一种高压断路器试验用的信号采集装置
阅读说明：本技术 一种高压断路器试验用的信号采集装置 (Signal acquisition device for high-voltage circuit breaker test ) 是由 韩德保 李彦如 柳灿丽 张军伟 张万德 高杨 张继坤 张志朋 牛雨欣 于 2020-11-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高压断路器试验用的信号采集装置,属于高压开关测试技术领域,该装置包括信号采集柜,采集柜的柜体由金属材料制成,采集柜内设置有断口信号采集板、合闸信号采集板、分闸信号采集板和行程信号采集板,将测量高压断路器的各个信号所使用的元器件集成到各自的信号采集板上,构成信号采集模块；其中,断口信号采集模块的输入端并联在高压断路器的主触头断口两端,分/合闸信号采集模块的输入端串联到断路器分/合闸线圈的控制电源回路中,行程信号采集模块的输入端用于连接固定到断路器上的行程传感器。本发明构成简单易操作,能够最大程度上避免受高压断路器试验影响,保护设备不损坏,从而提高测试效率。(The invention relates to a signal acquisition device for a high-voltage circuit breaker test, which belongs to the technical field of high-voltage switch tests and comprises a signal acquisition cabinet, wherein the cabinet body of the signal acquisition cabinet is made of metal materials, a fracture signal acquisition board, a closing signal acquisition board, a switching-off signal acquisition board and a stroke signal acquisition board are arranged in the signal acquisition cabinet, and components used for measuring each signal of a high-voltage circuit breaker are integrated on the respective signal acquisition board to form a signal acquisition module; the input end of the fracture signal acquisition module is connected in parallel with two ends of a main contact fracture of the high-voltage circuit breaker, the input end of the opening/closing signal acquisition module is connected in series with a control power supply loop of an opening/closing coil of the circuit breaker, and the input end of the stroke signal acquisition module is used for being connected with a stroke sensor fixed on the circuit breaker. The invention has simple structure and easy operation, can avoid being influenced by the test of the high-voltage circuit breaker to the maximum extent, protects the equipment from being damaged, and thus improves the test efficiency.)
技术领域
本发明属于高压开关测试技术领域，具体涉及一种高压断路器试验用的信号采集装置。
背景技术
高压断路器是电力系统中重要的保护和控制设备，是作为绝缘和灭弧的装置，对系统的安全稳定运行具有重要意义。高压断路器的分/合闸时间是衡量断路器状态的一个重要指标，也是断路器容量试验必须测量的一组参数。合闸时间是从接到合闸指令瞬间到所有极触头接触瞬间为止，分闸时间是从接到分闸指令瞬间到所有极触头分离瞬间为止。根据《GB1984-2018高压交流断路器》规定，在容量试验前应建立断路器的机械特性，即空载试验。由空载试验得到的分/合闸时间、行程曲线等参数，作为表征断路器机械性能的参考机械特性。由空载试验得到的参考机械特性处于一个稳定的状态，是顺利通过容量试验的一个必要条件，也是试验人员整定时序控制、确定燃弧时间的前提。在容量试验时也要测量分合闸时间及行程特性曲线，用于与参考机械特性对比验证，同时精准获得燃弧时间。
目前，影响高压断路器容量试验效率及产品准确评价的主要因素是容量试验前的空载试验及容量试验时准确获取断路器分、合闸时间，行程曲线等相关参数。然而国内外各个试验室面对各种各样产品时，由于各产品分/合闸线圈电阻的大小不同、行程传感器不同，导致分、合闸电流范围大，而各试验室基本是临时进行信号采集装置的搭建，各种传感器分散于电源柜及试品室，当传感器等信号采集装置的设置位置靠近某个高压断路器时，由于高压断路器进行带电试验时产生高电压、大电流、强磁场，容易损坏这些测试设备，导致经济损失，也极大地影响了试验效率，同时也产生安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压断路器试验用的信号采集装置，用于解决现有装置容易受高压断路器试验影响从而导致损坏设备及测试效率低的问题。
基于上述目的，一种高压断路器试验用的信号采集装置的技术方案如下：
包括信号采集柜，采集柜的柜体由用于屏蔽磁场的金属材料制成，采集柜内设置有断口信号采集板、合闸信号采集板、分闸信号采集板和行程信号采集板，将测量高压断路器的断口信号、合闸信号、分闸信号、行程信号所使用的元器件集成到各自的信号采集板上，构成断口信号采集模块、合闸信号采集模块、分闸信号采集模块、行程信号采集模块；
所述断口信号采集模块的输入端用于并联在高压断路器的主触头断口两端，所述合闸信号采集模块的输入端用于串联到断路器合闸线圈的控制电源回路中，所述分闸信号采集模块的输入端用于串联到断路器分闸线圈的控制电源回路中，所述行程信号采集模块的输入端用于连接固定到断路器上的行程传感器。
上述技术方案的有益效果是：
本发明提出了一种模块化的信号采集装置，也就是将断路器试验需检测的四种信号涉及的元器件，分别集成到各自的信号采集模块中，所有信号采集模块统一安装在一个能够屏蔽磁场的采集柜中，能够最大程度上避免受高压断路器试验影响，保护设备不损坏，从而提高测试效率。本发明的信号采集装置的构成简单易操作，安全可靠，能够满足高压断路器的试压需求，市场应用价值较高。
进一步的，为了避免连接线路虚接以及连接线路过长的问题，所述信号采集装置还包括有工位端子排，工位端子排的一端口连接至各信号采集模块的输入端，工位端子排的另一端口用于连接高压断路器的主触头断口两端，合闸线圈的控制电源回路，分闸线圈的控制电源回路，以及断路器上的行程传感器。
进一步的，为了解决采集装置的供电问题，所述的信号采集柜内安装有电源模块，电源模块分别供电连接各个信号采集板，用于为各信号采集模块提供工作电源。
进一步的，由于各信号采集模块的供电电源需求不同，为解决此问题，所述的电源模块为整流变换器，经过其整流变换，得到合适电源电压，用于为各个信号采集模块供电。
进一步的，由于断路器试验时其主触头会产生高电压，因此，所述的断口信号采集板上集成有光电耦合器，光电耦合器的原边用于连接高压断路器的主触头断口，光电耦合器的副边用于输出断口信号，用于进行信号的电气隔离，保护设备不受损坏。
进一步的，为实现断路器试验时合闸信号的采集，所述的合闸信号采集板上集成有电流霍尔元件和积分放大器，电流霍尔元件的采集端用于连接断路器合闸线圈的控制电源回路，电流霍尔元件的输出端连接积分放大器，积分放大器用于输出合闸信号。
进一步的，为实现断路器试验时分闸信号的采集，所述的分闸信号采集板上集成有电流霍尔元件和积分放大器，电流霍尔元件的采集端用于连接断路器分闸线圈的控制电源回路，电流霍尔元件的输出端连接积分放大器，积分放大器用于输出分闸信号。
进一步的，使用所述信号采集装置进行空载试验结束后，进行容量试验前，将断口信号采集模块与高压断路器的主触头之间的连接线断开，避免容量试验时断口信号采集模块受到损坏。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种信号采集装置示意图；
图2是本发明实施例中空载试验时信号采集装置的接线原理图；
图3是本发明实施例中的空载操作断路器分、合闸，断口及行程曲线示波图；
图4是本发明实施例中的容量试验原理图；
图5是本发明实施例中的容量试验时信号采集装置接线原理图；
图6是本发明实施例中的断路器开断试验时分、合闸及行程曲线示波图；
图4中的标号说明如下：
PT，短路变压器；MB，保护断路器；MS，合闸开关；CB，操作断路器；AB，辅助开关；TO，试品；ZN，真空开关；L，电感；R，电阻；C，电容；U，电压测量；I，电流测量；TA，罗氏线圈；TV1，阻容分压器；Gap1，Gap2，点火球；Gap3，保护球隙。
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。
本实施例提出一种高压断路器试验用的信号采集装置，包括信号采集柜，柜内设置有断口信号采集板、合闸信号采集板、分闸信号采集板和行程信号采集板，将测量高压断路器的某一信号所使用的元器件都集成到各自的信号采集板上，且四个信号采集板之间分开独立布置，互不影响。
如图1所示的信号采集柜，该采集柜的柜体由金属材料制成，例如采用铁材料、钢材料或合金材料，用于屏蔽外部磁场，避免柜内设备损坏。柜内安装有四个采集模块，四个采集模块构成分别如下：
(一)断口信号采集模块
将用于测量断口信号所使用的元器件光电耦合器等集成到断口信号采集板上，构成断口信号采集模块；该采集模块实现断口信号的采集主要是通过采集板设置的光电耦合器，光电耦合器的原边用于连接高压断路器的主触头断口，光电耦合器的副边用于输出断口信号，该光电耦合器用于将采集的断口信号进行电气隔离，同时该采集板上还集成有其他外围电路，如滤波电路等。
(二)合闸信号采集模块
将用于测量高压断路器的合闸信号的所使用的元器件电流霍尔元件、积分放大器等集成到合闸信号采集板上，构成合闸信号采集模块。其中，电流霍尔元件的采集端用于连接断路器合闸线圈的控制电源回路，以检测断路器合闸线圈的控制电源回路中的电流，电流霍尔元件的输出端连接积分放大器，用于将接收的电流进行调理，调理成合适幅值的合闸信号。
(三)分闸信号采集模块
将用于测量分闸信号所使用的元器件如电流霍尔元件、积分放大器等集成到分闸信号采集板上，构成分闸信号采集模块。其中，电流霍尔元件的采集端用于连接断路器分闸线圈的控制电源回路，以检测断路器分闸线圈的控制电源回路中的电流，电流霍尔元件的输出端连接积分放大器，用于将接收的电流进行调理，调理成合适幅值的分闸信号。
(四)行程信号采集模块
与断口信号采集模块类似，将用于测量高压断路器的行程信号所使用的元器件如光电耦合器等集成到行程信号采集板上，构成行程信号采集模块。本实施例中，行程信号采集板上集中的元器件不包括行程传感器，因为行程传感器固定在断路器上。
图1所示的信号采集柜中，还安装有电源模块，用于供电连接各采集模块，为断口信号采集模块、合闸信号采集模块、分闸信号采集模块、行程信号采集模块提供相应电压的工作电源。本实施例中的电源模块为整流变换器(AC-DC)，进行电压转换后，把220V交流电转换成±12V、±5V的直流电源，例如，为断口信号采集模块提供5V的直流电，为行程信号采集模块提供12V的直流电。
在实际布置时，信号采集柜固定在试验室的适当位置，使用双屏蔽电缆连接到试验室的试验工位端子排，通过端子排连接断路器，具体连接关系如图2所示，断口采集模块的输入端通过工位端子排并联在高压断路器的主触头断口两端，断口采集模块的输出端(即光电耦合器的输出端)通过双屏蔽电缆连接数据采集系统中的前端模块(即图2中的前端，前端模块为数据采集系统主机的一部分，本实施例不多做说明)，前端模块引出光纤，接入数据采集系统主机。
图2中，合闸采集模块的输入端通过工位端子排串联到断路器合闸线圈的控制电源回路中，合闸采集模块的输出端经过前端模块接入数据采集系统；分闸采集模块的输入端通过工位端子排串联到断路器分闸线圈的控制电源回路中，分闸采集模块的输出端经过前端模块接入数据采集系统。
本实施例中，分、合闸信号采集模块的测试电流信号范围为AC/DC:50mA-20A，经过相应的霍尔元件和积分器放大后输出峰值AC/DC:0-5V。
类似的，行程信号采集模块的输入端通过试品室工位端子排连接已经固定到断路器上的行程传感器，程信号采集模块的输出端通过双屏蔽电缆连接前端模块，由前端模块引出光纤，接入数据采集系统。
基于上述的信号采集装置进行容量试验，在容量试验开始前，按照如图2所示接入高压断路器，通过端子排将断口信号采集模块并联在高压断路器主触头断口两端；分闸信号、合闸信号采集模块串联接在断路器分、合闸线圈的控制电源回路中；行程信号采集模块接到安装在高压断路器上的行程传感器上。
一、容量试验前的空载试验如下：
当合闸控制信号发出，断路器合闸时，断路器合闸线圈带电，主触头接触，此时数据采集系统通过信号采集柜采集到合闸线圈电流信号、断口电压信号以及行程曲线信号；当分闸控制信号发出，断路器分闸时，断路器分闸线圈带电，主触头分离，此时数据采集系统通过信号采集柜采集到分闸线圈电流信号、断口电压信号以及行程曲线信号。
如图3所示为C-O空载操作的试验波形图，图中IT0c1表示合闸线圈电流，单位为A；IT0op为分闸线圈电流，单位为A；CSa为断口电压，单位为V；Tr为行程电压，单位为V。从图3中的试验波形可知，合闸线圈带电起始时刻至断口电压下降沿的时间差即为合闸时间；分闸线圈带电起始时刻至断口电压上升沿的时间差即为分闸时间；同时，根据分闸时断口电压上升沿位置在行程曲线上标记刚分点，该刚分点做为容量开断试验(即容量试验)时高压断路器的刚分点。利用此装置可以在高压断路器容量试验前，精确测量断路器的分合闸时间。
空载试验结束后容量试验前，要摘掉断口信号线，防止容量试验时断路器断口两端加载高压电，从而打坏断口信号采集模块，容量试验时信号采集装置接线原理图如图5所示。
二、容量试验如下：
图4为容量试验原理图，当合闸控制信号发出，断路器合闸时，断路器合闸线圈带电，主触头接触，此时数据采集系统通过信号采集柜采集到合闸线圈电流信号、行程曲线信号(即行程信号)，通过回路中串联的罗氏线圈TA测得开断电流；当分闸控制信号发出，断路器分闸时，断路器分闸线圈带电，主触头分离，开断电流熄灭，此时数据采集系统通过信号采集柜采集到分闸线圈电流信号、行程曲线信号，通过回路中并联的阻容分压器TV1测得电源电压。
如图6所示为高压断路器容量试验C-O操作的试验波形图，图中IT0c1表示合闸线圈电流，单位为A；IT0op为分闸线圈电流，单位为A；Ucs为电源电压，单位为kV；IT0为开断电流，单位为kA；Isyn为电压源电流，单位为kA；Tr为行程电压，单位为V。从图6中的试验波形可知，此时断口信号不再采集，所以波形图中没有断口电压曲线。合闸线圈带电起始时刻至电流起始时刻的时间差即为关合时间；分闸线圈带电起始时刻至行程曲线上标定的刚分点时刻的时间差为分闸时间；行程曲线上标定的刚分点到电流过零(即电弧熄灭)时刻的时间差即为燃弧时间。
本实施例采用端子排实现信号采集柜与高压断路器之间的连接，这样针对不同产品，不必设置接很长的电缆，连接采集柜与断路器，而是端子排与信号采集柜已经事先连接好，在有试验需求的时候，再临时连接端子排与高压短路。并且，使用端子排的好处，还在于通过端子排上的螺丝与采集柜输入端、断路器输出端的各连接线进行固定，避免因为虚接而导致的采集不到信号问题。
若不考虑连接线路过长及线路虚接问题，作为其他实施方式，还可以不设置端子排，直接让信号采集柜的输入端连接高压断路器的对应元件或回路即可。
本发明的信号采集装置的原理简单方便，易操作，且安全可靠性高，使用本发明不仅能够在空载试验及容量试验时精确测量高压断路器的分合闸时间和燃弧时间，大大提高检测效率和试验成功率，同时也确保了测量人员和测试设备的安全，降低了试验成本。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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