专利名称：高压断路器机械特性在线监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电性能监测技术领域，涉及一种高压断路器监测装置，具体涉及 一种高压断路器机械特性在线监测装置。
背景技术：
在早期的传统的测试方法中，检修试验人员使用电秒表、同步灯、光线示波器、电 磁振荡器和转鼓测速仪等进行测试。这些设备运输困难，而且这些方法不但占用现场面积 大，测试时接线复杂，读取记录的数据要进行人工处理和计算，而且测量的误差大，检修工 作的时间长。对高压断路器机械性能的检测，主要是在设备交接及停电期间结合检修定期进 行预防性试验，从而进行更换部件和进行操作机构的机械特性检查等。经验表明，频繁的 操作及过度的拆卸检修会降低高压断路器的动作可靠性。因此，对高压断路器实施状态诊 断或实时在线监测，有助于掌握其运行特性及变化趋势，提前发现潜在的设备故障隐患， 全面监控断路器的各项状态指标，降低设备故障率，提高电力系统的安全和可靠性。
发明内容本实用新型的目的是提供一种高压断路器机械特性在线监测装置，实现了带电检 测高压断路器机械特性，并将触头行程-时间信号、分(合)闸线圈电流信号、振动信号等 经过信号处理模块后，通过GPRS通信模块传输到远程监测中心，解决了现有检测方法误差 大、时间长、测试复杂的问题。本实用新型所采用的技术方案是，一种高压断路器机械特性在线监测装置，包括 信号调理模块，信号调理模块的输入端连接有电源模块、直线位移传感器、角位移传感器、 霍尔电流传感器及振动传感器，直线位移传感器、角位移传感器、霍尔电流传感器及振动传 感器还与高压断路器相连接，信号调理模块的输出端与处理器相连接，处理器上连接有时 钟模块及A/D校正模块，处理器的输出端连接有GPRS模块，其中的信号调理模块，采用运算放大器LM324N，用于构成限压保护环节和二阶有源低通 滤波电路；直线位移传感器，安装在断路器动触头绝缘拉杆的底部，选用WDL-25-2型直滑式 导电塑料电位器；角位移传感器，安装在断路器的主轴上，选用WDD35D-4型角位移传感器；霍尔电流传感器，用于通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器 件处于检测零磁通的工作状态，高压断路器分闸线圈的直流模拟信号约为0-0. 01A，经过霍 尔电流传感器变换成0-50mA电流信号，经过匹配电阻转换成DSP系统能接受0-5V的电压
信号；振动传感器，用于有振动时，输出叠加在直流电压上的交流信号；处理器，采用TMS320 F2818，用于实现断路器行程、分合闸电流和振动等信号的采集和处理，并通过GPRS/GSM网络将数据存入到远程计算机数据库中；时钟模块，用于给处理器提供质量较高的工作时钟信号，从而保证系统稳定可靠 的工作；A/D校正模块，包括一个精密电压源TL431，它的内部2. 5V电压基准通过VMf端输 出，与TL431的K断短接，TL431的K断上拉100 Ω电阻，Vref输出通过2个电阻分压滤波后 输出两路电压。与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果1、本实用新型综合采用电阻式直线位移传感器和角传感器的测量，克服了直线位 移传感器体积较大，受到安装空间和安装位置的限制，角位移传感器由于其体积小，有效地 解决了安装困难的问题。两种传感器具有机械寿命长、抗冲击能力强、价格低廉等优点，完 全满足断路器机械特性在线监测的要求。2、本实用新型采用无线网络的方式实现各个传感器与中心计算机之间的互联通 信。实现无线网络通信采用的是移动通信的GPRS/GSM无线服务。中国移动GPRS/GSM网络 覆盖全国，不受物理空间的限制，不受高压环境的电磁干扰，很好的解决了传感器与中心计 算机之间的无线通信问题。3、本实用新型将所有处理过的数据存入计算机数据库，因此可以对一段时间的监 测数据进行分析，对高压断路器绝缘状态变化做出判断，预测高压断路器状态变化趋势。
图1为本实用新型在线监测装置的结构示意图；图2为本实用新型在线监测装置的分合线圈电流信号处理电路图；图3为本实用新型在线监测装置的A/D校准电路图；图4为本实用新型在线监测装置的GPRS通信模块电路图；图5为本实用新型在线监测装置的电源电路图。图中，1.直线位移传感器，2.角位移传感器，3.霍尔电流传感器，4.振动传感器， 5.电源模块，6.信号调理模块，7.处理器，8.时钟模块，9. A/D校正模块，10. GPRS模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。本实用新型高压断路器机械特性在线监测装置的结构，如图1所示，包括信号调 理模块6，信号调理模块6的输入端连接有电源模块5、直线位移传感器1、角位移传感器2、 霍尔电流传感器3及振动传感器4，直线位移传感器1、角位移传感器2、霍尔电流传感器3 及振动传感器4还与高压断路器相连接，信号调理模块6的输出端与处理器7相连接，处理 器7上连接有时钟模块8及A/D校正模块9，处理器7的输出端连接有GPRS模块10。其中 的信号调理模块6，采用的NI公司生产的运算放大器LM324N，用于构成限压保护环 节和二阶有源低通滤波电路。直线位移传感器1，安装在断路器动触头绝缘拉杆的底部，选用WDL-25-2型直滑 式导电塑料电位器。
4[0028]角位移传感器2，安装在断路器的主轴上，选用WDD35D-4型角位移传感器。霍尔电流传感器3，其工作原理是基于磁场平衡的原理，即被测电流在聚磁环所产 生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的 工作状态。高压断路器分闸线圈的直流模拟信号约为0-0. 01A,经过霍尔电流传感器变换成 0-50mA电流信号，经过匹配电阻(为100)转换成DSP系统能接受0-5V的电压信号。YDG-HSD 型霍尔电流传感器具有精度高、线性度好、动态性能好、工作频带宽、抗过电压瞬时过流能 力强和可以测量任意波形的电流等优点。采用该传感器完全可以满足高压真空断路器分、 合闸线圈电流波形测量的要求。振动传感器4，该传感器采用高性能的磁敏电阻作为敏感原件，体积小，频率响应 宽，寿命长，具有高分辨率和高灵敏度。工作电压为直流12V，无振动时输出为近似4V直流 电压，有振动时，输出是叠加在直流电压上的交流信号。与普通压电式振动传感器相比较， 磁阻式振动传感器分别率和灵敏度更高，对环境要求较低，频率响应较宽。处理器7，采用TMS320 F2818，用于实现断路器行程、分合闸电流和振动等信号的 采集和处理，并通过GPRS/GSM网络将数据存入到远程计算机数据库中。时钟模块8，用于给处理器提供质量较高的工作时钟信号，从而保证系统稳定可靠 的工作。A/D校正模块9，包括一个精密电压源TL431，它的内部2.5V电压基准通过VMf端 输出，与TL431的K断短接，TL431的K断上拉100 Ω电阻，Vref输出通过2个电阻分压滤波 后输出两路电压。本实用新型的工作过程为CPU发出采集指令，指令通过Internet网络、GPRS/GSM 服务器、GPRS/GSM无线网到现场，现场采集的动触头行程一时间信号、分合闸线圈电流信号 和振动信号经过信号处理电路后经过A/D转换，通过GPRS/GSM通信模块进行远距离传输， 并将采集的数据存储。当采集一个工频周期的数据后，将数据通过GPRS/GSM无线网、GPRS/ GSM服务器、Internet网络送往CPU。在数据处理过程中，DSP所接受的都是数字信号，并且从断路器上所获得的电流、 电压等信号值较大，不易直接从断路器上直接获取。因此，要想实现对断路器参数的监测 与诊断，必须通过传感器来获得信号。同时监测断路器的振动信号和位移信号时，考虑到 这两者都是非电信号，所以有必要通过相应传感器来实现有非电信号到电信号的转化。同 时，由于传感器的输出电压与处理器所能接受的电压不匹配，要完成对上述监测量的采集， 需要设计了相应的信号调理电路。将采集的信号经信号调理电路调理后进入芯片自带A/D 转化后，通过GPRS远程通信模块实现数据的传输和上位机的远程通讯功能。只要断路器动 作，数据开始采集，同时开始即开始录波，数据实时上传至上位机，上位机对数据进行波形 显示，分析处理，计算出机械特性寿命。因此，该方法可以实时在线监测断路器的运行状态， 其监测结果比离线测量结果更接近断路器的真实状态。如图2所示，R1和D1 —起构成限压保护环节，防止输入范围过大而烧坏DSP系统； 其中R1是限流电阻，防止传感器输出端的电流过大而毁坏电源单元。C1XdRdn单电源 CMOS低功耗运算放大器LM324 —起构成二阶有源低通滤波电路。R2 =4. 7K Ω , R3 =5. IK Ω, C1 =22nF, C2 =47nF，滤波电路的截止频率1010 Hz。采用的Nl公司生产的运算放大器LM324N，它是一款单电源常用四运放，采用先进
5的CMOS技术，具有偏置电流低、运行速度快、开环增益高以及满幅输出等特点，内部集成四 个独立的运算放大器，不仅可以节省很多电路板的设计空间，还可以降低成本，提高系统工
作可靠性。如图3所示，是本实用新型的A/D校正模块9。根据TI的数据手册，芯片2812的 A/D采样电路精度不是很高，一般只有2%，需要对A/D采样进行软件校正，软件校正后的精 度可以达到0. 5%。A/D校准模块包括一个精密电压源TL431，它的内部2. 5V电压基准通过 Vref端输出，与TL431的K断短接，TL431的K断上拉100 Ω电阻，TL431的K端电压就会精 确稳定在2. 5V。流过TL431的电流大于ImA时TL431才会可靠导通，一般取5 10mA。IK 的分压电阻在焊接时都是经过严格测试的，电阻阻值的误差不超过0. 5%。Vref输出通过2个 电阻分压滤波后输出两路电压。校正的原理就是修正A/D采样的线性度。用两路已知电压基准作为A/D采样的输 入，将这两路A/D采样得到的数值与基准电压对应的理论值相比较，就可以得到从采样值 到理论值的一个函数映射。这个函数映射用来修正A/D的采样值。另外，根据TI的应用手 册，A/D的线性度在0. 3V 2. 7V时最好。设计A/D采样电路时，尽量将所要采样的信号变 换到A/D采样线性度较好的范围之内。如图4所示，是本实用新型的GPRS模块10，GPRS通信模块将监测到的动触头行 程一时间监测信号、分(合)闸线圈电流信号、振动信号和开断次数信号通过GPRS/GSM网络 进行远程距离传输，利用TMS320F2812上的串行通信接口(SCI)实现与通信模块的接口。 采用R17和R19串联分压的方式将MAX232输出的TTL电平信号转换为DSP输入电平信号； R14和二极管4001将DSP输出电平信号转换为MAX232的TTL输入电平信号。GPRS是构架在传统GSM网络之上的一种标准化的分组交换数据业务，它可以提供 高达115kbt/s速率的分组数据业务，使得包括图片、语音和视频的多媒体业务在无线网络 中的传输成为现实。并采用分组交换技术，通信过程中不需要建立和保持电路，符合数据通 信突发性的特点，并且呼叫建立时间很短，能够满足本系统无线通信的要求。如图5所示，是本实用新型的电源模块5，该系统由12V太阳能电源或蓄电池供电， 通过LM1117得到5V电源，为了能使MCU正常工作，系统还需要产生3. 3V和1. 8V电源，由 TI公司专用给DSP供电的TPS767D318提供。运放供电所用的正负电源可外接，或外接正电 源负压由MAX775电路变换得到，图中为得到的-12V电压。为了提高可靠性，外部纯净+5V电源输入在经过铁氧体进行滤波后进入电源芯 片，将3. 3V固定输出调整器的使能端接地，这样，在上电的时候就会建立起3. 3V，该3. 3V可 使三极管饱和导通，从而把可调输出调整器的使能端拉为低电平，再通过合适的取样电阻 网络使输出为1.8V，从而解决了两路不同电压输出以及它们上电次序问题。
权利要求一种高压断路器机械特性在线监测装置，其特征在于，包括信号调理模块(6)，信号调理模块(6)的输入端连接有电源模块(5)、直线位移传感器(1)、角位移传感器(2)、霍尔电流传感器(3)及振动传感器(4)，直线位移传感器(1)、角位移传感器(2)、霍尔电流传感器(3)及振动传感器(4)还与高压断路器相连接，所述的信号调理模块(6)的输出端与处理器(7)相连接，处理器(7)上连接有时钟模块(8)及A/D校正模块(9)，处理器(7)的输出端连接有GPRS模块(10)，其中的，信号调理模块(6)，采用运算放大器LM324N，用于构成限压保护环节和二阶有源低通滤波电路；直线位移传感器(1)，安装在断路器动触头绝缘拉杆的底部，选用WDL 25 2型直滑式导电塑料电位器；角位移传感器(2)，安装在断路器的主轴上，选用WDD35D 4型角位移传感器；霍尔电流传感器(3)，用于通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，高压断路器分闸线圈的直流模拟信号约为0 0.01A，经过霍尔电流传感器变换成0 50mA电流信号，经过匹配电阻转换成DSP系统能接受0 5V的电压信号；振动传感器(4)，用于有振动时，输出叠加在直流电压上的交流信号；处理器(7)，采用TMS320 F2818，用于实现断路器行程、分合闸电流和振动等信号的采集和处理，并通过GPRS/GSM网络将数据存入到远程计算机数据库中；时钟模块(8)，用于给处理器提供质量较高的工作时钟信号，从而保证系统稳定可靠的工作；A/D校正模块(9)，包括一个精密电压源TL431，它的内部2.5V电压基准通过Vref端输出，与TL431的K断短接，TL431的K断上拉100Ω电阻，Vref输出通过2个电阻分压滤波后输出两路电压。
专利摘要本实用新型公开的一种高压断路器机械特性在线监测装置，包括信号调理模块，信号调理模块的输入端连接有电源模块、直线位移传感器、角位移传感器、霍尔电流传感器及振动传感器，直线位移传感器、角位移传感器、霍尔电流传感器及振动传感器还与高压断路器相连接，信号调理模块的输出端与处理器相连接，处理器上连接有时钟模块及A/D校正模块，处理器的输出端连接有GPRS模块。本实用新型在线监测装置，实现了带电检测高压断路器机械特性，并将触头行程-时间信号、分(合)闸线圈电流信号、振动信号等经过信号处理模块后，通过GPRS通信模块传输到远程监测中心，解决了现有检测方法误差大、时间长、测试复杂的问题。
文档编号G08C17/02GK201681143SQ20102013788
公开日2010年12月22日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者强建军, 黄新波 申请人:西安工程大学