 (10位采集精度)，转换后的数字信号经USART串口传输至基于nRF905的无线发送模块，通 过它将信号发送给与之配对的无线接受模块，并将信号最终传输给DSP主处理单元。本实 施例中的温度信号采集部分的工作电源采用由硅钢片特别制成的悬浮电源，将其套装在断 路器触臂上，供给温度信息采集电路，取电方便又安全可靠。为了将一次温升监测单元信息
6采集发送部分的电路及悬浮电源全部安装于触臂2的绝缘套筒内，特开模制作了如图7所 示的安装绝缘组件，将悬浮电源套于安装套筒左部，并用螺纹环拧固；将单片机电路板插入 安装套筒的上部插槽中，而后用螺钉紧固；将无线收发�？榘膊逵诎沧疤淄驳牟嗝娴牟宀� 中，并用螺钉紧固。在梅花触头及绝缘套筒卸下的情况下，将绝缘组件套于触臂上并用四颗 螺钉夹紧，而后将温度传感器紧贴安装在六个触臂上，靠近梅花触头侧，最后再装上梅花触 头及绝缘套筒。
权利要求一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，包括断路器框架(1)，在断路器框架(1)的背面设有触臂(2)，航空插头(3)连接在断路器框架(1)上，在断路器框架(1)内设有操作机构(4)、分闸线圈回路(5)、储能线圈回路(6)、合闸线圈回路(7)及操作电源，其特征在于，在断路器框架(1)内左侧的肋板上设有实时监测与诊断系统电路(8)，在分闸线圈回路(5)、储能线圈回路(6)及合闸线圈回路(7)中套装霍尔传感器，在上述三个回路操作电源整流输出端分别并联有两个分压电阻，在断路器第二及第四隔室的上方分别设有第一摄像头(9)及第二摄像头(10)，在断路器框架(1)底部适当位置分别并列垂直安装三相位移传感器(11)，在触臂(2)上贴有温度传感器，霍尔传感器、分压电阻、第一摄像头(9)、第二摄像头(10)及位移传感器(11)的输出端通过各自接口处理电路连接至实时监测与诊断系统电路(8)的输入端，温度传感器的输出端连接温度信号采集�？榈氖淙攵耍露刃藕挪杉？榈氖涑龆送ü欢晕尴呤辗⒛？榱邮凳奔嗖庥胝锒舷低车缏�(8)的输入端。
2. 如权利要求1所述的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于，在 所述断路器框架(1)内设有光源(12)。
3. 如权利要求1所述的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于，所 述实时监测与诊断系统电路(8)包括DSP主处理单元，DSP主处理单元的输入端分别连接 滤波放大电路、接口电路、无线接收�？榧癉SP图像处理单元的输出端，DSP主处理单元的 输出端连接外置的显示单元的输入端，滤波放大电路的输入端连接所述霍尔传感器及所述 分压电阻的输出端，接口电路的输入端连接所述位移传感器(11)的输出端，无线接收�？� 的输入端连接所述无线发送�？榈氖涑龆耍珼SP图像处理单元的输入端连接所述第一摄像 头(9)及第二摄像头(10)的输出端。
4. 如权利要求1或3所述的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于， 所述第一摄像头(9)及第二摄像头(10)为CCD摄像头。
5. 如权利要求1所述的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于，所 述操作机构(4)包括传动拐臂(13)，在传动拐臂(13)的两端分别联结有传动连板(14)及 绝缘拉杆(15)，在传动连板(14)上设有传动组件(16)，在绝缘拉杆(15)上设有真空灭弧 室组件(17)，所述位移传感器(11)设于绝缘拉杆(15)的下端的左侧或右侧。
6. 如权利要求1所述的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于，所 述三相位移传感器(11)包括封装壳(26)，在封装壳(26)内设有左部有插槽的滑块(22)， 在滑块(22)右部嵌有弹性电刷(25)，弹性电刷(25)与精密导电塑料基片(24)接触，在滑 块(22)两侧与壳体(26)的接触处设有半圆型导轨(23)。
7. 如权利要求6所述的一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于，在 所述绝缘拉杆(15)的下端包裹有两个对称的"L"型金工件(18)，通过连接件(19)插入位 移传感器滑块(22)左部的插槽中，实现绝缘拉杆(15)与位移传感器(11)的联动。
专利摘要本实用新型涉及一种带状态在线监测功能的中压真空断路器，其特征在于，在断路器框架内左侧肋板上设有实时监测与诊断系统电路，在分闸回路、储能回路及合闸回路中套装霍尔传感器，在操作电源上并联两个分压电阻，在断路器第二及第四隔室上方设有第一及第二摄像头，在操作机构上设有位移传感器，在触臂上贴有温度传感器，霍尔传感器、分压电阻、两个摄像头及位移传感器的输出端通过各自接口电路与实时监测与诊断系统电路连接，温度传感器的输出端连接信号采集�？榈氖淙攵耍藕挪杉？榈氖涑龆送ü欢晕尴呤辗⒛？榱邮凳奔嗖庥胝锒舷低车缏返氖淙攵�。本实用新型的优点是具有故障自诊断功能，可靠避免事故的发生及问题的恶化，保证了电力系统的稳定性。
文档编号G01R31/327GK201465883SQ200920069229
公开日2010年5月12日 申请日期2009年3月23日 优先权日2009年3月23日
发明者侯昉, 唐建中, 姚明, 徐文清, 王乃盾, 诸谧玮, 陈海昆, 陈连灿 申请人:上海南华兰陵电气有限公司;上海市电力公司
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