一种隔离开关机械负载自动测量装置及其检测方法与流程

本发明涉及供电或配电用的开关装置，尤其涉及一种用于检测或反应隔离开关的机械或电气故障的装置及其检测方法。

背景技术：

高压隔离开关是变电站用量最多的设备之一，它的故障率也高居榜首。主要是因为户外隔离开关传动环节直接暴露在大气中经受着日晒雨淋，平时操作频率较低，轴销、轴承等传动部位缺少润滑和相对运动，因此其操作卡涩的情况较多。目前，高压隔离开关的状态检测手段主要依赖红外、接触电阻、超声进行，惟独机械故障还没有一个有效监测手段。隔离开关的机械故障不能早诊断、早处理，往往处于“不坏不知，不坏不修、坏了已晚”的被动局面，导致因隔离开关机械卡涩故障造成“非停”事故的频发。

中国发明专利申请“一种户外高压隔离开关的检测装置及检测方法”(发明专利申请号：201410333992.X公开号：CN104198929A)公开了一种户外高压隔离开关的检测装置及检测方法，检测装置包括用于检测主轴转动力矩的机械特性测量仪、用于检测触指压力的触指压力测量仪、用于检测回路电阻的回路电阻测量仪以及用于对检测结果进行监测的监测单元，机械特性测量仪、触指压力测量仪和回路电阻测量仪与监测单元的输入端口连接。该技术方案的结构原理如图1所示，其中的机械特性测量仪包括安装在传动机构主轴上用于检测主轴转动角度的角度传感器以及安装在操动机构上用于检测主轴转动力矩的主轴力矩检测设备；转角测量采用光电传感器加分度盘的方案，主轴力矩检测则是利用三相功率传感器测量电机输入功率的方法间接获得主轴扭矩的变化。由于光电传感器需要将传感器长期装在主轴上，并在户外的环境中，传感器受灰尘、雨水的影响较大。如果发射管或接收管受到灰尘的污染，将影响光脉冲的产生，甚至无效。为了降低阳光、灰尘的影响，也有采用增量光电编码器替代光电传感器的技术方案。

中国发明专利申请“一种基于拉线式传感器的隔离开关在线监测系统及其方法”(发明专利申请号：201510616575.0公开号：CN105319500A)公开了一种使用拉线式传感器作为角度传感器的隔离开关在线监测系统，包括：电机电流测量模块、机构输出角度测量模块、数据采集前端模块、上位机软件模块，电机电流测量模块用于测量电机的电流；机构输出角度测量模块用于测量隔离开关操动机构的输出角度；数据采集前端模块用于储存接收到的各类数据；上位机软件模块，用于判定接收到的数据是否合格，并根据出现的故障和故障解决的方法建立数据库。该现有技术方案采用拉线式位移传感器测量隔离开关操动机构的输出角度，拉线式位移传感器通过固定于隔离开关操动机构主轴上的凸轮等安装配件实现角度测量。

因长期置于户外环境中，增量光电编码器或拉线式位移传感器本身及其安装配件同样会受到雨水侵袭。由于传感器与主轴(隔离开关操动机构主轴)之间需要有相对运动，防水密封问题也较难解决。除此之外，对于已经运行在高压线路上的大量已有隔离开关来说，上述各现有技术方案中的传感器安装操作并非易事。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够解决上述技术问题的隔离开关机械负载自动测量装置。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种隔离开关机械负载自动测量装置，用于高压隔离开关机械性能的自动检测，包括置于隔离开关操动机构的机构箱内部的现场测量装置，以及连接到现场测量装置的专家诊断系统；所述的现场测量装置采集被检测隔离开关的测量数据并传送给专家诊断系统；其特征在于：

所述的现场测量装置包括用于执行控制运算程序的单片机，安装在操动机构的主轴上的扭矩传感器，以及实现主轴转角无传感器检测的角度生成模块；所述的扭矩传感器连接到单片机的接口电路上；所述的角度生成模块是由单片机执行的软件功能模块，能够根据隔离开关的基础参数计算生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号；单片机根据主轴转角信号确定采样周期，通过扭矩传感器测量主轴扭矩。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的角度生成模块连接到隔离开关的辅助开关触点；隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号，通过辅助开关触点传送到角度生成模块；所述的角度生成模块连接到基础参数设置模块和系统初始化模块，获取隔离开关的基础参数，根据隔离开关的基础参数计算主轴扭矩的采样周期，生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一种更好的技术方案，其特征在于所述的扭矩传感器由粘贴在操动机构的主轴上的4只应变片构成，所述的4只应变片连接成全桥电路，全桥电路的输出信号端连接到运算放大器的差分信号输入端，输出信号经过运算放大器放大并整形后，通过A/D转换接口转变为数字信号传送给单片机。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一种优选的技术方案，其特征在于所述隔离开关的基础参数包括主轴最大转角θm、扭矩采样间隔θs和隔离开关的分合闸时间t0；所述的角度生成模块依据公式t2＝θs*t1＝θs*t0/θm计算采样周期，生成主轴转角信号，式中，t2为采样周期，t1为主轴1每转动1°所需要的时间，t1＝t0/θm。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一种改进的技术方案，其特征在于还包括用于对扭矩传感器进行现场标定的扭矩标定传感器；所述的扭矩标定传感器在执行扭矩标定操作期间临时可拆卸地固定在主轴上，定位在邻近被标定的扭矩传感器的部位；系统初始化模块通过扭矩标定传感器和扭矩传感器同时检测施加在主轴上的扭矩，得到标定扭矩值M0和扭矩采样值M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储在单片机的非易失存储器中。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的另一种改进的技术方案，其特征在于现场测量装置根据角度生成模块确定采样周期，每个采样周期通过扭矩传感器对主轴输出扭矩进行一次采样；单片机依据公式θ＝t/t1＝t*θm/t0将采样时间t转化为主轴转角θ,得到“扭矩-转角”数据，传送给专家诊断系统，由专家诊断系统生成直观展示主轴扭矩随转角变化的“扭矩-转角”曲线。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一种进一步的技术方案，其特征在于还包括测量主轴电机功率的功率传感器；所述的功率传感器通过机构箱内的电机功率信号采集点，连接到从操动机构的三相电机供电线路上；现场测量装置根据角度生成模块确定采样周期，每个采样周期通过功率传感器对电源电压和电流进行一次采样，采样得到的电压和电流取样值通过A/D转换电路传送到功率模块，计算出对应采样时刻的电机功率P；单片机依据公式θ＝t/t1＝t*θm/t0将采样时间t转化为主轴转角θ,得到“功率-转角”数据并传送给专家诊断系统，由专家诊断系统生成直观展示主轴电机功率随转角变化的“功率-转角”曲线。

本发明的另一个目的是提供一种用于上述隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于上述隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法，包括以下步骤：

S100：在隔离开关操动机构的主轴上粘贴应变片，构成用于测量主轴扭矩的扭矩传感器；

S200：角度生成模块接收隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号，启动分闸或合闸动作采样计时；

S300：角度生成模块读取隔离开关的基础参数，计算生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号；

S400：根据主轴转角信号确定采样周期，通过扭矩传感器120采样测量主轴扭矩，记录主轴扭矩采样值和对应的采样时间；

S500：判断隔离开关分闸或合闸操作动程是否完成，若分闸或合闸操作动程结束，停止分闸或合闸动作采样计时，转步骤S600；否则，返回步骤S400；

S600：将采样时间转化为主轴转角,得到“扭矩-转角”数据，打包传送给专家诊断系统。

本发明的用于隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S100还包括以下对隔离开关的基础参数进行测定和配置的操作：

S110：角度生成模块接收隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号；

S120：根据隔离开关的动作方向启动分闸或合闸动作计时，直到隔离开关分闸或合闸操作的整个动程结束，将完成分闸或合闸操作整个动程所用的时间，作为隔离开关的分合闸时间；

S130：将测定得到的隔离开关的分合闸时间，连同现场录入的隔离开关的型号、编号和主轴最大转角，以及根据“扭矩-转角”曲线采样点的密度要求选择的扭矩采样间隔，一并存储到非易失存储器中作为隔离开关的基础参数。

本发明的用于隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S100还包括以下对扭矩传感器进行标定的操作：

S140：在在隔离开关操动机构的主轴上邻近被标定的扭矩传感器的部位安装扭矩标定传感器；

S150：在操动机构的主轴上施加扭矩，通过扭矩标定传感器和扭矩传感器同时检测，得到标定扭矩M0和实测扭矩M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储到非易失存储器中用于主轴扭矩测量值的校正。

本发明的有益效果是：

1、本发明的隔离开关机械负载自动测量装置及其检测方法，采用角度生成模块替代现有技术方案中的角度传感器，通过计算机程序模拟角度传感器的功能输出主轴转角信号，省略了角度传感器这一基本要素；配合贴装在主轴上的应变片构成的扭矩传感器，实现对主轴扭矩的无损检测和隔离开关机械性能的自动监测。

2、本发明的隔离开关机械负载自动测量装置及其检测方法，通过软件模拟实现隔离开关主轴转角的无传感器检测，解决了长期置于户外的角度传感器易受污染和干扰、可靠性不高的技术问题；隔离开关只要有分闸或合闸操作，就有数据反馈，从而能够客观、准确、及时地对隔离开关运行状态进行掌控；通过专家诊断系统极早发现故障隐患，可以更好地保证供电系统的安全运行。

附图说明

图1是现有户外高压隔离开关检测装置的系统原理图；

图2是本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的结构框图；

图3是角度生成模块的检测原理框图；

图4是本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的总体布置图；

图5是连接为全桥模式的扭矩传感器的电原理图；

图6是现有户外高压隔离开关检测装置之三相功率传感器的结构示意图。

图中各部件的附图标记为：1-主轴(即，隔离开关操动机构的输出轴，简称为主轴)，2-机构箱，21-电机功率信号采集点，100-现场测量装置，110-单片机，111-基础参数设置模块，112-系统初始化模块，120-扭矩传感器，130-角度生成模块，131-辅助开关触点，140-功率传感器，150-扭矩标定传感器，160-可移动外部存储器，170-无线数据传输模块，200-专家诊断系统。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

根据图1所示的发明专利申请201410333992.X所公开的户外高压隔离开关检测装置，隔离开关检测装置由现场测量装置100与专家诊断系统200两部分组成；现场测量装置100同步对隔离开关动作过程中主轴负载扭矩、电机输入功率和转动角度进行测量，采集和保存被检测隔离开关的测量数据并传送给专家诊断系统200；所述的测量数据包括“扭矩-转角”或“功率-转角”数据；专家诊断系统200.根据被测设备的型号建立分析系统，将测量数据通过坐标系绘制生成展示主轴扭矩变化的关系曲线，包括“扭矩-转角”和“功率-转角”曲线，并且保存到数据库中形成被检测隔离开关的历史曲线；所述的专家诊断系统200通过将关系曲线与历史曲线比较，考虑弹簧疲软、腐蚀、润滑失效、原件变形等各种因素对关系曲线的影响，判断被检测隔离开关的主轴扭矩增加的趋势及增加部位，并给出对应的检修策略。

该现有技术方案利用固定在机构支架上的光电传感器测量主轴转角，当主轴旋转时，在隔离开关操动机构主轴上固定的分度盘随之旋转，分度盘上的齿在光电传感器的发射管与接收管之间转动，接收管被遮光与透光若干次，形成若干个与主轴转角对应的角度计数脉冲。但是，由于装在主轴上的光电传感器长期置于户外的环境中，存在受灰尘和雨水的影响而失效的致命缺陷。本发明的隔离开关机械负载自动测量装置针对这一技术问题进行改进，采用角度生成模块替代现有的角度传感器，通过计算机程序模拟角度传感器的功能输出主轴转角信号，省略了现有技术方案中的角度传感器这一基本要素，实现主轴转角的无传感器检测。

图2和图4是本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一个实施例，用于高压隔离开关机械性能的自动检测，包括置于隔离开关操动机构的机构箱2内部的现场测量装置100，以及连接到现场测量装置100的专家诊断系统200；所述的现场测量装置100采集被检测隔离开关的测量数据并传送给专家诊断系统200；如图2和图4所示，所述的现场测量装置100包括用于执行控制运算程序的单片机110，安装在操动机构的主轴1上的扭矩传感器120，以及实现主轴转角无传感器检测的角度生成模块130；所述的扭矩传感器120连接到单片机110的接口电路上；所述的角度生成模块130是由单片机110执行的软件功能模块，能够根据隔离开关的基础参数计算生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号；单片机110根据主轴转角信号确定采样周期，通过扭矩传感器120测量主轴扭矩。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的角度生成模块的一个实施例如图3所示，所述的角度生成模块130连接到隔离开关的辅助开关触点131；隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号，通过辅助开关触点131传送到角度生成模块130；所述的角度生成模块130连接到基础参数设置模块111和系统初始化模块112，获取隔离开关的基础参数，根据隔离开关的基础参数计算主轴扭矩的采样周期，生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号。

测量主轴扭矩目前有两种方案，方案一是把输出轴断开，将扭力传感器直接串接在主轴操作回路里，但对于已安装或已运行的隔离开关而言，断开操作管接入传感器不仅破坏了操作管，而且隔离开关需要重新调试来恢复原始状态，该方案显然是费料费时不便于现场测量。方案二是在主轴上贴应变片，然后在不拆卸原有传动轴系的情况下对应变传感器进行现场标定。

本发明的隔离开关机械负载自动测量装置是对主轴扭矩进行自动测量，扭矩传感器需要长期固定在主轴上，不需要经常拆卸。因此，采用用粘贴应变片的方案二是可行的。应变片用专用胶粘贴在主轴上，当主轴驱动负载转动时，负载阻力使主轴发生微量弹性变形，应变片上电阻丝的电阻值随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化，检测电阻的变化值就能方便地测量施加在主轴上的扭矩。本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的扭矩传感器的一个实施例如图5所示，所述的扭矩传感器120由粘贴在操动机构的主轴1上的4只应变片R1至R4构成，所述的4只应变片连接成全桥电路，全桥电路的输出信号端连接到运算放大器的差分信号输入端，输出信号经过运算放大器放大并整形后，通过A/D转换接口转变为数字信号传送给单片机110。

根据本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的角度生成模块的一个实施例，所述隔离开关的基础参数包括主轴最大转角θm、扭矩采样间隔θs和隔离开关的分合闸时间t0；所述的角度生成模块130依据公式t2＝θs*t1＝θs*t0/θm计算采样周期，生成主轴转角信号，式中，t2为采样周期，t1为主轴1每转动1°所需要的时间，t1＝t0/θm。主轴最大转角θm是由操动机构的结构确定的常数，其值为隔离开关分闸或合闸操作整个动程中主轴1所转动的角度；扭矩采样间隔θs是根据“扭矩-转角”曲线采样点密度确定的常数，其值为相邻两次扭矩采样之间主轴1所转动的角度；主轴最大转角θm和扭矩采样间隔θs通过基础参数设置模块111录入并存储在单片机110的非易失存储器中；分合闸时间t0是隔离开关完成一次分闸或合闸操作所需要的时间；在被检测隔离开关投入使用之前，系统初始化模块112测定分合闸时间t0并存储在单片机110的非易失存储器中。

对于同一型号的隔离开关，主轴1的最大转角θm和分合闸时间t0基本为常数。如果以分闸或合闸时间t为坐标X轴，以主轴扭矩M为Y轴，绘制主轴扭矩M随采样时间t变化的M(t)曲线，也能反应隔离开关负载的变化情况。由于M(t)曲线不能直接反应隔离开关主轴扭矩M随主轴转角θ变化的关系，为了直观的反映负载变化的部位，在本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的一个实施例中，现场测量装置100根据角度生成模块130确定采样周期，每个采样周期通过扭矩传感器120对主轴输出扭矩进行一次采样；单片机110依据公式θ＝t/t1＝t*θm/t0将采样时间t转化为主轴转角θ,得到“扭矩-转角”数据，传送给专家诊断系统200，由专家诊断系统200生成直观展示主轴扭矩随转角变化的“扭矩-转角”曲线(M-θ曲线)。

考虑绘制曲线点不能太密，采样周期不能太高，在本实施例中，扭矩采样间隔θs设定为2°，即主轴1每转动2°采样一次主轴输出扭矩，主轴1每转动1°所需要的时间t1＝t0/θm，采样周期t2＝θs*t1＝2*t1＝2*t0/θm＝t0/90。最大转角θm为180°时，对应于扭矩传感器120输出端的90个扭矩值。

根据图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括测量主轴电机功率的功率传感器140；所述的功率传感器140通过机构箱2内的电机功率信号采集点21，连接到从操动机构的三相电机供电线路上；现场测量装置100根据角度生成模块130确定采样周期，每个采样周期通过功率传感器140对电源电压和电流进行一次采样，采样得到的电压和电流取样值通过A/D转换电路传送到功率模块，计算出对应采样时刻的电机功率P(参见图6)；单片机110依据公式θ＝t/t1＝t*θm/t0将采样时间t转化为主轴转角θ,得到“功率-转角”数据并传送给专家诊断系统200，由专家诊断系统200生成直观展示主轴电机功率随转角变化的“功率-转角”曲线(P-θ曲线)。

根据图2和图4所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括用于对扭矩传感器120进行现场标定的扭矩标定传感器150；所述的扭矩标定传感器150在执行扭矩标定操作期间临时可拆卸地固定在主轴1上，定位在邻近被标定的扭矩传感器120的部位；系统初始化模块112通过扭矩标定传感器150和扭矩传感器120同时检测施加在主轴1上的扭矩，得到扭矩标定传感器150输出的标定扭矩值M0和扭矩传感器120输出的扭矩采样值M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储在单片机110的非易失存储器中；在实际检测过程中，现场测量装置100将通过扭矩传感器120检测得到的采样值乘以扭矩校正系数a，得到准确的主轴扭矩M。扭矩标定传感器150不属于现场测量装置100的必要部件，仅用于扭矩传感器120的标定操作，在图4所示的实施例中采用虚线表示。

在图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例中，单片机110通过数据线连接到专家诊断系统的移动终端(图2中的虚线框)；所述的的移动终端为笔记本电脑或手持式终端设备，用于被测试隔离开关基础参数的现场录入(例如，隔离开关的型号、编号，主轴最大转角θm和扭矩采样间隔θs等)，并且为隔离开关的分合闸时间t0测定和扭矩传感器的扭矩校正系数a的标定提供操作控制界面。

根据图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括可移动外部存储器160，当隔离开关分闸或合闸结束后，能够将检测得到的现场测量数据保存到可移动外部存储器160中，所述的可移动外部存储器160可以是U盘或SD卡。

根据图2所示的本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的实施例，还包括无线数据传输模块170，当隔离开关分闸或合闸结束后，能够将检测得到的现场测量数据通过无线数据传输模块170打包发送到无线网络。

用于本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一个实施例，包括以下步骤：

S100：在隔离开关操动机构的主轴上粘贴应变片，构成用于测量主轴扭矩的扭矩传感器；

S200：角度生成模块接收隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号，启动分闸或合闸动作计时；

S300：角度生成模块读取隔离开关的基础参数，计算生成模拟角度计数脉冲的主轴转角信号；

S400：根据主轴转角信号确定采样周期，通过扭矩传感器120采样测量主轴扭矩，记录主轴扭矩采样值和对应的采样时间；

S500：判断隔离开关分闸或合闸操作动程是否完成，若分闸或合闸操作动程结束，转步骤S600；否则，返回步骤S400；

S600：将采样时间转化为主轴转角,得到“扭矩-转角”数据，打包传送给专家诊断系统。

根据本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一个实施例，所述的步骤S100还包括以下对隔离开关的基础参数进行测定和配置的操作：

S110：角度生成模块接收隔离开关操动机构的分闸或合闸动作信号；

S120：根据隔离开关的动作方向启动分闸或合闸动作计时，直到隔离开关分闸或合闸操作的整个动程结束，将完成分闸或合闸操作整个动程所用的时间，作为隔离开关的分合闸时间；

S130：将测定得到的隔离开关的分合闸时间，连同现场录入的隔离开关的型号、编号和主轴最大转角，以及根据“扭矩-转角”曲线采样点的密度要求选择的扭矩采样间隔，一并存储到非易失存储器中作为隔离开关的基础参数。

根据本发明的隔离开关机械负载自动测量装置的检测方法的一个实施例，所述的步骤S100还包括以下对扭矩传感器进行标定的操作：

S140：在在隔离开关操动机构的主轴上邻近被标定的扭矩传感器的部位安装扭矩标定传感器；

S150：在操动机构的主轴上施加扭矩，通过扭矩标定传感器和扭矩传感器同时检测，得到标定扭矩M0和实测扭矩M1，根据公式a＝M0/M1计算得到扭矩校正系数a，存储到非易失存储器中用于主轴扭矩测量值的校正。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。