一种高压断路器机械特性监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种高压断路器机械特性监测系统，属于电气设备测试技术领域。

背景技术：

随着电力系统运行电压等级不断提高，作为主要的保护、控制元件的高压断路器容量和数量也不断增加，判别其动作的可靠性非常重要。高压断路器的分合闸操作是由操动机构控制各部件依次顺序运动完成，决定其是否能够成功地断开与关合线路，操动机构无疑是最为关键的部分。操动机构可分为液压碟簧操动机构、全液压操动机构、气动弹簧操动机构、弹簧操动机构、电磁操动机构和电机操动机构等。操动机构动作过程需要各部件间的紧密配合，部件的变形、偏移都影响高压断路器的操动性能，甚至无法实现分合闸，由此引发的重大事故屡见不鲜。所以，高压断路器操动机构的可靠性一直以来都是国内外研究的焦点。

目前，对操动机构正常和异常状态的判别主要依靠高压断路器机械特性测试仪，集中在合闸与分闸操作过程中，检测主要机械特性参数是否满足要求。机械参数主要包括合闸与分闸时间、合闸与分闸速度、合闸与分闸同期性、总行程和开距及断开弹跳次数和时间等参数。已有的高压开关特性测试仪常用滑线电阻器或光电传感器(分光栅和光电编码器两种)，这几种都由运动和静止两部分组成。测速时，分别安装于开关的运动部件(动触头或提升杆)和静止部件(将军帽座或开关基座)上，由仪器采样运动部件和运动部件的相对运动过程。特别是针对不同的高压断路器需要配备不同的安装支架，不仅要求运动部件和静止部件配合要好，保持传感器的拉杆与开关动触头的运动平行和同步才很精确地测出机械特性参数，而且现场的安装和拆卸都很困难，尤其是不能在断路器带电运行情况下安装。除此之外，现有的高压断路器机械特性测试仪只能给出机械特性参数是否在合格的范围内，不具备断路器状态评估能力。因此，现代电力系统飞速发展对高压断路器机械特性测试装置提出新的挑战，研发可以在断路器运行状态下，监测断路器机械特性的装置具有重要现实意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是实现在断路器正常分合闸操作过程中进行机械特性参数测试，提供一种高压断路器机械特性监测系统。本实用新型能够通过图像传感器捕捉分合闸过程中运动部件位移或主轴转动过程图像，同步采集振动信号、分合闸线圈电流和声音信号为辅，利用图像测量技术和信号分析方法，计算断路器的机械特性参数和辨识断路器工作状态。若运行中高压断路器工作参数不正常时，则由智能工控监测仪将工作不正常指令通过人机接口反馈，并由声光报警器发出报警信号，提醒工作人员。本装置采用图像传感器，不接触断路器操动机构的拉杆、主轴等运动部件，现场不使用专门夹具，振动、电流和声音传感器也不影响断路器的正常操作，适用于各类操作机构断路器带电情况下的机械参数检测。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种高压断路器机械特性监测系统，其特征在于，包括振动加速度传感器、霍尔电流传感器、声音传感器、图像传感器、信号传输电缆、采集卡、智能工控监测仪、声光报警模块。振动加速度传感器、霍尔电流传感器、声音传感器、图像传感器与采集卡相连，采集卡与智能工控监测仪相连，智能工控监测仪与声光报警器相连。

所述的振动加速度传感器采用进口压电芯片，DK320系列压电式加速度传感器，可测量从0.3Hz到最高8kHz的500g以内的加速度，能承受最大10000g的冲击，底座带有M5螺栓孔，用于紧固在磁吸盘上，通过磁吸盘将振动加速度传感器安装在被测试断路器箱体正上面。压电式加速度传感器通过信号传输电缆与采集卡相连。

所述的霍尔电流传感器为基于磁阻效应的CSN系列闭环电流传感器，以零磁通量方法，能够测量交流、直流和脉冲电流，电流传感高达1275A，测量范围±600A，工作温度-40℃-80℃，外壳采用ABS混合塑料制成。霍尔电流传感器通过信号传输电缆与采集卡相连。

所述的声音传感器为高精度、内置高速处理器、声校准和供电芯片的YAV Z2噪声传感器，可选测量范围是35～130dB，频率范围10Hz～20kHz，输出为正负10V振荡信号，采用不锈钢材质，探测范围大于100平方米，工作温度-20～+50℃，相对湿度≤80％，外壳防护为IP68 等级。声音传感器通过信号传输电缆与采集卡相连。

所述的图像传感器为日本OPTEX的MVS-PM-R视觉传感器，包括：430K像素彩色CCD 的镜头、16Mbps数据通信的双频双绞电缆和支持Ethernet、内置LED照明和32G相机存储器的多功能控制器组成。CCD镜头与双频双绞缆相连，双频双绞缆与多功能控制器相连，CCD 镜头内置视觉处理器“OPTCPU”，采用CS型镜头接口，分辨率为512*512，多功能控制器可同时连接3台CCD镜头，带有I/O扩展线接口、CCD镜头与多功能控制器专用I/F通信接口、RS232C接口、USB接口、数字切换功能按键、同步触发按钮以及以太网接口。图像传感器通过以太网传输电缆与智能工控监测仪相连。

所述的信号传输电缆为菲尼克斯传感器专用电缆SAC-5P-1，采用M12混合接线，数据传输速度高达40Gbps，额定电流可达150A、额定电压可达630V。

所述的采集卡为NI USB-4431 24位AD高精度数据采集卡，支持4路模拟输入(AI)和一路模拟输出(AO)，同步采样率102.4kS/s，带有DIGITAL I/O&DFI接口。采集卡与智能工控监测仪相连。

所述的智能工控监测仪由NVIDIA Tegra K1智能工控主板、嵌入式工业触摸显示屏、专业工控机CPU红铜散热器和工业专用键盘集成。工控主板采用Cortex-A15处理器，板载2G DDR3高速内存，支持4K HDMI和LCD双显输出，预留4*UARA、RS232、SATA、PCIE、 SPI、12C、CAMEAE、CSI和USB等接口；显示屏采用17寸LED液晶MEKT-170VX进口 5线电阻触摸屏，分辨率1280*1024，比例4∶3，对比度1000∶1，支持VGA、USB、DC等接口。智能工控监测仪与声光报警模块相连。

所述的声光报警模块为CLB100声光报警器，内设可调语音提示和音量，外设故障报警间隙闪烁红光。

本实用新型的工作原理：首先将振动加速度传感器通过磁吸盘安装在高压断路器操作机构箱箱体正表面，霍尔电流传感器安装在分合闸线圈电流的控制回路，声音传感器安放在断路器侧面，通过强磁铁紧固于操作机构角钢底座上，图像传感器通过相机支架安装在操作机构箱体内壳上，与操作机构运动部件不接触，调节相机焦距对准断路器绝缘拉杆和主轴，最后通过电缆将振动加速度传感器、霍尔电流传感器和声音传感器连接到采集卡输入端，采集卡通过USB电缆连接到智能工控监测仪的USB接口。将图像传感器通过标准超五类网线连接到智能工控监测仪以太网接口。

然后，设置图像传感器控制为软件触发方式，由于高压断路器合闸线圈电流动作相连的霍尔电流传感器采集模拟量作为触发源。智能工控监测仪不间断的采集振动信号、电流信号和声音信号，并实时分析电流信号，当电流到达某一阈值时，通过以太网络启动触发图像传感器的图像捕捉过程，同时启动USB采集卡将各路传感器的信号传输至智能工控监测仪。

再后，MVS-PM-R视觉传感器以采集图像信号分析运动部件(绝缘拉杆和主轴)运动位移，结合图像采集帧率和位移关系绘制行程时间曲线，由此计算断路器机械特性的行程、速度和同期性等参数，并通过以太网接口与智能工控监测仪连接，上传分析结果。智能工控监测仪将分析振动信号、电流信号和声音信号，得到信号的时频域特征量，并记录和存储各项数据。

最后，智能工控监测仪全方位、多角度分析操作机构机械特性参数以及振动、电流和声音信号的时频域特征量，综合出厂时记录的原始参数对比，判别断路器操作机构的工作是否正常，如果状态异常则通过智能工控监测仪显示提示断路器工作异常信息，并传达报警指令给声光报警器，发出警告信号。

附图说明

图1为本实用新型装置示意图；

图2为图像传感器示意图；

其中，1.振动加速度传感器，2.霍尔电流传感器，3.声音传感器，4.图像传感器，5.信号传输电缆，6.采集卡，7.智能工控监测仪，8.声光报警器，9.CCD镜头，10.双频双绞缆，11. 多功能控制器12.I/O扩展线接口，13.I/F通信接口，14.RS231C接口，15.USB接口，16.数字切换功能按键，17.同步触发按钮，18.以太网接口。

具体实施方式

下面结合附图与实施对本实用新型作进一步说明。

一种高压断路器机械特性监测系统，由图像传感器捕捉断路器操动过程中运动部件的图像，分析运动部件在操动中发生的位移信息，计算本次测试的机械特性参数；同时，通过采集卡获得高压断路器操动过程中的振动、电流和声音信号，将图像传感器分析结果和采集卡采集的信号传输至智能工控监测仪。智能工控监测仪以断路器部件位移运动的机械特性参数为主，结合振动、电流和声音信号为辅判断断路器的工作状态，并显示诊断结果和记录、存储信号。若高压断路器工作状态出现异常，则由智能工控监测仪发出报警指令给声光报警器，给出警告信号，同时发出指令在显示器界面显示提示断路器工作异常信息，避免高压断路器故障状态下运行。

如图1所示，本实用新型装置包括：振动加速度传感器1，霍尔电流传感器2，声音传感器3，图像传感器4，信号传输电缆5，采集卡6，智能工控监测仪7，声光报警器8。振动加速度传感器1、霍尔电流传感器2、声音传感器3、图像传感器4通过信号传输电缆5与采集卡6相连，采集卡6与智能工控监测仪7相连，智能工控监测仪7与声光报警器8相连。

所述的振动加速度传感器1采用进口压电芯片，DK320系列压电式加速度传感器，可测量从0.3Hz到最高8kHz的500g以内的加速度，能承受最大10000g的冲击，底座带有M5螺栓孔用于安装在磁吸盘上。压电式加速度传感器1测量断路器分合闸过程中的振动信号，通过采集卡6，将振动信号传输给智能工控监测仪7。

所述的霍尔电流传感器2为基于磁阻效应的CSN系列闭环电流传感器，以零磁通量方法，能够测量交流、直流和脉冲电流，电流传感高达1275A，测量范围±600A，工作温度-40℃-80℃，外壳采用ABS混合塑料制成。霍尔电流传感器2测量合分闸控制线圈中电流信号，通过信号采集卡6，将电流信号传输给智能工控监测仪7。

所述的声音传感器3为高精度、内置高速处理器、声校准和供电芯片的YAV Z2噪声传感器，可选测量范围是35～130dB，频率范围10Hz～20kHz，输出为正负10V振荡信号，采用不锈钢材质，探测范围大于100平方米，工作温度-20℃～50℃，相对湿度≤80％，外壳防护等级为IP68。声音传感器3测量断路器分合闸过程声音值，通过采集卡6，将声音信号传输智能工控监测仪7。

所述的图像传感器4为日本OPTEX、MVS-PM-R视觉传感器，包括：430K像素彩色CCD镜头9、16Mbps数据通信的双频双绞缆10和支持Ethernet、内置LED照明和32G相机存储器的多功能控制器11组成。CCD镜头9与双频双绞缆10相连，双频双绞缆10与多功能控制器 11相连，CCD镜头9内置视觉处理器“OPTCPU”，采用CS型镜头接口，分辨率为512*512；多功能控制器11可同时连接3台CCD镜头9，带有I/O扩展线接口12、CCD镜头与多功能控制器专用I/F通信接口13、RS232C接口14、USB接口15、数字切换功能按键16、同步触发按钮17以及以太网接口18。图像传感器通过信号传输电缆与采集卡相连。图像传感器通过标准超五类网线与智能工控监测仪7的网络接口相连。

所述的信号传输电缆5为菲尼克斯传感器专用电缆-SAC-5P-1，采用M12混合接线，数据传输速度高达40Gbps，额定电流可达150A、额定电压可达630V。

所述的采集卡6为NI USB-443124位AD高精度数据采集卡，支持4路模拟输入(AI) 和一路模拟输出(AO)，同步采样率102.4kS/s，带有DIGITAL I/O&DFI接口。采集卡6将传感器信号通过标准USB电缆传输给智能工控监测仪7。

所述的智能工控监测仪7由NVIDIA Tegra K1智能工控主板、嵌入式工业触摸显示屏、专业工控机CPU、红铜散热器和工业专用键盘集成。工控主板采用Cortex-A15处理器，板载2G DDR3高速内存，支持4K HDMI和LCD双显输出，预留4*UARA、RS232、SATA、 PCIE、SPI、12C、CAMEAE、CSI、USB和以太网等接口；显示屏采用17寸LED液晶 MEKT-170VX进口5线电阻触摸屏，分辨率1280*1024，比例4∶3，对比度1000∶1，支持VGA、 USB、DC等接口。智能工控监测仪7与声光报警模块8相连。

所述的声光报警模块8为CLB100声光报警器，内设可调语音提示和音量，外设故障报警间隙闪烁红光。当断路器工作状态异常时，智能工控监测仪7检测出断路器操动机构在分合闸过程的振动信号、分合闸线圈电流信号、声音信号以及绝缘拉杆或主轴图像信号的变化。如果状态异常则通过智能工控监测仪显示提示断路器工作异常信息，同时给声光报警器下达故障报警命令，提醒工作人员。