[发明专利]基于加速度传感器的断路器振动监测系统及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种断路器振动监测系统及其监测方法，具体涉及一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统及其监测方法。

背景技术

高压断路器作为电力系统中发、输、配电环节中的最为重要的设备，它运行的可靠性对于确保电力系统的安全稳定运行具有至关重要的作用。根据CIGRE与中国电科院的调研结果，机械故障占开关设备故障的近37%，因此对开关设备进行机械故障监测显得极为必要。断路器机械状态在线监测所获得的各类信号里，振动信号所反映的设备运行状态信息的信息量最大，近年来很多学者都在从事从断路器动作时产生的振动信号中提取出有用特征信息的研究，并将其用作断路器机械故障诊断数据样本的来源。断路器机械状态的改变导致振动信号的相应变化，尤其是分、合闸操作时，机构会强烈振动，这是利用振动信号作为故障诊断依据的理论基础。另外，振动信号监测方法是非侵入式的测量方法，不改变高压断路器的内部结构，不影响设备的正常运行。

振动信号是一系列加速度信号的叠加，所以，利用加速度传感器便可以测量断路器的振动信号。目前，常用的加速度传感器有压电式、压阻式、磁电式几种。压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。压电式加速度传感器结构简单、牢固、体积小、重量轻，加速度测量范围广、具有较强的抗外磁场干扰能力，但它只适合测量高频变化量，且对后续的信号调理电路要求较高。上述两种加速度传感器均采用有线方式与后续处理电路相连，在现场应用中（尤其是开关设备动作时）信号传输线会受到外界电磁干扰，影响测量精度。

无线无源声表面波加速度传感器采用无线通信方式传输测量信息，绝缘性好，不存在供电的安全隐患及更换电池的问题，无需后期的工程维护。同时传感器的谐振频率随温度漂移的线性度比较好，容易实现温度补偿。此外，无源声表面波加速度传感器实现了固态化，直接输出频率信号，精度高，灵敏度高，特别是它采用了半导体平面工艺制作，便于批量生产，可靠性、一致性很好，因此，它代表了加速度传感器的发展方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，另一目的是提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测方法，本发明以无线无源声表面波传感测量技术为核心，利用阅读器采集安装在断路器多个位置的谐振式无源声表面波加速度传感器输出的无线信号，通过计算分析得到断路器的振动信息。所用的加速度传感器具有纯无源、免维护、安全可靠、便于安装等特点。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，其改进之处在于，所述系统包括加速度传感器、断路器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机；所述加速度传感器安装在断路器振动源外表面；所述阅读器安装在距离加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装在阅读器表面；所述开关量状态传感器安装在断路器上；所述阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信；

所述阅读器的微控制器采用STM32F407芯片、射频收发器采用XE1203F芯片以及单刀双掷射频开关采用AS177芯片；所述半导体温度传感器采用DS18B20芯片。

进一步地，所述加速度传感器为谐振型无线无源声表面波加速度传感器，断路器的振动源包括灭弧室外的绝缘套筒的垂直方向、操动机构垂直方向和弹簧机构的缓冲器；所述谐振型无线无源声表面波加速度传感器包括悬臂梁、声表面波谐振器、阻抗匹配网络和天线，所述声表面波谐振器镶嵌在悬臂梁的梁臂上；其中声表面波谐振器包括基底、设置在基底上的叉指换能器IDT及叉指换能器IDT两侧的反射栅；

所述基底的材料选用石英晶体；悬臂梁为矩形截面，在其末端设置有质量块；所述叉指换能器IDT相连的阻抗匹配网络和天线实现声表面波与电磁波的转换；在叉指换能器IDT两侧排列着反射栅阵列，形成声学谐振腔，即声表面波谐振器。

进一步地，所述阅读器通过无线方式获取谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射的射频信号，阅读器的上行通信接口将采集到的振动信息传输到上位机；

所述阅读器包括天线、单刀双掷射频开关、射频收发器、微控制器、上行通信接口和开关量输入接口；

所述天线、单刀双掷射频开关、射频收发器和微控制器依次连接；

所述开关量输入接口与微控制器连接；

所述上行通信接口与所述微控制器连接。

进一步地，所述射频收发器的无线发送、接收端口均通过单刀双掷射频开关与天线连接；