具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

随着国民经济的高速发展，电力供应需求进一步扩大，对变电站的供电可靠性要求越来越高，对于变电站中开关设备的运行可靠性要求也相应提高。变电站中10KV开关设备，直接连接面向用户的馈线供电线路，其用量大、覆盖面广，发生运行故障的几率也相应较高。近年来，在线路发生故障时，由于10KV开关设备分、合闸线圈在长期运行后性能劣化，没有可靠动作，使线路开关在需要动作时拒动，引起开关越级跳闸，扩大了停电范围，这与变电站设备高可靠性要求存在突出矛盾。

早期使用的10KV开关柜大多为箱型固定式交流金属封闭开关柜(XGN柜)，该型号开关柜配用ZN28型悬挂式真空断路器，断路器的操作机构为CT19-I型弹簧操动机构，操作机构和断路器本体分离，独立安装在开关柜外部。由于设备在制造时的技术设计和工艺的限制，以及运行时间较长导致设备老化，导致目前该型号开关设备故障率较高。

早期投运的XGN柜，最常出现的设备故障是由于分闸线圈性能劣化，操作机构机械卡滞等原因，造成断路器分闸失败。一旦发生这种故障，轻则造成分闸线圈烧毁设备损坏，重则由于分闸失败引起变低后备保护动作跳闸，造成越级跳闸事件，扩大事故停电范围，造成较大的经济损失和社会影响。

为解决外挂CT19弹操机构的真空断路器的一次分闸失败故障，一般采用改造设备或者定期检修的方法，但是由于早期投运的10KV开关设备标准化程度较低，和目前行业主流的开关设备不通用，而且很多产品已属于行业淘汰停产产品，基本没办法通过对局部更换配件以达到改造升级的目的，只能采取完全改造更换设备的技术方案，但是这会导致成本较高，而且设备的运行年限未达到资产管理允许更换的年限，因此实际情况下，设备也不可能完全更换。而采用定期检修的方法，由于需要在停电的情况下对设备进行检修，所以定期检修受到停电时间的限制，难以彻底解决断路器的问题。

有鉴于此，有必要针对开关柜的断路器的拒分故障，提供一种能够使断路器分闸成功的开关柜的后备分闸装置及其控制方法。

在本申请一个可选的实施例中，如图1所示，提供了一种开关柜的后备分闸装置，后备分闸装置位于开关柜表面。具体的，后备分闸装置包括电流采集模组102、按压模组104和控制模组106。具体的，控制模组106分别与电流采集模组102和按压模组104连接。具体的，电流采集模组102用于采集开关柜的断路器的主分闸线圈电流。控制模组106用于获取主分闸线圈电流，并在主分闸线圈电流表征断路器发生故障时驱动按压模组104工作。按压模组104设置于开关柜的表面，用于在控制模组106驱动下按压分闸按钮。

应解释的，在断路器合闸的情况下，主分闸线圈电流不存在。当收到分闸命令时，主分闸线圈两端会加上一直流电压，如110V或220V直流电压，主分闸线圈产生电流。其中，分闸命令可以是由于线路故障，保护电路启动而产生，或者在正常的情况下，人为通过集中控制或者就地控制的方式产生。具体的，就地控制是指在断路器附近用手操作断路器的手动操作机构或采用按钮控制完成合闸、分闸任务。集中控制是指在主控室进行的控制，这种控制方式中，被控制的断路器和主控制室之间一般有几十米至数百米的距离。

应解释的，高压短路器都具有开关辅助触点，通过开关辅助触点的分、合达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完成，在断路器本体以外的机械操作装置称为操作机构。通过按压操作机构的分闸按钮能使断路器分闸。

具体的，电流采集模组102实时采集开关柜的断路器的主分闸线圈电流，当采集到的主分闸线圈电流表征断路器发生故障时，控制模组106驱动按压模组104按压位于开关柜表面的分闸按钮，使操作机构动作，实现断路器分闸。

上述开关柜的后备分闸装置在断路器发生拒分故障的情况下，控制模组106驱动按压模组104按压分闸按钮，推动操作机构机械脱扣装置，使断路器能够成功分闸。

进一步的，由于后备分闸装置位于开关柜表面，采用独立于原操作机构的机械设计，不会影响原操作机构的正常动作。

更进一步的，本申请实施例的后备分闸装置，控制模组106根据电流采集模组102采集到的主分闸线圈电流，自动控制按压模组104按压分闸按钮，而无需人为判断、操作，提高了分闸操作的精确度，以及减少了人力劳动。

更进一步的，采用外加电流采集模组102、按压模组104和控制模组106的方式对开关柜进行升级改造，减少改造停电时间，甚至可以不停电改造，大大减小了停电时间对改造的限制。

再进一步的，本申请实施例的后备分闸装置只需投入极低的物料成本，和较为简便的技术改造工作后，大大提高设备一次分闸的成功率，解决系统常见的由于设备故障引起越级跳闸事件的难题，具有较高的经济效益，并提升用户用电体验，降低由于停电造成的社会影响。

由上述实施例分析可知，控制模组需要根据电流采集模组采集到的主分闸线圈电流对按压模组进行驱动，那么，下述实施例涉及电流采集模组如何采集主分闸线圈电流。

可选的，电流采集模组可以包括直流互感器。具体的，将直流互感器套在断路器的主分闸线圈上。在一个实施例中，采用开合式直流互感器202，如图2所示为开合式直流互感器202，安装时将开合式直流互感器202套设至开关柜二次室端子上的主分闸线圈204接线。采用开合式直流互感器202进行电流采集，可以实现在对开关柜进行升级改造时，不改变开关柜原来的接线，不影响开关柜原来的工作，并且可以实现不停电加装。在一个实施例中，开合式直流互感器202的额定电压为DC5V，工作范围：0-10A，输出电压2.5±0.625V，响应时间<5μs，测量精度1％。

上述实施例提供了一种电流采集模组的结构，下述实施例将提供一种按压模组的结构。

参照图3，在本申请一个可选实施例中，按压模组包括电磁铁302和启动接触器。具体的，在开关柜308的表面具有安装支架304，电磁铁302与安装支架304固定连接，启动接触器分别与控制模组和电磁铁302连接，用于在控制模组的驱动下使电磁铁302通电，电磁铁302在通电时按压分闸按钮306，实现断路器分闸。

可选的，安装支架304为磁性安装支架，安装支架304通过磁力固定在开关柜308的表面。安装支架304通过磁力固定在开关柜308表面，可以避免安装支架304破坏开关柜308表面的完整性。可选的，如图3所示，安装支架304包括上侧304a、前侧304b和下侧304c，可选的，上侧304a完全覆盖开关柜308顶部，优选的，如图3所示，上侧304aX侧的长度小于开关柜308X侧的长度，上侧304aY方向的长度大于开关柜308Y方向的长度，并且上侧304a覆盖于开关柜308部分的Y方向长度等于开关柜308Y方向的长度。通过减小X方向的长度，可以节约制备安装支架304的成本以及减小安装支架304的重量，方便工作人员安装。Y方向覆盖于开关柜308的长度与开关柜Y方向的长度一致，可以保证安装支架304与开关柜308的稳定连接。可选的，下侧304c与分闸按钮306下方位置固定连接，在一个实施例中，如图3所述，下侧304c与开关柜308连接处形成矩形。将连接处设置成矩形既可以增大下侧304c与开关柜的连接面积，增大连接力，既能够防止表面安装支架304滑落，又减少了非连接处的体积，从而减少了制备安装支架304时所需的材料，节约了安装支架304的制备成本。

电磁铁302固定安装于安装支架的前侧304b，在一个实施例中，安装于前侧304b的中部。在一个实施例中，电磁铁302与安装支架前侧304b的连接点与分闸按钮306距离地面的高度一致，即电磁铁302产生垂直于分闸按钮306的推动力作用于分闸按钮306，避免因角度不垂直，而造成推动力损失，确保提供给分闸按钮306足够的推力，从而实现断路器分闸成功。

可以理解，上述安装支架304还可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要其结构能够使电磁铁302在通电时，按压分闸按钮306，使短路器分闸即可。

应解释的，电磁铁302包括线圈、铁芯和衔铁，当线圈通电后，铁芯和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁芯方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或终端供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。在一个实施例中，电磁铁302采用长行程推拉电磁铁，从而电磁铁302在通电时，能产生更大的推力和更长的动作行程，从而确保提供给分闸按钮306足够的推力，从而实现断路器分闸成功。优选的，长行程推拉电磁铁的连续推力为20N。

在本申请一个可选实施例中，开关柜为早期设计的XGN柜，应说明的XGN柜的断路器的弹簧操作机构外装于开关柜外壳前部，操作机构外部是一个防护罩，在外罩的正面有手动操作的分、合闸操作按钮，具体的，XGN柜的断路器的弹簧操作机构为CT19型弹簧操动机构。可选的，安装支架固定于断路器的CT19型弹簧操动机构的外罩上，电磁铁用于在通电时按压CT19型弹簧操动机构的分闸按钮。

在上述实施例中，按压模组包括电磁铁和启动接触器，由上述分析可知电磁铁的线圈在通电时会按压分闸按钮，那么，下述实施例将提供一种结构，能在控制模组的驱动下控制电磁铁的通断电的结构。

在本申请一个可选实施例中，启动接触器包括继电器，可选的，继电器可以为过压继电器，也可以为欠压继电器。在本申请一个可选实施例中，继电器为过压继电器，该过压继电器包括铁芯、线圈、衔铁和触点簧片等。在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合；当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。

在本申请一个可选实施例中，启动接触器包括继电器，该继电器在接收到控制模组的高电平信号时闭合，使电磁铁通电。

具体的，控制模组获取电流采集模组采集的主分闸线圈电流，在主分闸线圈电流表征断路器发生拒分故障时，输出一高电平信号至继电器，继电器闭合，电磁铁线圈电路导通，获得电流，电磁铁动作，按压分闸按钮，实现断路器分闸。过压继电器动作快、工作稳定、体积小，有利于保证在控制模组驱动下稳定闭合，实现电磁铁通电。

由上述实施例描述可知，高压断路器都具有开关辅助触电，通过开关辅助触点的分、合达到开断与关合电路的目的，即开关辅助触点可以指示断路器的分合。因此，通过检测开关辅助触点的电压状态，可以获知断路器的分合。

在本申请一个可选的实施例中，开关柜的后备分闸装置还包括电压检测模组，用于检测开关辅助触点状态。

应解释的，开关辅助触点可以为开关合闸辅助触点，也可以为开关分闸辅助触点；可以为常开触点，也可以为常闭触点。当开关辅助触点为常开的开关分闸辅助触点时，断路器未分闸，该开关辅助触点没有电压，当断路器成功分闸，该开关辅助触点具有电压。

在上述实施例中，提及在主分闸线圈电流表征该断路器发生拒分故障时驱动按压模组工作，那么，下述实施例涉及驱动模组在什么情况下才驱动按压模组工作。

在本申请一个可选实施例中，控制模组在主分闸线圈电流达到预设电流值后的第一预设时长内，若电压检测模组一直未检测到开关辅助触点断开，则驱动按压模组工作。

具体的，该开关辅助触点为常闭的开关合闸辅助触点，在断路器为合闸状态下，该开关合闸辅助触点闭合，在断路器为分闸状态下，该开关合闸辅助触点断开。在电流采集模组采集到主分闸线圈电流达到预设电流值时，即代表此时接收到分闸命令，即断路器应该实现分闸动作。第一预设时长为断路器实现分闸所必须的时间，在一个实施例中，第一预设时长包括断路器实现分闸所必须的时间以及信号传递所需的时间。第一预设时长包括断路器实现分闸所必须的时间以及信号传递所需的时间，使得控制模组不会出现在原操作机构动作的情况下，驱动按压模组工作，即不会出现误判断的情况，提高控制模组驱动按压模组工作的准确性。在一个实施例中，第一预设时长为1.1-1.3s，在一个实施例中，第一预设时长为1.2s。第一预设时长为1.2s，既能确保开关合闸辅助触点未断开是由于断路器发生了拒分故障，又能确保时间不会过长，导致发生越级跳闸事件发生。

应说明的，预设电流值小于主分闸线圈动作时的电流稳态值，一般的，当主分闸线圈两端施加的电压为110V时，主分闸线圈的稳态电流约为2A。可选的，预设电流值为0.35A以上，在一个实施例中，预设电流值为0.35A。预设电流值为0.35A保证了该电流是由于分闸命令产生，而非其他干扰引进的电流，并且避免在电流达到稳态后再进行计时。其中，计时第一预设时长，可以缩短控制模组驱动按压模组工作的时间，减少越级跳闸事件的发生。

在本申请一个可选实施例中，主分闸线圈电流达到预设电流值是指电流持续高于预设电流值的时间达到第三预设时长。可选的，第三预设时长为13ms-15ms，优选的，第三预设时长为14ms。

本实施例相对于上一实施例增加了一个控制模组驱动按压模组工作的前提条件，该前提条件为主分闸线圈电流在第三预设时长内持续高于预设电流，通过设置该前提条件，可以进一步确保主分闸线圈产生了高于预设电流值的电流，是由于分闸命令造成的，而非由于其他干扰而导致主分闸线圈产生了电流，提高了驱动按压模组工作的准确度。

由上述实施例描述可知，控制模组需要进行计时，以保证驱动按压模组工作的准确度，而为了保证控制模组能在下次断路器发生拒分故障时再次驱动按压模组工作，按压分闸按钮，实现断路器分闸，下述实施例将提供一种具有复归功能的开关柜的后备分闸装置。

在本申请一个可选的实施例中，控制模组还用于在驱动按压模组工作经过第二预设时长后，复归后备分闸装置；以及在电压检测模组检测到开关辅助触点断开第二预设时长后，复归后备分闸装置。

应解释的，复归后备分闸装置，包括将上述实施例的计时数据清除，其中计时数据包括对第一预设时长的计时、对第三预设时长的计时、在控制模组驱动按压模组工作后的计时以及在电压检测模组检测到开关辅助触点断开后的计时，使得控制模组可以重复利用上述计时单元，以便在下次断路器发生故障时，重新计时，准确驱动按压模组动作。

通过延迟第二预设时长后，再进行复归后备分闸装置，而非在驱动按压模组工作后或电压检测模组检测到开关辅助触点断开后立马进行复归，可以提高控制模组的稳定性。可选的，第二预设时长为0.4-0.6s，在其中一个实施例中，第二预设时长为0.5s。

根据上述实施例可知，控制模组需要在主分闸线圈电流表征断路器发生拒分故障时驱动按压模组工作，下述实施例将提供一种能实现上述功能的控制模组。

可选的，控制模组采用基于单片机微控制器的设计，包括电源电路、传感器接口电路、核心控制器、输出驱动和I/O接口端子。

其中，控制模组工作电源为外接AC220V交流电源，电源电路与该外接AC220交流电源连接，分别产生直流5V(DC5V)和直流24V(DC24V)内部工作电压，其中，如图4所示为交流电源与直流24V转换的电路图，图5所示为直流24V与直流5V转换的电路图。

图6所示为核心处理器的电路图，具体的，该处理器为8位处理器，有16个I/O单元，速度为16MHz，程序RAM容量为8K，数据RAM容量为1K。

图7为传感器接口的电路图，传感器接口电路连接电流采集模组与核心处理器，可选的，传感器接口电路连接直流互感器和核心处理器，用于提供高质量电压电源和良好的接地，增强直流互感器的抗干扰能力，解决直流互感器易受干扰的特性，并将采集的主分闸线圈电流传输至核心处理器。

图8a、图8b和图8c为外部接口的电路图，包括如图8a所示的分闸反馈点的电路图、如图8b所示的后备分闸输出驱动的电路图和如图8c所示的输出口的电路图。具体的，电路I/O接口端子和输出驱动用于连接电路外部反馈的断路器变位信号，即开关辅助触点的状态和驱动按压模组动作。具体的，输出接口端子2、5串接直流互感器，用于采集分闸线圈电流。

在本申请一个实施例中，如图9所示，提供了一种开关柜的后备分闸装置的控制方法，其中，后备分闸装置位于开关柜表面，该方法包括：

S902：电流采样模组采集开关柜的断路器的主分闸线圈电流。

S904：在开关柜的断路器的主分闸线圈电流表征断路器发生拒分故障时，驱动按压模组按压分闸按钮，按压模组设置于开关柜的表面。

在断路器发生拒分故障的情况下，驱动按压模组按压分闸按钮，推动操作机构机械脱扣装置，使断路器能够成功分闸，避免产生越级跳闸事件，具有较高的经济效益，并提升用户用电体验，降低由于停电造成的社会影响。

在本申请一个可选实施例中开关柜的后备分闸装置的控制方法还包括：在主分闸线圈电流达到预设电流值后的第一预设时长内，若电压检测模组一直未检测到开关辅助触点断开，则驱动按压模组工作。

具体的，该开关辅助触点为常闭的开关合闸辅助触点，在断路器为合闸状态下，该开关合闸辅助触点闭合，在断路器为分闸状态下，该开关合闸辅助触点断开。第一预设时长的定义与前述实施例的定义相同，此处不再赘述。

在本申请一个可选实施例中，开关柜的后备分闸装置的控制方法还包括：在主分闸线圈电流达到预设电流值后的第三预设时长内，若主分闸线圈电流持续高于预设电流值后的第一预设时长内，若电压检测模组一直未检测到开关辅助触点断开，则驱动按压模组工作。

其中，第三预设时长的定义与前述实施例的定义相同，此处不再赘述。

在本申请一个可选实施例中，开关柜的后备分闸装置的控制方法还包括：在驱动按压模组工作经过第二预设时长后，复归后备分闸装置；以及在电压检测模组检测到开关辅助触点断开第二预设时长后，复归后备分闸装置。

其中，第二预设时长以及复归后备分闸装置的定义与前述实施例的定义相同，此处不再赘述。

在本申请一个可选实施例中，提供了一种开关柜的后备分闸装置的控制方法，该方法包括：后备分闸装置采样原开关CT19型弹操机构主分闸线圈的电流信号，经过设定的延时后，可选的，该设定的延时为1.2s，检测断路器是否由合转分变位，如果断路器变位，则复归后备分闸装置；如果经过设定的延时后，检测不到断路器变位，则驱动启动接触器使电磁铁线圈通电，电磁铁直接按压CT19弹操机构的分闸按钮，强制分闸动作。后备分闸装置执行分闸动作后，经过0.5s后复归。

在本申请一个可选实施例中，如图10所示，提供了一种开关柜的后备分闸装置的控制方法，该方法包括：

S902:电流采样模组采集开关柜的断路器的主分闸线圈电流。

S1002:在主分闸线圈电流达到预设电流值后的第三预设时长内，若主分闸线圈电流持续高于预设电流值后的第一预设时长内，若电压检测模组一直未检测到开关辅助触点断开，则驱动按压模组工作。

S1004：在驱动按压模组工作经过第二预设时长后，复归后备分闸装置；以及在电压检测模组检测到开关辅助触点断开第二预设时长后，复归后备分闸装置。

应该理解的是，虽然图9-图10的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图9-图10中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。