一种高压开关设备机械状态监测方法及装置与流程

本发明属于高压智能断路器的技术领域，特别涉及一种高压开关设备机械状态监测方法及装置。

背景技术：

断路器在电力系统中扮演着非常重要的角色，对电力系统起着保护作用，在各类断路器中，机械故障一直是影响其供电可靠性的主要问题之一。操作机构方面的事故占有比较高的比例，各国研究人员对高压断路器机械故障的振动诊断倾注了大量精力，取得了一些研究成果，但一直未有突破，还需要不断深入研究。特别是，当前，国家智能电网建设对实用化的智能电器有着迫切的需求，高可靠性、高正判率的高压电器机械故障诊断的研究具有重要的社会意义和经济价值。

目前对高压断路器等的高压开关设备机械状态监测主要包括三个方面：首先是对开关设备操动过程中携带状态信息信号量的监测，主要由电磁铁线圈电流、储能电机电流和位置、辅助开关位置或行程以及操动过程中特定位置处的振动等信号；其次，从各种监测信号中提取表征机械状态或机械状态变化的特征量或特征映射，如行程曲线、线圈电流曲线、振动包络及时频、能量特征等；再次，应用数据逻辑综合方法对开关设备运行状态进行识别，发现故障特征或劣化趋势，根据趋势安排状态维护策略。

如公开号为“cn107179502a”，名称为“一种高压断路器机械状态的故障诊断方法”的中国专利，该专利充分利用断路器分合闸过程的电流样本曲线，迅速、准确地对高压断路器的故障进行识别，但是由于只能监测断路器的分、合闸过程中的信号，而高压开关设备的动作频次通常很低，难以实现断路器状态监测的预判性要求；由于当触头运动到一定位置时，机构克服阻力，对触头的加速能力是固定的，因此有人提出采用行程特性(即时间-位置曲线)或行程曲线中的明显事件点进行监测，通过运动目标偏差值标定设备机械状态，但当阻力变化时(受环境、形变或其它因素影响)，触头运动的速度、位置和加速能力都会受到影响，进而使得高压开关设备动作特性偏离标准要求。但是，这种监测方法难以全面反映设备运行状态，且特征量的指向性并不明确。后来，通过振动信号评估高压开关设备机械状态的方法成为近来研究的热点，但机械振动波在开关设备中传输路径复杂，折、返射严重，信号置信度不高，状态正判率仍有待提高，目前，此类方法仍无法进入实际规模应用，且机构操动过程不受控，现行状态监测只能另外配置传感器测量，增加系统成本，造成了零部件增多，增加了系统故障概率。因此，研究方向倾向于在高压开关设备操动过程中通过驱动转矩变化来监测其机械状态上。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压开关设备机械状态监测方法及装置，用于解决现有技术中高压开关设备机械状态监测结果正判率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高压开关设备机械状态监测方法，包括如下步骤：

1)实时获取高压开关设备驱动转矩特性；

2)将获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性进行匹配比对；

3)若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异未超过设定的范围，则判断为高压开关设备机械状态正常；若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异超过设定的范围，则判断为高压开关设备机械状态异常。

进一步地，所述高压开关设备驱动转矩特性为高压开关设备驱动转矩曲线，所述高压开关设备正常状态的标准转矩特性为高压开关设备正常状态的标准转矩曲线。

进一步地，高压开关设备驱动转矩通过测量得到或通过伺服电机的q轴电流表示。实现了高压开关设备驱动转矩的测量方式的灵活多样性。

为了及时准确的判断高压开关设备的机械状态是否正常，步骤3)中，通过将高压开关设备驱动转矩曲线与高压开关设备正常状态的标准转矩曲线进行对比，得到转矩异常点并计算高压开关设备驱动转矩偏离程度，通过判断所述高压开关设备驱动转矩偏离程度来确定高压开关设备机械状态。

为了降低高压开关设备机械状态的监测条件的要求，对高压开关设备正常状态的标准转矩曲线按照设定的标幺值范围设置正负偏置，得到第一曲线和第二曲线，若高压开关设备驱动转矩曲线落在所述第一曲线与所述第二曲线形成的包络区域内时，则判断高压开关设备驱动转矩正常，进一步判断出高压开关设备机械状态正常；若高压开关设备驱动转矩曲线落在所述第一曲线与所述第二曲线形成的包络区域外时，则判断高压开关设备驱动转矩异常，进一步判断出高压开关设备机械状态异常。

为了提高高压开关设备机械状态的监测效率，对高压开关设备驱动转矩曲线和高压开关设备正常状态的标准转矩曲线进行平滑和/或滤波处理。

进一步地，高压开关设备正常状态的标准转矩曲线通过建模仿真得到。

本发明还提供了一种高压开关设备机械状态监测装置，包括用于驱动高压开关设备产生转矩的转矩驱动装置，所述转矩驱动装置用于与高压开关设备连接，实时获取高压开关设备驱动转矩特性；将获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性进行匹配比对；若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异未超过设定的范围，则判断为高压开关设备机械状态正常；若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异超过设定的范围，则判断为高压开关设备机械状态异常。

进一步地，所述高压开关设备驱动转矩特性为高压开关设备驱动转矩曲线，所述高压开关设备正常状态的标准转矩特性为高压开关设备正常状态的标准转矩曲线。

进一步地，高压开关设备驱动转矩通过测量得到或通过伺服电机的q轴电流表示。实现了高压开关设备驱动转矩的测量方式的灵活多样性。

为了及时准确的判断高压开关设备的机械状态是否正常，在判断高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异是否超过设定的范围时，通过将高压开关设备驱动转矩曲线与高压开关设备正常状态的标准转矩曲线进行对比，得到转矩异常点并计算高压开关设备驱动转矩偏离程度，通过判断所述高压开关设备驱动转矩偏离程度来确定高压开关设备机械状态。

为了降低高压开关设备机械状态的监测条件的要求，对高压开关设备正常状态的标准转矩曲线按照设定的标幺值范围设置正负偏置，得到第一曲线和第二曲线，若高压开关设备驱动转矩曲线落在所述第一曲线与所述第二曲线形成的包络区域内时，则判断高压开关设备驱动转矩正常，进一步判断出高压开关设备机械状态正常；若高压开关设备驱动转矩曲线落在所述第一曲线与所述第二曲线形成的包络区域外时，则判断高压开关设备驱动转矩异常，进一步判断出高压开关设备机械状态异常。

为了提高高压开关设备机械状态的监测效率，对高压开关设备驱动转矩曲线和高压开关设备正常状态的标准转矩曲线进行平滑和/或滤波处理。

进一步地，高压开关设备正常状态的标准转矩曲线通过建模仿真得到。

本发明的有益效果是：

本发明通过获取高压开关设备的转矩特性，能够监测高压开关设备的各种状态参数，实现了对高压开关设备机械状态的整体监测，全面地反映了高压开关设备运动状态的核心要素，符合高压开关设备状态监测的预判性要求，全方位地描述了机械状态及状态参量间的关联关系，提高了高压开关设备机械状态监测结果的正判率，能够检测出高压开关设备的各种可能发生的故障。本发明的方法实现高压开关设备的监测使用的零部件较少，因此结构简单，操作方便，降低了高压开关设备的故障概率。

附图说明

图1为126kv电机驱动高压断路器传动示意图；

图2为高压开关设备驱动转矩行程曲线示意图；

图3为表示高压开关设备正常状态的标准转矩曲线示意图；

图4为表示高压开关设备正常状态的标准转矩曲线包络示意图；

图5为实际q轴电流曲线与包络的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

高压开关设备在使用过程中会经常发生机械故障，由于机械故障一直是影响其供电可靠性的主要问题之一，因此，对高压开关设备机械状态的监测是非常必要的。本发明提出了一种高压开关设备机械状态监测装置，该装置包括用于驱动高压开关设备产生转矩的转矩驱动装置，转矩驱动装置用于与高压开关设备连接，实时获取高压开关设备驱动转矩特性；将获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性进行匹配比对；若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异未超过设定的范围，则判断为高压开关设备机械状态正常；若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异超过设定的范围，则判断为高压开关设备机械状态异常。

如图1所示的一种高压开关设备驱动转矩驱动装置，采用126kv的永磁同步伺服电机7驱动高压开关设备，该转矩驱动装置采用连杆传动机构。驱动转轴与电机转子直接相连或通过一定减速比的减速器相连，其位置固定；水平拐臂6与驱动转轴5刚性齿合，不发生相对转动；绝缘拉杆3的一端通过连板4与水平拐臂6、运动部分相连，绝缘拉杆的另一端与触头弹簧2连接，触头弹簧属于运动部分，运动部分还包括起连接作用的部件，对于运动过程计算来说，可以认为就是动触头，因受到灭弧室1机械结构的限制，其运动轨迹为竖直线，永磁同步电机还连接有控制系统8，由控制系统控制永磁同步电机的状态。当永磁同步电机接收到分闸命令时，其转子连同转轴作逆时针旋转，在水平拐臂、连杆的传动作用下，动触头向下运动，分闸开始。

采用上述高压开关设备机械状态监测装置对高压开关设备机械状态监测的方法的步骤为：

1)实时获取高压开关设备驱动转矩特性；

2)将获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性进行匹配比对；

3)若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异未超过设定的范围，则判断为高压开关设备状态正常；若获取的高压开关设备驱动转矩特性与高压开关设备正常状态的标准转矩特性的差异超过设定的范围，则判断为高压开关设备状态异常。

本实施例中，高压开关设备驱动转矩特性为高压开关设备驱动转矩曲线，高压开关设备正常状态的标准转矩特性为高压开关设备正常状态的标准转矩曲线。

进一步地，高压开关设备驱动转矩通过测量得到或通过伺服电机的q轴电流表示。具体的，压开关设备的驱动转矩可通过驱动转矩直接测量高压开关设备分合闸过程中的转矩变化曲线。但是转矩传感器存在一些缺陷：转矩传感器动态测量范围、精度、跟随速度都有较高的要求，成本较高，难以产业化应用。

驱动转矩可通过伺服系统其它参量来表示，例如，采用永磁同步伺服电机驱动高压开关设备时，通过采样获得伺服电机的驱动电流ia、ib、ic和位置模拟量，进行park和clarke变换得到d轴电流id和q轴电流iq，该值与驱动转矩成正比关系，iq直接反映高压开关设备操动过程中行程曲线上各点的驱动转矩输出情况。d轴电流id和q轴电流iq的表达式为：

变形为：

其中，θ为两相旋转轴系d、q与两相静止轴系α、β(a、b、c等效)之间的夹角，ia、ib、ic分别为伺服电机的a相驱动电流、b相驱动电流、c相驱动电流，id为伺服电机的d轴电流，iq为伺服电机的q轴电流。

当使用表贴式永磁同步电机时，令id等于0，则iq与驱动转矩成正比，iq实时值正比于当前时刻用于驱动负载的转矩实时值。

进一步地，高压开关设备操动机构具有伺服能力，高压开关设备触头(或传动输出部分)按照预先设定的行程曲线运动，运动过程中，当负载阻力矩变化时，驱动力矩通过位置环、速度环和/或电流环闭环调节。实时获取高压开关设备驱动转矩曲线(或表征转矩的物理参量曲线)，并与表征高压开关设备正常状态的标准转矩曲线(或表征转矩需求的物理参量曲线)对比，得到高压开关设备驱动转矩异常点并估算转矩偏离程度，进而评估高压开关设备的机械可靠性和机械寿命，并配置相应的运维策略。其中，高压开关设备驱动转矩行程曲线如图2所示，高压开关设备正常状态的标准转矩曲线如图3所示。

高压开关设备正常状态的标准转矩曲线和高压开关设备驱动转矩驱动曲线可根据需要进行平滑和/或滤波处理，以提升高能量或频繁突变条件下状态评估的鲁棒性。

高压开关设备正常状态的标准转矩曲线可通过对高压开关设备的转矩直接测量得到，也可以通过对表征转矩的其他参量的测量或推导得到，另外，也可以通过建模仿真得到，由于在实际过程中，通过相关手段得到的标准转矩曲线可能也存在误差，因此，以高压开关设备正常状态的标准转矩曲线为基础，按照标幺值0.05-0.5设置正负偏置，如图4所示，选取0.2为标幺值，形成两条新的曲线，分别为第一曲线和第二曲线。如图5所示，当高压开关设备驱动转矩驱动曲线落在第一曲线和第二曲线形成的包络区域内，判断高压开关设备本次操动转矩正常，当高压开关设备驱动转矩驱动曲线落在第一曲线和第二曲线形成的包络区域外时，判断为本次操动转矩异常，从而评估高压开关设备的机械可靠性和机械寿命。

本发明能够监测高压开关设备的分、合闸过程中的信号，而且还能监测高压开关设备的其他状态参数，实现了对高压开关设备的整体监测，全面地反映了高压开关设备运动状态的核心要素，符合高压开关设备状态监测的预判性要求，全方位地描述了机械状态及状态参量间的关联关系，提高了高压开关设备机械状态监测结果的正判率，能够检测出高压开关设备的各种可能发生的故障。本发明的方法实现高压开关设备的监测使用的零部件较少，因此结构简单，操作方便，降低了高压开关设备的故障概率。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。