一种基于MEMS传感器的断路器行程监测装置及其监测方法与流程

一种基于mems传感器的断路器行程监测装置及其监测方法
技术领域
1.本发明涉及断路器在线监测技术领域，更具体地说，它涉及一种基于mems传感器的断路器行程监测装置及其监测方法。


背景技术：

2.断路器是电力系统里最主要的快速状态切换和故障隔离设备。断路器的健康状态对整个电网安全稳定运行有些非常重要的作用。
3.高压断路器大多配液压、弹簧、气动等操作机构，这类机构的分合闸脱扣电磁铁，在长期运行中常发生弯曲变形、锈涩或脏污粘滞使电磁铁动作不畅而导致断路器拒动；切断短路电流、振动等导致机构变形，弹簧特性变化，导致分合闸时间过短或过长，不同期等。
4.断路器机械特性在线监测一般进行线圈电流特征和行程动作特征监测。传统的断路器在线监测以分、合闸线圈电流监测为主，可以比较准确地监测断路器的分闸时间，以及分合闸线圈的工作状态，但是不能直观地监测主触头的动作速度和压缩行程等重要参数。目前使用的断路器触头行程监测手段以激光测距传感器(如图3)、直线位移传感器(如图4)和角位移传感器(如图5)为主，其中，激光传感器非常精密，现场的振动和灰尘会降低传感器使用寿命，甚至让传感器失效，且安装要求高，需要现场调试。直线传移传感器固定困难，需要在现有机构上开孔，影响断路器结构性能。角位移传感器需要在断路器轴上开孔，以固定角位移传感器，且需要尽量保证角位移传感器、拐臂轴及加装的测量轴同心。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于mems传感器的断路器行程监测装置及其监测方法，通过采用体积较小的mems传感器进行断路器行程监测，并利用调节旋钮和固定带，将mems传感器固定在断路器的绝缘拉杆上，达到便于快速安装mems传感器，且提高mems传感器固定可靠性、测量数据可靠性的目的。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种基于mems传感器的断路器行程监测装置，包括：mems传感器，所述mems传感器用于监测断路器行程数据；固定件，所述固定件包括调节旋钮和固定带；其中，所述固定带上设置有mems传感器，用于绕待测断路器的绝缘拉杆形成闭环结构；所述调节旋钮设置于固定带上，用于调节闭环结构的大小。
8.进一步的，所述固定带上套设有用于内侧与断路器绝缘拉杆贴合的第一柔性垫。
9.进一步的，所述固定带上设置有安装盒；所述mems传感器固定于安装盒内。
10.进一步的，所述固定带上套设有外侧与固定盒连接的第二柔性垫。
11.一种基于mems传感器的断路器行程监测方法，利用所述的基于mems传感器的断路器行程监测装置进行断路器行程监测，包括以下步骤：
12.获取断路器上mems传感器的加速度初值以及mems传感器在断路器开关触头动作周期内采集到的各个时刻的加速度值；
13.对动作周期内加速度值进行清洗处理，得到清洗后的加速度值以及与清洗后的加速度值对应的清洗后的时刻；
14.基于加速度初值、清洗后的加速度值和清洗后的时刻，构建mems传感器加速度变化曲线；
15.基于mems传感器加速度变化曲线，得到断路器行程结果。
16.进一步的，所述断路器上mems传感器的加速度初值的获取过程具体为：
17.获取mems传感器采集于断路器开关触头通断前预设时间内，采集到的加速度值；
18.将采集到的加速度值进行突变滤波处理后，得到mems传感器的加速度。
19.进一步的，对辅助开关的动作信号、线圈电流录波值和加速度突变值，进行计算处理，得到预设时间。
20.进一步的，清洗处理的过程具体为：
21.基于动作周期内采集到的各个时刻的加速度值，构建动作周期
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加速度曲线；
22.将动作周期
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加速度曲线中的奇异点与基准数据进行对比，得到动作周期
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加速度曲线中奇异点的变化特性；
23.基于动作周期
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加速度曲线中奇异点的变化特性，构建噪声模型；
24.基于噪声模型对动作周期
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加速度曲线中的异常测量值进行清洗处理，得到清洗后的加速度值以及与清洗后的加速度值对应的清洗后的时刻。
25.进一步的，所述奇异点包括断路器开关触头合闸动作刚合时刻冲击和断路器开关触头动作时振动量产生的异常值。
26.进一步的，基于清洗后的加速度值以及与清洗后的加速度值对应的清洗后的时刻与基准数据的对比结果，调整卡尔曼滤波算法参数，并构建mems传感器加速度变化曲线。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.一种基于mems传感器的断路器行程监测装置，包括：mems传感器和固定件，将mems传感器固定在固定带上后，将固定带绕在断路器绝缘拉杆上，并通过调节旋钮将该固定带套紧在绝缘拉杆上。通过该结构，达到便于快速安装mems传感器，且提高mems传感器固定可靠性、测量数据可靠性的目的。
附图说明
29.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
30.图1为本实施例一种基于mems传感器的断路器行程监测装置剖视结构示意图；
31.图2为本实施例一种基于mems传感器的断路器行程监测装置前视结构示意图；
32.图3为现有技术中激光测距传感器监测断路器触头行程结构示意图；
33.图4为现有技术中直线位移传感器监测断路器触头行程结构示意图；
34.图5为现有技术中角位移传感器监测断路器触头行程结构示意图。
35.附图中标记及对应的零部件名称：
36.1-固定带；2-第一柔性垫；3-第二柔性垫；4-安装盒；5-mems传感器；6-调节旋钮。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
38.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.实施例：
41.目前使用的断路器触头行程监测手段以激光测距传感器(如图1)、直线位移传感器(如图2)和角位移传感器(如图3)
42.其中，激光测距传感器，采用激光三角反射式原理的一种激光测距传感器，测量精度可以到10um，但是一般量程较短，量程在数厘米到数十厘米，可以满足行程从小于1厘米中压真空断路器到几十厘米高压少油断路器的行程监测。半导体激光器被片聚焦至物体，反射光被片收集，投射到ccd阵列上。信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物体的距离。光发射器通过头将可见红色光射向物体表面，经物体反射的激光通接受器镜头，被内部的ccd线性相机接受，根据不同的距，ccd线性相机可以在不同的角度下“看见”个光点。根据这个角度即可知的光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计篡出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗囗内，按比例输出标准数据号。
43.该方式存在以下问题：(1)因断路器动作时间短，一般在100ms以内，快速断路器则在20ms以内，需要高刷新率激光传感器，成本非常高，一般要数万元，成本过高，无法推广应用。(2)激光传感器非常精密，现场的振动和灰尘会降低传感器使用寿命，甚至让传感器失效。(3)激光传感器对安装要求高，需要现场调试。
44.位移传感器用于高压断路器机械特性测量，可通过测量动测头与静测头之间的距离，判断断路器的开合状态，并计算出动测头的速度与位移。直线位移传感器或者拉杆式lvdt位移传感器具有很好的动态响应特性，比较适合高压断路器高速位移测量。电位计原理直线位移传感器因为成本低，在高压断路器测试仪中应用更为广泛。传感器安装使用过程中应规范操作，测杆与断路器动测头可靠地固定在一起，当动测头运动时与传感器测杆之间不能有相对晃动，否则可致使测量数据误差增大。该方式存在以下问题：(1)现场断路器机构空间陕窄，大多无足够的安装直线位移传感器的空间。(2)直线传移传感器固定困难，需要在现有机构上开孔，影响断路器结构性能。(3)各种断路器型号不一样，轴尺寸各不一样，安装固定附件需要定制。
45.直线位移传感器，除了通过直线位移传感器直接测试断路器与触头相连轴的位置变化，还可以通过角位移传感器传动轴转过的角度来间接测量断路器触头位置变化。断路器触头轴的运动轨迹与拐臂轴转过的角度有一定的对应关系，通过测量拐臂轴的转动角
度，可以基本实现直线位移传感器的所有监测功能。该方式存在以下问题：(1)安装的空间虽然较直线位移传感器小，但是仍然存在安装空间有限的问题。(2)需要在断路器轴上开孔，而且需要固定角位移传感器，且需要尽量保证角位移传感器、拐臂轴及加装的测量轴同心。(3)断路器一般有多级曲轴，拐臂轴转过的角度和触头行程是非线性对应关系，较难校验对应系数，计算有误差。
46.为了解决上现有技术中的技术问题，本实施例提供一种基于mems传感器的断路器行程监测装置及其监测方法。
47.一种基于mems传感器5的断路器行程监测装置，包括：mems传感器5，所述mems传感器5用于监测断路器行程数据；固定件，所述固定件包括调节旋钮6和固定带1；其中，所述固定带1上设置有mems传感器5，用于绕待测断路器的绝缘拉杆形成闭环结构；所述调节旋钮6设置于固定带1上，用于调节闭环结构的大小。所述固定带1上套设有用于内侧与断路器绝缘拉杆贴合的第一柔性垫2。所述固定带1上设置有安装盒4；所述mems传感器5固定于安装盒4内。所述固定带1上套设有外侧与固定盒连接的第二柔性垫3。
48.第一柔性垫2和第二柔性垫3中部设置有穿孔，固定带1穿设在该穿孔内，该固定带1可以选择为不锈钢抱箍扎带。第一柔性垫2、第二柔性垫3与固定带1间采用紧配合，当固定带1拉紧后，第一柔性垫2和第二柔性垫3变形后将对绝缘拉杆产生挤压力，同时让防滑件与轴产生较大的摩擦力。mems传感器5的尺寸小，重量轻，可以减小传感器和绝缘拉杆间产生相对运行的几率，达到提高mems传感器5监测结果可靠性的目的。同时，第一柔性垫2和第二柔性垫3与绝缘拉杆贴合，可减小mems传感器5脱落后或者移位松动阻碍断路器动作的可能性。第二柔性垫3的底部通过沉头螺丝连接有安装盒4，mems传感器5安装在安装盒4内，mems传感器5采用芯片大小的传感器，传感器盒整体尺寸可以做到25mm*25mm*8mm，提高了mems传感器5在空间受限的断路器内安装的方便性。
49.一种基于mems传感器的断路器行程监测方法，利用所述的基于mems传感器的断路器行程监测装置进行断路器行程监测，包括以下步骤：获取断路器上mems传感器的加速度初值以及mems传感器在断路器开关触头动作周期内采集到的各个时刻的加速度值；对动作周期内加速度值进行清洗处理，得到清洗后的加速度值以及与清洗后的加速度值对应的清洗后的时刻；
50.基于加速度初值、清洗后的加速度值和清洗后的时刻，构建mems传感器加速度变化曲线；基于mems传感器加速度变化曲线，得到断路器行程结果。所述断路器上mems传感器的加速度初值的获取过程具体为：获取mems传感器采集于断路器开关触头通断前预设时间内，采集到的加速度值；将采集到的加速度值进行突变滤波处理后，得到mems传感器的加速度。对辅助开关的动作信号、线圈电流录波值和加速度突变值，进行计算处理，得到预设时间。清洗处理的过程具体为：基于动作周期内采集到的各个时刻的加速度值，构建动作周期
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加速度曲线；将动作周期
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加速度曲线中的奇异点与基准数据进行对比，得到动作周期
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加速度曲线中奇异点的变化特性；基于动作周期
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加速度曲线中奇异点的变化特性，构建噪声模型；基于噪声模型对动作周期
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加速度曲线中的异常测量值进行清洗处理，得到清洗后的加速度值以及与清洗后的加速度值对应的清洗后的时刻。所述奇异点包括断路器开关触头合闸动作刚合时刻冲击和断路器开关触头动作时振动量产生的异常值。基于清洗后的加速度值以及与清洗后的加速度值对应的清洗后的时刻与基准数据的对比结果，调
整卡尔曼滤波算法参数，并构建mems传感器加速度变化曲线。
51.具体地：通过mems传感器采集的数据进行分析，提取常见噪声模型，主动滤除常见异常数据，实现异常点自动剔除和填充，防止测量异常数据影响整体计算结果。
52.mems传感器为加速度传感器，通过mems传感器测量，不管断路器开关是否动作，开关均有一定幅度的振动，同时分合闸继电器动作也会导致测量点产生一定幅度的振动，同时因安装后传感器的姿态和重力原因，安装海拔高度不同，传感器是有一定初始加速度的，并且此初值还不一定相同。因此，通过开关辅助位置动作信号，线圈电流录波值和加速度突变值，计算加速度计算预设时间为3ms，并将断路器开关触头通断前3ms作为触头行程动作开始点和将加速度计算起点，mems传感器采集断路器开关触头动作前加速度的数据，并对该加速度的数据去突变滤波处理后，计算出传感器的初始值。
53.动作后，因开关型号不一样，开关触头动作加速度度曲线是不一样的，同时开关结构原因会导致开关动作时产生各个方向的振动量，通过对不同型号，特别是不同工作原理，通过高精度直线位移传感器，进行对比测试和数据标定、校正，以提高测量精度。断路器动作时，脱扣机构动作，储能弹簧释放，另一根储能弹簧压缩，开关合闸动作刚合时刻冲击等情况都会导致测量值出现较大波动(这些情况有动作时间短，因此可采取策略滤除)，而且在积分计算过程中导致误差累计，通过分析这些情况下的振动，并通过与高精度直线位移传感器测量数据对比，找出这些常见情况下的奇异点的特性，提取奇异点的噪声模型。对这些特征过程中的加速度和计算速度、计算位移，通过平均滤波，去除突变量方式，消除异常影响。
54.传感器受外部环境影响，传感器自身特性以及供电质量等因素影响，不可避免地会产生异常数据，这些异常数据通常带有白噪声的特点，而mems加速度传感器输出值为加速度，动作值变化幅度大，常规滤波算法很难去掉异常数据，反而因积分原因易造成更大的计算偏差。对比高精度的直线位移传感器输出结果，调整卡尔曼滤波计算参数，达到提高测量数据有效性和精度，进而提高测量准确性的目的。
55.本实施例提供的一种基于mems传感器的断路器行程监测装置及其监测方法，与现有技术相比，存在以下有益效果：
①
通过mems传感器，实现传感器极小化，实现有限空间可靠安装，同时不用同时连接固定件和运动件，减少安装难度。
②
固定带和调节旋钮，实现快速安装。
③
通过历史数据整理奇异点滤波算法和卡尔曼滤波算法，提高测量数据有效性和精度，提高测量准确性。
④
在实际现场使用方法便捷，提高了工作效率。
56.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。