高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统的制作方法

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1.本发明涉及自二次回路故障监测技术领域，具体涉及一种高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统。

背景技术：

2.高压开关柜是用来接收和分配用电负荷的配电开关设备，广泛应用于电力系统的发电厂和变电站。高压开关柜二次回路主要由分闸电磁铁、合闸电磁铁、辅助开关、二次引出接线端子等部分组成，是实现开关控制的必不可少的部分，一旦开关机构二次回路工作异常，就必须尽快进行处理，否则轻则引起开关柜面板信号指示异常，重则导致故障时无法跳闸，危及电网安全。传统的故障处理方法是利用万用表对二次回路逐个进行排查，故障排查方式工序复杂、耗时长、工作强度大，对检修人员的经验依赖性强。
3.如图1中所示，为高压开关柜的二次回路原理图，图中合闸线圈hq、分闸线圈tq以及储能电机m为二次回路控制的三个重要元件，如果能够对这三个控制元件的状态进行检测，则能知晓高压开关柜的主要工作状态。进一步地，如图2中所示，为高压开关柜二次回路各插头接线图，其中航空插头xt为高压开关与其他部件的接线插座，xt内的插针1-58与图1中的针号对应，如果能够通过航空插头xt插针对高压开关的所有电气点进行状态检测，则就能对高压开关进行实时监测并知晓故障时的具体位置。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，快速定位高压开关柜二次回路故障，帮助检修人员准确判定高压开关柜二次回路故障的具体位置，能提高检修工作效率，缩短设备抢修时间和停电时间，提高电力系统供电可靠性。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，监测系统包括通过高压开关柜断路器内合闸线圈hq、分闸线圈tq和储能电机m两端连接的电流传感器ct1-ct3，并经过a/d采样模块与mcu控制器电连接，mcu控制器通过rs485接口与远程的上位机连接，mcu控制器还与4g通讯模组电连接。
7.上述的高压开关柜断路器内合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m以及各节点、回路均直接或间接引出到航空插头的插针，航空插头的插针的公头插针和母头插针之间由继电器组的辅助常闭触点连接，常开触点与测量电路连接，继电器组和测量回路由mcu控制器控制，当想要检测合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m以及各节点、回路中其一时，mcu控制器控制想要检测的元件两端插针对应的继电器配合，由测量回路对常开触点连接后的节点或者回路进行检测，并将检测数值返回给mcu控制器。
8.上述的测量电路包括与元件两端插针对应继电器常开触点连接的测量回路，当元件插针两端对应的两个继电器吸合时，测量电路即与元件接通对元件的电阻进行测量，电
阻的测量值返回至mcu控制器。
9.上述的测量电路包括恒流源发生电路，恒流源发生电路的恒流源输出端各被检测元件的一端继电器的常开触点电连接，各被检测元件的另一端继电器的常开触点与设定电压值的端子连接，当mcu控制器控制被检测元件两端的继电器吸合时，恒流源通过被检测元件一端常开触点，然后经过被检测元件，再经过被检测元件另一端常开触点处的设定电压形成回路，该元件两端回路的经过采样电路经数模装换后将测得的电阻值反馈给mcu控制器。
10.优选的方案中，上述的恒流源发生电路的恒流源输出端与恒流源切换控制器输入端电连接，恒流源切换控制器输出端与被检测各元件一端继电器的常开触点电连接，被检测各元件另一端继电器的常开触点与电压切换控制器输出端电连接，电压切换控制器输入端通入设定电压。
11.上述的电流传感器ct1-ct3为与合闸线圈hq、分闸线圈tq及储能电机m两端其中一端串联连接的霍尔电流传感器。
12.上述的mcu控制器还与检测断路器位置的激光测距传感器、检测柜内温度湿度传感器以及检测柜外温度的远程无线温度传感器通过有线/无线通讯接口进行通讯连接，mcu控制器与液晶屏电连接，mcu控制器输入端设有功能按键。
13.本发明提供的一种高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，该系统与高压开关柜内各控制节点采用航空插头插拔的方式进行连接，然后通过电流传感器、温湿度传感器、测距传感器对高压开关柜及二次回路的工作状态进行实时监测，并利用测电阻的原理采集不同状态下二次回路内部各对节点和回路的电阻值，由mcu按照预设的判断逻辑对采集的信息进行处理，快速检测出开关柜的故障点。该系统不仅能实时监测高压开关的工作状态，还可以快速、准确定位二次回路的故障，大大缩小了电力抢修、日常运检的工作时间。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
15.图1为本发明高压开关柜二次回路原理图；
16.图2为本发明高压开关柜二次回路各类插头接线图；
17.图3为二次回路实时监测原理框图；
18.图4为优选的二次回路实时监测原理框图；
19.图5为与高压开关柜航空插头连接示意图；
20.图6为测量回路的电气原理示意图；
21.图7为恒流源发生电路示意图；
22.图8为电流传感器ct1-ct3示意图；
23.图9为测量电路的示意图；
24.图10为实施例中第六路辅助触点回路的连接示意图；
25.图11为实施例中储能电机m回路的连接示意图；
26.图12为mcu控制器的连接示意图。
27.其中：合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m、整流元件v2/v3、断路器辅助接点hk、
储能微动开关sp1～sp4、防跳继电器k0、航空插头xt、断路器辅助接点hk、—电路板pcb、试验位置辅助开关s8、工作位置辅助开关s9。
具体实施方式
28.如图3中所示，高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，监测系统包括通过高压开关柜断路器内合闸线圈hq、分闸线圈tq和储能电机m两端连接的电流传感器ct1-ct3，并经过a/d采样模块与mcu控制器电连接，mcu控制器通过rs485接口与远程的上位机连接，mcu控制器还与4g通讯模组电连接。
29.如图3中所示，高压开关柜二次回路的储能回路、分闸回路、合闸回路直接引出到航空插头的插针，电流传感ct1、ct2、ct3通过插针25、插针30、插针4分别串联进储能回路、分闸回路、合闸回路，mcu对工作电流进行a/d采样；通过无线温度传感器对关键点进行温度采样，并汇集到lora物联网模块，再将各关键点温度值传入mcu；温度湿度传感器对高压开关柜柜内的环境进行监测；激光测距传感器对断路器的位置进行监测，最后将上述信息汇总显示到液晶屏。
30.如图4中所示，上述的高压开关柜断路器内合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m以及各节点、回路均直接或间接引出到航空插头的插针，航空插头的插针的公头插针和母头插针之间由继电器组的辅助常闭触点连接，常开触点与测量电路连接，继电器组和测量回路由mcu控制器控制，当想要检测合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m以及各节点、回路中其一时，mcu控制器控制想要检测的元件两端插针对应的继电器配合，由测量回路对常开触点连接后的节点或者回路进行检测，并将检测数值返回给mcu控制器。
31.如图5中所示，将系统上的母头做成58孔，将配套的连接做成若干根，其一端始终制作成58针公头，另一端做成需要的m孔或插针的形式，用于与被测设备的接头连接。因为系统原理设计时具备测量任意两插针间回路电阻的功能，所以只要被测对象与系统本体连接后，其对应的插针组合也就确定了，相应的插针组合的电阻就可由系统采集。
32.如图4中所示，通过对元件对应两端端子的继电器吸合，使得两端的常开端子协和使元件与测量回路谅解，测量回路中的一端通入恒流源，然后检测元件两端的电阻值。
33.检测二次回路故障时，通过任意两组继电器闭合，切断与原插针之间的电路，然后将恒流源通过模拟阵列开关电路串联进入继电器连接的两端电路，通过欧姆定律电流乘以电阻得到两端电路的电压值，mcu采样电压值即可计算得到任意两插针之间的电阻值；mcu再根据各回路采集到的电阻值，按照预定的逻辑进行判断，便可快速定位故障点。
34.上述的测量电路包括与元件两端插针对应继电器常开触点连接的测量回路，当元件插针两端对应的两个继电器吸合时，测量电路即与元件接通对元件的电阻进行测量，电阻的测量值返回至mcu控制器。
35.上述的测量电路包括恒流源发生电路，恒流源发生电路的恒流源输出端各被检测元件的一端继电器的常开触点电连接，各被检测元件的另一端继电器的常开触点与设定电压值的端子连接，当mcu控制器控制被检测元件两端的继电器吸合时，恒流源通过被检测元件一端常开触点，然后经过被检测元件，再经过被检测元件另一端常开触点处的设定电压形成回路，该元件两端回路的经过采样电路经数模装换后将测得的电阻值反馈给mcu控制器。
36.优选的方案中，上述的恒流源发生电路的恒流源输出端与恒流源切换控制器输入端电连接，恒流源切换控制器输出端与被检测各元件一端继电器的常开触点电连接，被检测各元件另一端继电器的常开触点与电压切换控制器输出端电连接，电压切换控制器输入端通入设定电压。
37.对于合闸回路：
38.如图1所示，合闸回路由航空插头的插针4和插针14接入，串入试验位置辅助开关节点s8_11-12或工作位置辅助开关节点s9_13-14，经过二极管整流电路，分别接入防跳继电器常闭节点k0_3-2、储能微动开关节点sp1_13-14、断路器辅助开关节点hk_11-12、合闸线圈hq组成。当开关在工作位置、分闸、弹簧已储能时，合闸回路处于合闸准备状态，待接到合闸命令，开关就完成合闸操作。
39.对于分闸回路：
40.如图1所示，分闸回路由航空插头的插针30和插针31接入，串入断路器辅助开关节点hk_63-64，经过二极管整流电路接入分闸线圈tq组成。当开关在合闸位置时，节点hk_63-64接通，分闸回路处于分闸准备状态，待接到分闸命令，开关就完成分闸操作。
41.对于储能回路：
42.如图1所示，储能回路由航空插头的插针25和插针35接入，串入储能微动开关常闭节点sp3_21-22。当开关在未储能时，储能回路导通，电机开始储能，储能完成后其常闭节点sp3_21-22断开，自动断开电机回路。
43.二次回路故障分析：
44.高压开关柜二次回路常见的故障有控制回路断线、储能回路异常、开关手车无法摇出/摇进、信号指示灯不亮、后台位置显示异常，下面以真空断路器为例分析故障原因。
45.(1)控制回路断线：合闸线圈烧坏，导致合闸回路断开；弹簧未储能或储能的微动开关工作异常；断路器辅助开关切换不到位或串入合闸回路的断路器辅助节点工作异常；开关手车未摇到工作位置或试验位置，工作位置或试验位置辅助开关异常。
46.(2)储能回路异常：储能电机烧坏，导致电机无法工作；储能辅助节点异常。
47.(3)开关手车无法摇出/摇进：防止手车摇进/摇出闭锁线圈烧坏，导致机械闭锁无法解除。
48.(4)信号指示灯不亮：断路器辅助开关、手车位置辅助开关、储能微动开关工作异常。
49.(5)后台位置显示异常：断路器辅助开关、手车位置辅助开关、储能微动开关工作异常。
50.高压开关柜二次回路故障快速定位的原理为：
51.如图1中所示，高压开关柜二次回路的各节点、回路都直接或间接引出到航空插头的插针，各对节点、回路的电阻值理论上为0、无穷大、50～300ω，表1为插针组合在不同状态下的电阻值，通过测量各对插针电阻，并将测得的电阻与正常状态下电阻进行比较、判断，最终确定故障发生位置。利用配套的航空插头公母头将高压开关柜的航空插头进行匹配连接，根据测电阻原理测量不同组合下两插针间的电阻，进而收集高压开关柜内各回路、辅助开关、微动开关、行程开关的信息，综合判断机构二次回路的故障点。
52.表1开关的插针组合在不同状态下的电阻值
53.[0054][0055]
如图6中所示，u32为恒流源切换控制器，其引脚输入端z通入图7中恒流源发生电路lm358放大后的恒流源hl，通过mcu控制器控制经由yo-y7输入到k9-k16所控制的继电器常开触点端；
[0056]
u33为电压切换控制器，其引脚输入端z通入电压3.3v，通过mcu控制器控制经由yo-y7输入到k1-k8所控制的继电器常开触点端。
[0057]
图6中各继电器所对应的元器件检测回路引脚入表2中所示：
[0058]
表2：检测回路及元器件引脚(接线端子)一览表：
[0059]
[0060][0061]
按照系统原理设计框图，共有58组二次回路需要检测，但在实际应用中由电路板的安装体积大小限制，另外在实际检测中也不是每组回路都需要检测，所以在电路原理图设计时进行了简化，只对其中重要的14组回路进行了检测。
[0062]
如图10中所述，下面就第6路辅助触点回路的电阻检测原理进行说明：
[0063]
电路中接线端子m04与二次回路插针52连接，接线端子m14与二次回路插针53连接，继电器未闭合之间处于电路处于未检测状态，二次回路各自按照以前的工作方式不变。当需要检测第6路辅助触点回路时，也就是需要检测二次回路插针52与53之间的电阻值，判断第6路辅助触点回路的电路是否正常？
[0064]
第一步，打开恒流源切换芯片u33的y2引脚，电源3.3v与y2引脚连通；
[0065]
第二步，打开恒流源切换芯片u32的y6引脚，y6引脚与恒流源hl引脚连通，hl引脚与mcu的电压采样引脚连接；
[0066]
第三步，打开继电器k4，继电器常闭节点g04打开，常开节点m04闭合，插针52与原
二次回路断开，与恒流源切换芯片u33的y2引脚连接；
[0067]
第四步，打开继电器k14，继电器常闭节点g14打开，常开节点m14闭合，插针53与原二次回路断开，与恒流源切换芯片u32的y6引脚连接；
[0068]
第五步，完成上述四步工作后，二次回路中插针52-53之间导通，恒流源中的电流流过该回路，mcu对其进行电压采样，并计算得到该回路的电阻值；
[0069]
第六步，将该回路的电阻值存储到mcu中；
[0070]
第七步，断开继电器k4和k14，恢复原二次回路的连接。
[0071]
其余13组回路的电阻检测原理类似。详细的接线端子和芯片引脚见表2。
[0072]
将14组回路电阻值检测完成后，根据当前状态与表1进行比较，并按照预定的逻辑进行判断，即可快速定位故障点。
[0073]
上述的电流传感器ct1-ct3为与合闸线圈hq、分闸线圈tq及储能电机m两端其中一端串联连接的霍尔电流传感器。
[0074]
如图8中所示，50a电流传感器u1检测储能电机电流，cn端进入mcu的adc引脚进行采样；10a电流传感器u20检测分闸线圈电流，fz端进入mcu的adc引脚进行采样；10a电流传感器u29检测合闸线圈电流，hz端进入mcu的adc引脚进行采样。50a电流传感器的型号为acs758lcb-050b-pff-t，霍尔效应电流传感器，交直流通用，检测电流最大为50a。10a电流传感器的型号为cc6904so-10a，交直流通用，检测电流最大为10a。
[0075]
以储能电机m的电流检测为例，如图6、8和11中所示，50a电流传感器u1的输入点ip+和ip-串联到继电器u27常闭触点ip50a和储能电机m的一端端子g01之间，50a电流传感器u1可以实时对储能电机m的工作电流进行检测，而通过继电器u27和u28，又可以对储能电机的电阻进行检测，查看是否发生断线等现象。
[0076]
上述的mcu控制器还与检测断路器位置的激光测距传感器、检测柜内温度湿度传感器以及检测柜外温度的远程无线温度传感器通过有线/无线通讯接口进行通讯连接，mcu控制器与液晶屏电连接，mcu控制器输入端设有功能按键。
[0077]
根据以上设计的高压开关柜二次回路实时监测及故障快速定位系统，不仅能实时监测二次回路的工作状态，而且能使检修人员快速到二次回路的故障点，并提高了故障判断的正确率。实际应用表明，该系统完成一种状态下的检测仅需10分钟，大大缩短故障判断时间。

技术特征：

1.高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，监测系统包括通过高压开关柜断路器内合闸线圈hq、分闸线圈tq和储能电机m两端连接的电流传感器ct1-ct3，并经过a/d采样模块与mcu控制器电连接，mcu控制器通过rs485接口与远程的上位机连接，mcu控制器还与4g通讯模组电连接。2.根据权利要求1所述的高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的高压开关柜断路器内合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m以及各节点、回路均直接或间接引出到航空插头的插针，航空插头的插针的公头插针和母头插针之间由继电器组的辅助常闭触点连接，常开触点与测量电路连接，继电器组和测量回路由mcu控制器控制，当想要检测合闸线圈hq、分闸线圈tq、储能电机m以及各节点、回路中其一时，mcu控制器控制想要检测的元件两端插针对应的继电器配合，由测量回路对常开触点连接后的节点或者回路进行检测，并将检测数值返回给mcu控制器。3.根据权利要求2所述的高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的测量电路包括与元件两端插针对应继电器常开触点连接的测量回路，当元件插针两端对应的两个继电器吸合时，测量电路即与元件接通对元件的电阻进行测量，电阻的测量值返回至mcu控制器。4.根据权利要求3所述的高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的测量电路包括恒流源发生电路，恒流源发生电路的恒流源输出端各被检测元件的一端继电器的常开触点电连接，各被检测元件的另一端继电器的常开触点与设定电压值的端子连接，当mcu控制器控制被检测元件两端的继电器吸合时，恒流源通过被检测元件一端常开触点，然后经过被检测元件，再经过被检测元件另一端常开触点处的设定电压形成回路，该元件两端回路的经过采样电路经数模装换后将测得的电阻值反馈给mcu控制器。5.根据权利要求4所述的高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的恒流源发生电路的恒流源输出端与恒流源切换控制器输入端电连接，恒流源切换控制器输出端与被检测各元件一端继电器的常开触点电连接，被检测各元件另一端继电器的常开触点与电压切换控制器输出端电连接，电压切换控制器输入端通入设定电压。6.根据权利要求5所述的高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的电流传感器ct1-ct3为与合闸线圈hq、分闸线圈tq及储能电机m两端其中一端串联连接的霍尔电流传感器。7.根据权利要求6所述的高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，其特征在于，所述的mcu控制器还与检测断路器位置的激光测距传感器、检测柜内温度湿度传感器以及检测柜外温度的远程无线温度传感器通过有线/无线通讯接口进行通讯连接，mcu控制器与液晶屏电连接，mcu控制器输入端设有功能按键。

技术总结

高压开关柜二次回路实时监测及故障诊断系统，监测系统包括通过高压开关柜断路器内合闸线圈HQ、分闸线圈TQ和储能电机M两端连接的电流传感器CT1-CT3，并经过A/D采样模块与MCU控制器电连接。该系统与高压开关柜内各控制节点采用航空插头插拔的方式进行连接，然后通过电流传感器、温湿度传感器、测距传感器对高压开关柜及二次回路的工作状态进行实时监测，并利用测电阻的原理采集不同状态下二次回路内部各对节点和回路的电阻值，由MCU按照预设的判断逻辑对采集的信息进行处理，快速检测出开关柜的故障点。该系统不仅能实时监测高压开关的工作状态，还可以快速、准确定位二次回路的故障，大大缩小了电力抢修、日常运检的工作时间。间。间。