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大电流真空断路器健康度在线监测系统的研究Contents研究背景1.2.真空度在线监测实现方法3.真空断路器在线监测设备实例4.主要技术内容真空断路器在线监测的背景90年代，美国、日本开始研究断路器的在线监测，美国学者率先给断路器寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电寿命”的概念，“全工况跳合闸完整性监视”的概念也是同期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器的状态检修进行的。随着研究的深入，美国日本都先后生产了自己的断路器在线监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行检测的问题，检测结果的实用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。现在有一些真空在线监测设施已投入测试运行，但由于恶劣的电磁环境和昂贵的传感器成本，且监测设备测量的灵敏度、精确度和可信度很难满足现场实际要求。一、研究背景主要技术内容二、主要技术内容对真空断路器健康度特性进行研究，其研究内容包括：(1)机械性能在线监测研究(2)触头电磨损在线监测研究(3)真空度在线监测研究(4)真空断路器健康度在线监测硬件系统设计(5)真空断路器健康度在线监测软件系统设计机械性能在线监测（1）机械性能在线监测研究国际大电网会议对断路器可靠性所做的两次世界范围的调查，以及我国电力科学院对高压开关事故的统计分析均表明:断路器大多数故障(主要故障的70%和次要故障的86%)是发生在机械机构，主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等。真空断路器的可靠性很大程度上取决于其机械操纵机构的可靠性。机械性能在线监测主要机械性能参数真空断路器的机械特性主要包括:分(合)闸时间、触头行程、开距、超行程、分(合)闸不同期、分(合)闸平均速度、刚分(合)速度、分(合)闸最大速度、触头合闸弹跳时间、触头分闸反弹幅值等。真空断路器的机械特性参数是保证断路器正常工作的重要依据，从真空断路器动触头的行程一时间曲线、分(合)闸线圈电流一时间曲线以及结合刚合、刚分位置信号可以确定机械特性参数。真空断路器机械特性的监测主要反映在对动触头行程特性、分(合)闸线圈电流的监测。机械性能在线监测传感器的选择(1)分、合闸线圈电流信号检测分、合闸线圈电流信号既有直流信号，又有交流信号，而且测量要求实时性很高，因此，选用近几年应用广泛的磁平衡式霍尔电流传感器作为分、合闸线圈电流信号的在线监测器件，其精度高，线性度、动态特性和电气性能好，工作频带宽，而且体积小，分、合闸线圈回路穿心而过，不会对VCB的主系统的正常运行造成影响。(2)动触头行程信号的监测目前，国内在线型监测采集速度行程信号主要有以下2种方法:①采用位移传感器测量动态位移量;②靠测量合、分操作过程中机械振动波来分析高压断路器操作机构性能。对于不同结构及不同等级的VCB，两种方法各有优、缺点。触头电磨损在线监测研究（2）触头电磨损在线监测研究与上个项目类似触头的磨损量以触头重量的减少表示，常以每库仑多少克的损失量(g/q)来表示触头耐电侵蚀的性能。在触头电磨损的监测方面，以往对电磨损的监测是以记录累计开断电流或累计电弧能量为依据的。事实上，同一断路器在同样的外部条件下先后两次开断同样大小的电流值，其烧损程度也不可能相同，而且，开断电流相差很大时，断路器触头的烧损机理不同，烧损相差更大。因此，用累计开断电流来判断触头烧损量是不够的;另外电磨损虽然取决于电弧能量，但还与触头分断速度等有关，且电磨损与电弧能量没有比例关系。因此要对断路器触头电磨损、电寿命监测作进一步研究。触头电磨损在线监测研究有文献提出采用触头累积磨损量作为判断电寿命依据的断路器触头电寿命监测和诊断方法。设额定短路开断电流下单次开断的绝对电磨损为M，对应的允许开断次数为N，从统计平均和累计效应，可认为该断路器的允许磨损总量为MN，则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N(定义为QM)。或者说定义一台全新的断路器的触头允许磨损总量为100%，即其相对电寿命为100%，然后根据不同断路器的N-Ib曲线可求得任意大小开断电流几对应的等效开断次数，则其对应的单次开断的相对电磨损为1/N1(定义为Qm)，对应的单次开断的绝对电磨损为m。触头电磨损在线监测研究在线监测真空度的重要意义（3）真空度在线监测研究真空断路器的核心是真空灭弧室，真空度是真空灭弧室内的重要参数之一。真空度低劣的真空灭弧室不能开断短路电流，甚至不能开断负荷电流。尽管现代电真空技术已能保证它们有10年乃至20年的真空寿命，但真空状况不能像SF6或油介质那样在运行中可直接进行检漏。故人们不仅希望在灭弧室出厂前能准确地测出其真空度，算出真空寿命，而且还希望能在使用过程中实现真空度的现场测试和在线检测。为了在电力部门推广从定期维修制过渡到更合理的状态维修制，就必须革新在线检测及诊断技术。这就意味着要在不改动断路器主体结构以及运行状态的前提下随时监测其真空度的变化。目前国内外还没有研究得出一种公认的特别实用的断路器真空度在线检测方法和设备，故开展这方面的试验和机理研究具有重要意义。灭弧室的基本构造灭弧室的基本构造真空度的在线监测方法三、真空度在线监测方法：超声波法：当真空度恶化到一定程度时，会发生电极对屏蔽罩放电，此放电电弧伴随着声发射现象。通过实时监测是否有声发射现象，可大致判断气体压力状况。目前不能定量分析。电光变换法：用Pockels电场探头探测屏蔽罩外的电场变化。当真空度降低时，屏蔽罩外的电场会明显降低。通过Pockels传送到二极管中的光量会改变，从而可获得电压变化的信息。主要问题：光纤设备，温度特性比较差，不易于安装使用。对探头质量要求高。耦合电容法：在真空度降低时，发生局部放电，从而引起电荷在探测电极和耦合电容组成的回路中重新分布。从而在两个电容间会出现脉冲电流。主要问题：准确性问题。脉冲电流法：基于局部放电。通过安装在静触头导电杆上的带铁心的罗氏线圈获得信号。经处理后送到处理单元。主要问题：传感器要求比较高。真空度的在线监测方法旋转式电场探头检测法：通过一种旋转式电场探头作为传感器，能够通过对探头载波信号的分离，提取出屏蔽罩交、直流电场的信息。并以此判断真空度变化。探头结构新颖，精度高。但后续处理较为繁琐。比例差分探头检测法：通过监测真空灭弧室屏蔽罩电位和周期性高频脉冲电压，并将这两个测量值与实际电压值取比率，经过标定后，将该比率作为监测参数，来分析真空灭弧室真空度的变化趋势。依靠新型电场探头探测屏蔽罩电位变化，抗干扰能力强，能够抵消母线电压波动的影响。微型冷阴极磁控计法:在静触头导杆处放一微型冷阴极磁控计，实时检测真空度变化。改变灭弧室结构。电磁波检测法：采用外置天线收集电磁波信号。根据检测信号的强度，推断灭弧室内真空度变化情况。监测局放是一种较新颖的思路，正在逐渐应用于实际工程。灭弧室真空寿命分析粗真空低真空高真空超高真空极高真空521033110011.~.211033110331.~.161033110331.~.1061033110331.~.1010331.灭弧室真空寿命分析灭弧室内真空度测试指的是灭弧室内真空压力值的测试。真空包括的范围很广，为方便起见常常将它划分为几个区域，我国划分的区域为绝对压力等于零的空间称为绝对真空这是真正的真空或理想的真空。真空断路器用的真空灭弧室，我国部标(JB)技术中规定其真空压强的允许最大值，国标(GB)中为，这是考虑到断路器分断时灭弧性能的需要所谓的真空寿命就是指真空灭弧室从制造厂出厂至因真空度降低而失去功能之间的允许最长时间本次试验真空度在之间不同等级下进行。21.3310pa26.610pa51.3310pa~100pa屏蔽罩在在线检测中的作用屏蔽罩在在线检测中的作用人们对真空灭弧室的设计研究中很早就意识到主蒸汽屏蔽罩的重要作用，它不仅影响着真空灭弧室内电场的分布，而且在运行中灭弧室内真空度变化与屏蔽罩上电位变化存在着一定关系，燃弧中还影响着整个燃弧过程。由于一般真空灭弧室的屏蔽罩金属部分完全密封在灭弧室中，其电位的变化无法直接测试，只能根据电位变化引起的屏蔽罩附近电场变化来间接测量，因而也就可以实现灭弧室内真空度的在线测试。对于在线检测内部真空度说，屏蔽罩可以说是一个窗口。正因为屏蔽罩的特殊作用，于是有必要通过大量试验和从理论上分析屏蔽罩上的电位在真空度变化时如何变化。同时屏蔽罩上既有交流工频电位又有直流电位，而哪种电位的变化能更早反应灭弧室内真空度的劣化，为在线监测提供理论和试验基础。既然真空度劣化过程中会出现局部放电现象，是否此现象出现时对应的真空度降低，即通过检测放电信号来提高在线监测的灵敏度。屏蔽罩电位屏蔽罩电位屏蔽罩上电位形成可由下电路图等效，其中二极管D1、D2模拟导电杆分别为正、负电极时与屏蔽罩之间的电流方向，电阻R1、R2为真空度P的函数，：屏蔽罩电位测量系统测量系统图屏蔽罩电位变化曲线交流电位变化曲线直流电位变化曲线屏蔽罩电位变化曲线屏蔽罩电位从左图可以看出,当真空度下降到1Pa左右时,屏蔽罩电位有效值有明显的变化,由此电位的变化可以作为真空断路器真空度变化的依据真空度在线监测方法1.超声波检测法简介从放电是电能释放这一角度来看，声能、热能、电磁能和光能都是放电释放能量的一部分。声能与放电释放的能量之间成比例，根据放电释放能量与声能的关系，声发射信号所得声压的变化代表了灭弧室中放电所释放能量的变化，通过测量声发射信号的声压，可以推测出放电的强弱，这就是声发射信号检测的基本原理。研究表明，放电声发射波的声响大小与视在放电量近似呈线性关系，局部放电量与被试品绝缘也存在确定关系。由于将放电声发射法应用到真空灭弧室真空度的测试研究较少，试验的许多结论还有待进一步证实。压电材料与压电特性图超声传感器（1）超声传感器频率通带范围和主频的选择。（2）超声传感器的绝缘。（3）超声传感器的灵敏度。（4）超声传感器的抗干扰问题。真空度在线监测方法真空度在线监测方法2.电光转换法简介光电转换系统结构图真空度在线监测方法耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的。若当被测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩间的耐压强度由于真空度降低而下降，则当工频电压从零点升至某一值时,带电触头和屏蔽罩之间的等值电容发生放电,该局部放电信号可通过位于屏蔽罩与接地箱壳之间的两个局部放电探头进行在线监测。3.耦合电容法简介耦合电容法原理图等效电路图真空度在线监测方法4.脉冲电流法简介脉冲电流法由英国电气工程学会提出，又称ERA法，得到EIC推荐，是目前在局部放电测量中应用最为广泛的一种方法，也是国际唯一有标准的局部放电检测方法。它利用局部放电在测量回路中引起电荷转移，产生高频的脉冲电流信号，脉冲电流在检测阻抗上形成脉冲电压并能够被仪器测量出来。真空度在线监测方法真空度在线监测方法真空度在线监测方法传感器示意图不同气压下脉冲电流信号幅值真空度在线监测方法脉冲电流幅值变化规律图真空度判断准则在线监测真空衰减状况时，测量电场的相对改变值比起测量电场中的绝对值意义重大得多。我们可以监测系统同时测量真空开关柜中的A、B、C三相真空开关的屏蔽罩外侧电场的有效值，然后通过以下运算法则来判断真空度的变化:真空度判断准则(1)每相电流的检测值都用来与过去时刻的相比较，以此来计算真空开关真空度的变化趋势，在一定时段内曲率的全部变化将作为判断真空衰减的一个准则，将现时段变化的平均值与过去相对应的平均值相比较，若相对值降低1%，则监测系统报警。(2)当真空度没发生衰减时，同种型号真空开关的真空度基本上是相同的，将三相同步采样的探测值进行两两比较，并把这3种区别当作断定真空开关真空衰减度的准则。(3)监测系统的校正是通过离线测试设备来测试静态电场值，利用传感器输出的静态电场值和真空度之间的曲线关系进行的，将相对于真空度为0.1pa的静态电场值作为一个警报值。真空断路器健康度在线监测硬件系统设计（4）真空断路器健康度在线监测硬件系统设计1）传感器安装选用精密的导电塑料电位器作为