负荷开关电寿命监测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种负荷开关电寿命监测系统及方法，负荷开关电寿命监测系统包括负荷开关和配电终端，负荷开关包括进出线套管、相电流互感器、零序电流互感器、真空灭弧室，静触头、动触头、电压互感器和隔离开关，负荷开关通过航空插头和电缆线与配电终端可靠连接，超行程传感器设置在负荷开关本体内部，且位于静、动触头之间。配电终端内部设置有控制芯片，与负荷开关本体中的相电流互感器、零序电流互感器、超行程传感器、电压互感器相连，并且连接有报警模块。负荷开关内的传感器向配电终端实时传送相应数据，配电终端通过其芯片计算负荷开关剩余电寿命，剩余电寿命为0时将启动报警装置。
【专利说明】负荷开关电寿命监测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种监测系统及方法，尤其涉及一种电寿命监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]负荷开关广泛应用于电缆网络的环网柜内和架空网络的柱上开关上，负荷开关作为配网主干线重要的分界、联络节点，起到对配电网线路的运行监视和对故障线路的快速判断、定位、隔离和恢复供电的作用，在电力系统输配电中得到广泛应用。然而，负荷开关因负荷冲击、关合大电流次数过多或长时间运行于大电流条件下等各种原因很容易达到负荷开关的使用电寿命，使得负荷开关内的静、动触头发热变形、磨损氧化等，若不及时检修或更换开关设备，会导致开关内静、动触头因接触不良，失去负荷开关的作用，甚至拉弧或燃弧时间过长而导致负荷开关发生爆炸、火灾等事故。这将影响整个配电网的运行安全。
[0003]负荷开关在国内外已经有数十几年的发展，负荷开关质量和性能已经非常可靠，负荷开关的固有电寿命即额定短路电流关合次数能达到3?5次。负荷开关在使用过程中如果关合短路电流次数超过了出厂时的额定次数，表明负荷开关静、动触头电磨损已达到其使用极限值。目前，国内所有开关厂家只是根据固有电寿命去粗略判断负荷开关的剩余电寿命，提醒用户及时检修或更换开关设备。然而，负荷开关因各个厂家制作工艺、配件质量和开关实际运行中的不良等原因，电寿命有很大的差别，用固有电寿命去判断负荷开关剩余电寿命是不可靠的。
[0004]例如，在某一次线路发生短路故障后，负荷开关因上级负荷开关未及时切断短路故障而使得负荷开关长时间运行于大电流环境中，负荷开关中的静、动触头因发热、氧化、变形等严重影响负荷开关的使用电寿命，而此时静、动触头的电磨损情况并未计算到负荷开关剩余电寿命之中。
[0005]又例如在某一次线路发生短路故障后，故障还未排除而因误操作对负荷开关进行合闸，负荷开关因机械原因关合短路电流时间过长，使得触头的拉弧、燃弧时间过长，导致负荷开关中的静、动触头因发热、氧化、电磨损、变形等严重影响负荷开关的电寿命，而此时负荷开关剩余寿命递减一次是不可罪的。
[0006]又例如，负荷开关因制作工艺不良等原因在正常合、分闸过程中，超行程严重失真(一般为±2mm)，甚至没有超行程，此时，因静、动触头因无压力并未贴合在一起，引起负荷开关虚接合现象，此时，表面负荷开关弹性电磨损已达到使用寿命，需要对负荷开关进行检修或更换。因此，必须采取一定的手段综合考虑负荷开关的固有电寿命、线路运行电流大小、拉弧或燃弧时间、超行程等相关量去全面监测负荷开关剩余电寿命。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种负荷开关电寿命监测系统及方法。
[0008]为达到上述目的，本发明提供了一种负荷开关电寿命监测系统，包括负荷开关、配电终端、通信模块以及后台主站。[0009]所述负荷开关包括进、出线套管，相序电流互感器，零序电流互感器，真空灭弧室，静、动触头，超行程传感器，电压互感器，隔离开关。
[0010]所述进、出线套管连接线路电源侧和负荷侧，所述超行程传感器设置在负荷开关内部，位于静、动触头之间。
[0011 ] 所述配电终端包括数字信号控制器，所述相序电流互感器、零序电流互感器、超行程传感器、电压互感器通过传输线与所述数字信号控制器的相应管脚相连。
[0012]所述配电终端与所述通信模块通过传输线相互通信。
[0013]所述后台主站是远程智能机终端。
[0014]所述通信模块包括无线GPRS/GSM通信模块和RS232/485通信模块，并与所述后台主站通过无线网络方式或现场总线方式通信。
[0015]所述负荷开关电寿命监测系统还包括报警模块、光耦合器，显示模块等。
[0016]所述配电终端的数字信号控制器与所述报警模块、所述显示模块、所述通信模块、所述配电终端之间分别设置有光耦合器。
[0017]所述报警模块为报警器，所述显示模块为显示屏。
[0018]优选地，所述数字信号控制器可采用型号为STM32f407VG的DSC芯片。
[0019]优选地，所述通信模块可采用H7710系列。
[0020]本发明一种利用负荷开关电寿命监测系统进行负荷开关电寿命测量监控的方法，其特征在于以下步骤:
[0021]步骤一，计算负荷开关电寿命绝对磨损量；
[0022]步骤二，计算负荷开关电寿命相对电磨损量；
[0023]步骤三，计算负荷开关的弹性电磨损量；
[0024]步骤四，计算负荷开关剩余电寿命；
[0025]步骤五，评估负荷开关剩余电寿命，将其发送给相应显示模块或远程监控端；
[0026]步骤六，根据所评估的负荷开关剩余电寿命，相应发起报警或由远程监控端发送回相应控制指令。
[0027]所述负荷开关电寿命绝对磨损量为负荷开关工作时关合短路电流次数，所述负荷开关电寿命相对磨损量包括:电路中电流值超出设定阀值的时间累计转化成的电磨损量，负荷开关分闸时拉弧或燃弧时间累计转化成的电磨损量。所述的负荷开关弹性电磨损量为负荷开关分闸时静、动触头接触瞬间由于惯性再次弹开的距离即弹性电磨损量L与设定距离常数的差。
[0028]本发明一种利用负荷开关电寿命监测系统进行负荷开关电寿命测量监控的方法，包括以下步骤:
[0029]已知负荷开关固有电寿命S，在短路器剩余电寿命计算中，选取以下数据作为判据:
[0030]负荷开关工作时关合短路电流次数n，负荷开关工作时电路中的电流值超过提前设定的阀值的超限时间tl，负荷开关分闸时静、动触头的拉弧或燃弧时间t2 ；
[0031]将超限时间tl和拉弧或燃弧时间t2通过一定算法转换为负荷开关动、静触头磨损程度，以关合短路电流次数记；
[0032]负荷开关剩余电寿命为固有寿命S减去超限时间tl和拉弧或燃弧时间t2转化成的关合短路电流次数；
[0033]当负荷开关剩余电寿命为O次时，数字信号控制器产生报警信号，并发送给报警模块，所述报警模块的报警器启动报警；
[0034]同时，数字信号控制器将数据发送给通信模块；
[0035]通信模块将报警信号通过本地总线或无线网络发送给后台主站。
[0036]另外，负荷开关的剩余电寿命还通过弹性电磨损量L作为判据，其步骤包括:
[0037]所述负荷开关每次合闸、分闸时，静、动触头接触瞬间由于惯性再次弹开的距离为弹性电磨损量L ;使用超行程传感器测得每次开关动作时的弹性电磨损量L，当弹性电磨损量L小于设定阀值时，判定数字信号控制器判断负荷开关剩余电寿命为O次，配电终端产生报警信号，并发送给报警模块，同时将报警信号发送给通信模块，由通信模块发送给后台主站。
[0038]在上述方法中，配电终端既能通过GPRS通信方式与主站之间交换数据，又能通过GSM通信方式把报警信号发送给用户手机，同时具有RS232/RS485本地总线通信接口。
[0039]通过本发明的负荷开关剩余电寿命监测及预警方法，能弥补目前对负荷开关剩余电寿命监测及预警方法上的不足，能够促进负荷开关的智能化水平、提高负荷开关运行的安全性、增加供电的可靠性，最终有助于智能配电网的发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本发明的负荷开关本体结构图；
[0041]图2为本发明的配电终端示意图；
[0042]图3为本发明的负荷开关剩余电寿命监测预警的原理示意图；
[0043]图4为本发明的负荷开关剩余电寿命监测及预警方法、判据示意图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述:
[0045]参考图1所示，本发明实施例的负荷开关剩余电寿命监测预警装置包括:
[0046]负荷开关本体:内充满SF6气体，采取真空灭弧室。
[0047]负荷开关本体包括从左至右依次设置的进线套管1、动触头8、软连接5、真空灭弧室6、静触头7、电流互感器4、出线套管2，所述进线套管I与动触头8之间沿负荷开关内壁设置有电压传感器3，所述软连接5连接在动触头8与隔离开关11之间。进线套管I和出线套管2分别连接负荷开关本体的电源侧和负荷侧，电压互感器3和电流互感器4分别设置在负荷开关内进线套管侧和出线套管侧的电路线上。负荷开关本体还包括超行程传感器
9,其设置在静触头7与动触头8之间。软连接5连接隔尚开关和负荷开关,保证隔尚开关和负荷开关在动作过程中不相互影响；真空灭弧室6内置静、动触头，在真空环境下保证开关动作时可靠灭弧。
[0048]图2为本发明的配电终端示意图。
[0049]配电终端10通过航空插头和电缆线与负荷开关本体电气连接。
[0050]配电终端10内部包括数字信号控制器、定值编码器、光耦合器以及通信模块等，在图中未示出。[0051]配电终端用于实现配电开关的三遥功能,SOE (事件记录),对时功能等。能够实时监测输电线路的电压电流大小、负荷开关在分闸、合闸及故障时的电压电流大小、触头的拉弧、燃弧时间、负荷开关关合短路电流次数统计。同时负责和主站实时通信。
[0052]图3为本发明实施例的负荷开关剩余电寿命监测及预警装置原理图。
[0053]如图所示，负荷开关本体中的电流互感器、超行程传感器以及电压互感器与配电终端10内的数字信号控制器相连。通信模块、报警模块、显示模块分别连接有光耦合器，光耦合器的另一端与数字信号控制器相连。数字信号控制器还与负荷开关本体内的监测动、静触头分合状态的行程开关相连，其之间设置有光耦合器。
[0054]本发明的监测系统工作时，负荷开关本体中的电流互感器、电压互感器以及超行程传感器作为模拟量输入传送给数字信号控制器。配电终端内的定值编码器输入值、开关状态值、已分断电流次数值和储能状态值作为数字量输入传送给数字信号控制器。通信模块通过现场总线与数字信号控制器相连，同时，通过现场总线或无线网络与后台主站进行实时通讯。数字信号控制器的控制量输出信号作用于负荷开关的静、动触头，使之进行分合闸操作。数字信号控制器的报警控制信号、状态显示控制量输出值分别作用于报警模块和显示模块，报警模块采用的报警器可包括蜂鸣报警、声光报警，数据显示模块包括LED状态指不灯、LCD液晶显不屏等。
[0055]实际工作中，中央处理器CPU可采用型号为STM32f407VG的DSC芯片，芯片的内部资源很多，存储容量大，价格便宜，同时ARM芯片有无线通信接口、以太网通信接口，也能产生PWM波，能快速处理和输出模拟量、数字量、控制信号、报警信号等。对控制信号、报警信号输出增加TLP112光I禹隔离,保证输出信号的稳定性和抗干扰性。同时，米用宏电公司的H7710系列通信模块，配电终端既能通过GPRS通信方式与主站之间交换数据，又能通过GSM通信方式把报警信号发送给用户手机，同时具有RS232/RS485当地通信及维护接口。
[0056]图4为本发明实施例的负荷开关剩余电寿命监测及预警方法判据示意图。负荷开关剩余电寿命的判据包括配电终端中的各传感器测得的数据以及负荷开关固有的寿命值。各传感器测得负荷开关内部的实时数据并发送给中央处理器CPU进行比较、计算，处理后的数据将传送给后台主站，由后台主站的监控人员通过数据实时监控，当发生负荷开关电寿命结束报警时，及时派维护人员去现场更换负荷开关、提供用户服务。
[0057]如图所示，具体的计算方法在配电终端的中央处理器CPU中完成，包括以下步骤:
[0058]已知负荷开关固有电寿命即关合短路电流次数为S ；
[0059]在开关运行时，配电终端内的数字信号控制器统计关合短路电流次数η ;
[0060]在开关运行时，配电终端通过电流互感器测量线路电流值，包括A相电流互感器、B相电流互感器、C相电流互感器和零序电流互感器，当电流互感器检测得到的电流值大于设定电流值，配电终端开始统计并累计电流时间tl,当累计电流时间tl达到阀值W时,开关磨损程度Ml增加一次，电流时间tl清零，数字信号控制器将开关磨损程度Ml转换为开关关合短路电流次数，Ml增加到一定值，关合短路电流次数nl增加I次，开关磨损程度Ml清零并重新开始累积；
[0061]开关每次分闸、合闸时，配电终端检测负荷开关从合闸到分闸的电流产生时间t2即静、动触头的拉弧或燃弧时间，数字信号控制器将电流产生时间t2转换为开关电磨损程度M2，当t2达到一定阀值时，M2累积增加I次，t2清零并重新开始累积，数字信号控制器将开关磨损程度M2转换为开关关合短路电流次数，M2增加到一定值，关合短路电流次数n2增加一次，开关磨损程度M2清零并重新开始累积；
[0062]通常负荷开关的固有电寿命为5次；
[0063]数字信号控制器计算负荷开关的剩余电寿命:N=5-n-nl_n2 ；
[0064]当N=O时，开关已用完其电寿命，由配电终端产生报警信号，并发送给报警模块。
[0065]另外，负荷开关的剩余电寿命还通过弹性电磨损量L作为判据，其步骤包括:
[0066]负荷开关每次合闸、分闸时，静、动触头接触瞬间由于惯性再次弹开的距离为弹性电磨损量L ;使用超行程传感器测得每次开关动作时的弹性电磨损量L，当弹性电磨损量L〈0.5mm时，数字信号控制器判断开关已用完其电寿命，配电终端产生报警信号，并发送给报警单元，同时将报警信号发送给后台主站。
[0067]本发明的负荷开关剩余电寿命监测及预警方法，包括将负荷开关电流超限的损坏折合为电寿命以及将弹性电磨损量作为判据两方面对负荷开关寿命进行监测，更加科学、合理，具有双重保险的意义，对用户在电网、大型设施中使用负荷开关提供了可靠的依据，能够避免由负荷开关电寿命预测不当造成的火灾、触电等损失。
[0068]以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种负荷开关电寿命监测系统，包括负荷开关本体、配电终端(10)、通信模块以及后台主站，所述负荷开关本体包括从左至右依次设置的进线套管(I)、动触头(8)、软连接(5)、真空灭弧室(6)、静触头(7)、电流互感器(4)、出线套管(2)，所述进线套管(I)与动触头(8)之间沿负荷开关内壁设置有电压传感器(3)，所述软连接(5)连接在动触头(8)与隔离开关(11)之间，所述进、出线套管(1、2)连接线路电源侧和负荷侧，所述负荷开关通过航空插头和电缆线与所述配电终端(10)可靠连接，其特征在于， 所述配电终端(10)内部设置有数字信号控制器； 所述负荷开关本体内部设置有超行程传感器(9)，且位于静、动触头(7、8)之间；所述配电终端(10)内部的数字信号控制器与所述电流互感器(4)、超行程传感器(9)、电压互感器(3)以及所述通信模块相连。
2.根据权利要求1所述的负荷开关电寿命监测系统，其特征在于， 所述后台主站与所述配电终端(10)相连，并可相互通信； 所述后台主站是远程智能机终端； 所述通信模块包括无线GPRS/GSM通信模块和RS232/485通信模块，其与所述后台主站通过无线网络方式或现场总线方式通信。
3.根据权利要求2所述的负荷开关电寿命监测系统，其特征在于， 还包括光耦合器，报警模块，显示模块； 所述配电终端(10)的数字信号控制器与所述报警、所述显示模块、所述通信模块之间通过光耦合器相连。
4.根据权利要求3所述的负荷开关电寿命监测系统，其特征在于， 所述数字信号控制器可采用型号为STM32f407VG的DSC芯片； 所述光耦合器采用高光速光耦合器TLPl 12 ; 所述通信模块采用宏电公司的H7710系列通信模块； 所述报警模块包括报警器； 所述显示模块包括显示灯或显示屏。
5.—种利用权利要求1-4任一所述负荷开关电寿命监测系统进行负荷开关电寿命测算的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，计算负荷开关电寿命绝对磨损量； 步骤二，计算负荷开关电寿命相对电磨损量； 步骤三，计算负荷开关的弹性电磨损量； 步骤四，计算负荷开关剩余电寿命； 步骤五，评估负荷开关剩余电寿命，将其发送给相应显示模块或远程监控端； 步骤六，根据所评估的负荷开关剩余电寿命，相应发起报警或由远程监控端发送回相应控制指令。
6.一种利用权利要求5所述负荷开关电寿命测算的方法，其特征在于: 所述负荷开关电寿命绝对磨损量为负荷开关工作时关合短路电流次数； 所述负荷开关电寿命相对磨损量包括:线路中电流值超出设定阀值的时间，负荷开关分闸时拉弧或燃弧时间累计转化成的电磨损量； 所述的负荷开关弹性电磨损量(L)为负荷开关分闸时静、动触头接触瞬间由于惯性再次弹开的距离与设定距离常数的差。
7.一种利用权利要求6所述负荷开关电寿命测算的方法，其特征在于包括以下步骤: 已知负荷开关固有电寿命(S)，在负荷开关剩余电寿命计算中，选取以下数据作为判据: 负荷开关工作时关合短路电流次数(n)，负荷开关工作时线路中的电流值超过提前设定阀值的超限时间(tl)，负荷开关分闸时静、动触头(7、8)的拉弧或燃弧时间(t2)； 将超限时间(tl)和拉弧或燃弧时间(t2)通过一定算法转换为负荷开关动、静触头磨损程度，以关合短路电流次数记； 负荷开关剩余电寿命为固有寿命(S)减去超限时间(tl)和拉弧或燃弧时间(t2)转化成的关合短路电流次数； 当负荷开关剩余电寿命为O次时，数字信号控制器产生报警信号，并发送给报警模块，所述报警模块的报警器启动报警； 同时，数字信号控制器将数据发送给通信模块，通信模块将报警信号通过本地总线或无线网络发送给后台主站。
8.根据权利要求7所述的负荷开关电寿命测算方法，其特征在于， 开关每次动作时，所述静、动触头(7、8)接触瞬间由于惯性再次弹开一定距离，使用所述超行程传感器(9)测得每次开关动作时的弹开距离为弹性电磨损量(L)； 所述数字信号控制器读取超行程传感器(9)测得的弹性电磨损量(L)； 弹性电磨损量(L)小于设定阀值时，数字信号控制器产生报警信号，并发送给报警模块； 所述报警模块的报警器启动报警； 同时，数字信号控制器将数据发送给通信模块，通信模块将报警信号通过本地总线或无线网络发送给后台主站。
9.根据权利要求8所述的负荷开关电寿命测算方法，其特征在于以下步骤: 已知所述负荷开关的固有电寿命即为关合短路电流次数(S); 在开关运行时，所述配电终端(10)统计关合短路电流次数(η)； 在开关运行时，所述配电终端通过所述电流互感器测量线路电流值(A)； 当所述电流互感器检测得到的电流值(A)大于设定电流值，所述数字信号控制器开始统计电流超限时间(tl)； 当累计电流时间达到一定值时，开关磨损程度Ml增加一次，电流超限时间(tl)清零；将开关磨损程度Ml转换为负荷开关关合短路电流次数，其增加到一定值，关合短路电流次数n2增加I次，开关磨损程度Ml清零并重新开始累积； 开关每次分闸时，配电终端(10)检测负荷开关从合闸到分闸的电流消失时间即静、动触头的拉弧或燃弧时间(t2); 累积拉弧或燃弧时间(t2)转换为开关电磨损程度M2，其达到一定值时，开关电磨损程度M2累积增加I次，拉弧或燃弧时间(t2)清零并重新开始累积； 将开关磨损程度M2转换为开关关合短路电流次数，其增加到一定值，关合短路电流次数n2增加一次，开关磨损程度M2清零并重新开始累积； 所述配电终端的数字信号控制器计算负荷开关的剩余电寿命:N=S-n-nl-n2 ；当N=O时，开关已用完其电寿命，由配电终端的数字信号控制器发出报警信号，并传送给报警模块； 所述配电终端(10)同时发送报警信号给后台主站。
10.根据权利要求9所述的负荷开关电寿命测算方法，其特征在于， 所述配电终端通过GPRS通信方式与主站之间交换数据； 所述配电终端还通过GSM通信方式把报警信号发送给用户手机，同时具有RS232/RS485本地 通信功能。
【文档编号】G01R31/327GK103675667SQ201310693629
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】杨敦高, 刘玉刚, 曹西征, 李振林 申请人:北京合锐赛尔电力科技有限公司