一种基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估系统

技术领域

本申请涉及电力设备状态检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估系统。

背景技术

隔离开关是使用量最大、应用范围最广泛的高压开关设备。由于一般高压隔离开关的运行寿命都在十年以上，年数过长维护不及时导致设备的老化速度加快，静触头压紧弹簧的夹紧力变差。弹簧夹紧力的不达标，造成部分静触头无法接触动触头。当隔离开关在工作位置时，动触头插接到圆柱型的静触头上，由于触头接触压力不足，弹簧长时间处于压紧状态会产生疲劳，并慢慢失去弹性。因弹簧疲劳等原因造成触头的接触压力减小，触头部分接触电阻增大，温度升高，从而引起发热严重。接触压力的减小将使回路电阻增大，使发热进一步增加，弹簧弹力进一步减小，从而形成恶性循环。严重时，将造成触头烧损、引发故障停电，给电力系统的安全运行造成巨大威胁。因此如何对弹簧疲劳实现在线监测成为一个亟待解决的问题。

目前，隔离开关触头接触压力监测装置主要利用一种模拟合闸式隔离开关夹紧力测试装置，该装置的原理是制作安装压力传感器的模拟触头，在隔离开关分闸时，模拟合闸状态，测量触指的夹紧力。其中的核心元件为电阻应变式传感器，电阻应变片将弹性体受力产生的形变转换成自身电阻值的变化，再通过测量电路转化为电压变化，从而计算出力的大小。当前的测试方法有以下几个问题：(1)该装置需要在高压隔离开关分闸时进行测量，无法实现对隔离开关夹紧力的在线监测；(2)传感器模块本身具备一定厚度，影响了测量的精度；(3)动触头与静触头接触时，其承受的接触压力不足以让动触头产生明显形变，造成压力传感器测力不准。

发明内容

本申请旨在解决上述背景中所提出的问题，提供了基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估系统，以实现触头接触压力的在线监测，从而能实时掌控触头的接触状态，达到提升隔离开关运行可靠性的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估系统，包括压力传感器、采集器、显示终端；

所述压力传感器包括柔性膜挤压式压力传感器、电压采集模块；所述采集器包括主MCU、感应取电模块、信号放大模块、模数转换模块、无线发射模块、Wifi模块、数据库；

所述显示终端包括无线接收模块、数模转换模块、主控制模块、显示屏、数据存储模块和电源模块。

作为本发明的进一步方案，所述压力传感器包括电阻应变片、超弹性弹性体和四个引脚，其中，四个引脚分别为第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚；

所述压力传感器嵌入静触头靠近动触头一侧开槽中；

所述电阻应变片表面印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的超弹性纳材料，使其实现对压力的高灵敏度检测；所述第一引脚与第二引脚与主MCU连接；

所述第三引脚与第四引脚与采集器连接。

作为本发明的进一步方案，所述压力传感器所使用的超弹性材料为704液态硅橡胶，与电阻应变片完美粘接。

作为本发明的进一步方案，在电阻应变片下部嵌入了一个刚度和硬度远大于柔性弹性体的硬质圆片，增大弹性体的拉伸应变。

作为本发明的进一步方案，所述压力传感器的电压采集模块和柔性膜挤压式压力传感器以及无线发射模块集成到同一模块上，简化了接口电路。

作为本发明的进一步方案，所述主MCU应为超低功耗单片机。

作为本发明的进一步方案，所述感应取电模块包括感应线圈、整流滤波电路、上电复位电路、稳压保护电路、DC/DC模块电路，感应线圈通过感应电磁能量转化为电能，实现主MCU复位起动和电路上电的功能。

作为本发明的进一步方案，采集器内的WIFI模块附近尽量少放置器件，防止干扰，空白处采用覆铜接地增强抗干扰能力。

作为本发明的进一步方案，所述数据库包括实时压力、历史压力、电压采样数据、基本信息数据、专家数据库、压变案例数据库。

作为本发明的进一步方案，所述采集器的信号放大模块的输入端与第三引脚和第四引脚连接；

所述信号放大模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接无线发射模块的输入端，无线发射模块通过4G或5G网络将采集到的数据发送出去；

作为本发明的进一步方案，所述显示终端的无线接收模块的输入端接收采集器的无线发射模块发来的信号，无线接收模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端连接主控制模块；

主控制模块分别于数模转换模块、和数据存储模块相连；

电源模块分别与无线接收模块、数模转换模块、主控制模块、数据存储模块电连接，为各模块供电。

作为本发明的进一步方案，所述主MCU内置压变预警判别算法和压变预测算法。

更进一步地所述压变预警判别算法为压变预警综合判断方法具体是指单点告警法，所述单点告警法包括低压告警、压变越限告警、压力失衡告警。所述低压告警为所述压力传感器采集的触头设备测压点压力经过算法计算得到的插拔力f，低于设定最大阈值10％(插拔力

更进一步地所述压变预测算法将所述压力传感器采集的触头设备测压点压力、以及电压采集模块的采样电压作为输入量，结合材料压变、时间参数得到压变预测模型，将压力变化趋势作为输出量得到每一测压点理论压变值。

本发明与现有产品相比的有益效果主要表现在以下方面：

1、本发明提供了基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估方法，能够实时监测触头接触压力的大小。2.压力传感器完全贴合在开槽中，且耐高温、绝缘性能好，适应隔离开关内的高温高压环境。3.开槽仅2mm，静触头在承受接触压力时压力传感器收到明显的压变信号，对回路电阻的影响很小，不会增加触头发热量。4.采集器就地采集数据，然后通过无线传输方式将信号传递给显示终端，避免了有线传输方式在隔离开关内造成“爬电”的可能。5.显示终端能够分析、显示各个数据采集器发送来的数据。运维人员能够实时掌控触头的接触状态，从而避免严重缺陷或故障的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的压力传感器平面示意图；

图3为本申请实施例提供的压力传感器内部结构示意图；

图4为本申请实施例提供的采集器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的显示终端的结构示意图。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参阅图1基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估系统包括：压力传感器1、采集器2和显示终端(图中未示出)。

其中，所述压力传感器1包括柔性膜挤压式压力传感器和电压采集模块。

所述采集器2包括主微控制器单元(Microcontroller Unit，MCU)、感应取电模块、信号放大模块、模数转换模块、无线发射模块、WiFi(无线保真)模块和数据库。采集器中部分模块的结构关系可以如图4所示。

所述显示终端包括无线接收模块、数模转换模块、主控制模块、显示屏、数据存储模块和电源模块。显示终端中各个模块的结构关系可以参见图5所示，其中，电源模块至少与主控制模块相连，还可以与显示终端中其余各个模块相连，以实现为各个模块供电。

在一种实现方式中，感应取电模块为该压力传感器和采集器供电。

作为本发明的进一步方案，所述压力传感器的电压采集模块和柔性膜挤压式压力传感器以及无线发射模块集成到同一模块上，简化了接口电路。

作为本发明的进一步方案，所述主MCU应为超低功耗单片机。

作为本发明的进一步方案，所述感应取电模块包括感应线圈、整流滤波电路、上电复位电路、稳压保护电路、DC/DC模块电路，感应线圈通过感应电磁能量转化为电能，实现主MCU复位起动和电路上电的功能。

作为本发明的进一步方案，所述数据库包括实时压力、历史压力、电压采样数据、基本信息数据、专家数据库、压变案例数据库。

作为本发明的进一步方案，所述显示终端的无线接收模块的输入端接收采集器的无线发射模块发来的信号，无线接收模块的输出端连接数模转换模块的输入端，数模转换模块的输出端连接主控制模块；

主控制模块分别与数模转换模块和数据存储模块相连；

电源模块分别与无线接收模块、数模转换模块、主控制模块、数据存储模块电连接，并为各模块供电。

参阅图2其示出了压力传感器的平面示意图。

所述压力传感器包括主传感器和四个引脚，为了便于区分，依次将这四个引脚称为第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚。

结合图1，所述压力传感器嵌入隔离开关的静触头7靠近动触头一侧的开槽中；所述第一引脚9与第二引脚10通过槽14与主MCU连接，用来实现压力传感器的供电；所述第三引脚11与第四引脚12通过槽14与采集器连接，用来实现传感器数据的收集。

作为本发明的进一步方案，所述采集器的信号放大模块的输入端与第三引脚11和第四引脚12连接。

其中，所述信号放大模块的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接无线发射模块的输入端，无线发射模块通过4G或5G网络将采集到的数据发送出去。

参阅图3，其示出了压力传感器的内部结构示意图。

由图3可以看出，所述压力传感器1内部包括电阻应变片4、超弹性弹性体5和硬质圆片6。

电阻应变片4表面印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的超弹性纳材料，使其实现对压力的高灵敏度检测。其中，当均布载荷作用时，靠近硬质圆片6边缘的变形不均匀，硬质圆片区域柔性材料的垂直变形小，大于硬质圆片直径区域则垂直变形大，会在硬质圆片边缘附近产生拉应变。若在该位置放置电阻应变片，且敏感丝栅方向于拉应变方向相同，电阻应变片即可测量出拉伸应变的大小，从而可以测量出挤压力的大小。

作为本发明的进一步方案，所述压力传感器所使用的超弹性材料为704液态硅橡胶，与电阻应变片完美粘接。

作为本发明的进一步方案，在该电阻应变片下部嵌入了一个刚度和硬度远大于柔性弹性体的硬质圆片，增大弹性体的拉伸应变。

结合图1，所述压力传感器1分别固定于隔离开关内动触头8表面，并设置不同ID以区分不同位置，所述压力传感器1的压力采样使用柔性膜挤压式压力传感器，通过模数转换模块将模拟量转换为数字量供单片机读取，采用柔性膜挤压式压力传感器大大减小了测压模块的体积，降低功耗同时增强了抗干扰能力；感应取电模块采用感应线圈13取电，直接感应电磁能量获取电能，经过滤波、整流、稳压电路对无线MCU进行复位启动以及供电；无线MCU为超低功耗单片机；无线发射模块附近尽量减少器件放置，并采用覆铜接地处理增强抗干扰能力。

所述采集器2的无线接收模块进行压力传感器1的电力设备测压点压力以及电压数据的接受；数据库包括实时压力、历史压力、电压采样数据、基本信息数据、专家数据库、压变案例数据库的储存；WiFi模块用来将实时数据传输给显示终端，便于工作人员对压力的实时监测以及故障的及时排除。

作为本发明的进一步方案，所述压变预警判别算法和压变预测算法嵌入在所述采集器中。

具体的，所述主MCU内置压变预警判别算法和压变预测算法。

该压变预测算法为：将工作电压和触头设备测压点插拔力作为输入量而得到的压变预测模型预测压变趋势并判断未来故障发生可能性的压变预测算法。

更进一步地，所述压变预警判别算法为压变预警综合判断方法，具体是指单点告警法，所述单点告警法包括低压告警、压变越限告警、压力失衡告警。所述低压告警为所述压力传感器采集的触头设备测压点压力经过算法计算得到的插拔力f，低于设定最大阈值10％(插拔力

所述基于触头压力的弹簧疲劳在线监测及评估的工作过程为：所述压力传感器1分别固定于隔离开关内动触头表面，并设置不同ID以区分不同位置，所述压力传感器1的压力采样使用柔性膜挤压式压力传感器，当均布载荷作用时，靠近硬质圆片边缘的变形不均匀，圆片区域柔性材料的垂直变形小，大于圆片直径区域则垂直变形大，会在硬质圆片边缘附近产生拉应变。该位置放置电阻应变片，且敏感丝栅方向于拉应变方向相同，电阻应变片即可测量出拉伸应变的大小，从而可以测量出挤压力的大小；感应取电模块采用感应线圈13取电，直接感应电磁能量获取电能，经过滤波、整流、稳压电路对无线MCU进行复位启动以及供电，当储能电压达到复位芯片阈值电压时，复位芯片导通，主MCU复位起动，单片机即开始进行压力、电压信号采样,采样数据经过主MCU的AD转换电路将模拟信号转换为单片机能识别的数字信号，MCU根据接收到的工作电压和设备测压点进行压变预警判别，经过内置的单点告警法算法处理，最后通过工作电压和触头设备测压点压力数据作为输入量得到的压变预测模型进行压变趋势预测，进行未来故障发生可能性的判断，进一步提高保护能力，同时测压点压变以及电压数据信息以及告警预测信息将通过无线发射模块发送到显示终端，显示终端通过无线接受模块进行数据接收，实现对触头接触压力的在线监测，便于工作人员对隔离开关状态的实时监测，及时发现排除故障。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。同时，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。