|
摘要：本文介紹了真空斷路器的基本結構和工作原理，以現代狀態檢修概念為基礎，利用各種傳感器技術對真空斷路器進行在線工作狀態的數據采集，并對數據進行處理和判斷，實現對真空斷路器的在線實時狀態監測；并設計了一套真空斷路器在線監測系統。 1 真空斷路器的結構及原理 真空斷路器廣泛地應用在電力控制系統中。在真空條件下（一般指10-4至10-7Torr），真空間隙的絕緣強度很高，電弧很容易熄滅，所以真空斷路器的滅弧能力很強，介質強度也很高，開斷后的介質恢復速度也很快。 利用真空條件來熄弧，這個設想早在19世紀末就已提出，但是由于受真空工藝、材料、冶金等技術水平的限制，當時未能實現實用化。上世紀五十年代以后，隨著電子工業發展起來的許多新技術，解決了真空滅弧室制造的許多難題，使真空開關逐漸達到實用水平。七十年代制造了開斷能力達60～80kA，電壓等級為10～35kV的真空斷路器，使真空開關成為配電電壓等級中首屈一指的新型斷路器。 真空斷路器的主要滅弧機構就是真空滅弧室，如圖1所示： 圖1 由圖1知，真空滅弧室的結構很象一個大型的真空電子管，外殼有玻璃和陶瓷兩種構造，動觸頭的密封靠金屬波紋管，在允許的彈性變形范圍內伸縮，有足夠高的機械壽命。在動、靜觸頭的外周，裝設了懸浮電位的金屬屏蔽罩，它起冷凝吸收金屬蒸汽、均勻電場分布、保護外殼等表面絕緣作用。 真空斷路器的滅弧原理與其他種類斷路器滅弧原理不同，其他斷路器主要利用滅弧介質來達到熄滅電弧的目的。真空斷路器是利用真空阻止電弧重燃來達到滅弧的目的。因此，電流過零后能否重燃取決于弧隙介質強度的恢復。若恢復了，則能有效的阻止電弧的重燃，否則，電弧會繼續燃燒直到下一個過零點，才有可能熄弧。 因此，性能齊全的真空斷路器在線狀態監測系統是保證電力控制設備安全、可靠工作的重要保證。 2 真空斷路器的在線狀態監測過程 狀態監測是指了解和掌握設備的運行狀態，包括采用各種檢測、測量、監視、分析和判別方法，結合系統的歷史和現狀，考慮環境因素，對開關設備運行狀態進行*估，判斷其處于正常或非正常狀態，并對狀態進行顯示和記錄，對異常情況做出報警，以便運行人員及時加以處理，并對開關設備的故障分析、性能*估、合理使用和安全工作提供信息和準備基礎數據。 通常開關設備的狀態可分為正常狀態、異常狀態、和故障狀態幾種情況。正常情況指設備的整體或其局部沒有缺陷，或雖有缺陷但其性能仍在允許的限度以內。異常狀態指缺陷已有一定程度的擴展，使開關設備狀態信號發生一定的變化，開關設備性能已經劣化，但仍能維持工作。此時應該注意設備性能的發展趨勢，即開關設備應在監護下運行。故障狀態則指設備性能指標已有大的下降，設備已經不能維持正常工作。開關設備的故障狀態尚有嚴重程度之分，包括已有故障萌生并有進一步發展趨勢的早期故障;程度尚不嚴重，開關設備尚可勉強“帶病”運行的一般功能性故障;已發展到開關設備不能運行必須停機的嚴重故障;已導致災難事故的破壞性故障，以及由于某種原因瞬間發生的突發型緊急故障等。 狀態監測的步驟主要分為以下三步： （1）信號采集 開關設備在運行過程中必然會有力、熱、振動和能量等各種量的變化，由此會產生各種不同信息。根據不同的診斷需要，選擇能表征設備工作狀態的不同信號。 （2）信號處理 這是將采集到的信號進行分類處理、加工，獲得能表征機器特征過程，也稱特征提取過程。 （3）狀態識別 將經過信號處理后獲得的開關設備特征參數與規定的允許參數進行比較、對比以確定設備所處的狀態，是否存在故障。如圖2所示： 圖2 3 真空斷路器的在線狀態監測原理 從上世紀九十年代開始，出現了以數字波形采集和處理技術為核心的微機多功能在線監測系統，該系統利用先進的傳感器技術、計算機技術和數字波形采集與處理等高新技術，實現更多的參數在線監測。這種監測系統可以實時連續的巡回監測各被測量，因此，監測內容豐富、信息量大、處理速度快，對監測結果可顯示、存儲、打印及報警，實現狀態監測的全部自動化。在線監測技術的發展逐漸代替了離線監測，彌補了離線監測的缺陷。在線狀態監測系統實現了數據采集，數據處理、狀態識別、數據庫等各項功能。它的基本原理是電氣設備處于運行狀態中，利用各種測量工具測其工作電流、電壓等特征參數，采用相應形式的傳感器，將被測信號（電的和非電的）抽取出來，轉換成為監測裝置可以檢測到的標準形式信號，輸入數字信號采集裝置，通過A/D轉換，然后進行相應的數據分析和特征提取。其原理框圖如圖3所示： 圖3 傳感器是在線監測系統的入口器件，其靈敏度和性能的優劣直接影響測量精度，進而使數據處理產生較大的誤差。監測系統能夠正確運行的前提就是要有好的、性能可靠的、靈敏度高的傳感器。所以要求傳感器靈敏、可靠、線性度好，能夠不失真的轉換被測信號。被測信號不同，傳感器的形式也不同。 數據采集裝置將被測信號轉換成為數字量或數字波形，以便進行數據處理。整個采集裝置是在計算機的程序控制下工作的。為了滿足測量精度，要求采集裝置具有一定的采樣速度和A/D轉換精度，以及適當的通道數。為了采集高頻信號，還要求采集裝置有相當高的采樣頻率。 數據處理系統，這部分的核心器件是一臺工業計算機。系統的功能主要有以下幾個部分： （1）控制數據采集裝置以適當的頻率對被測信號進行采集，并能夠從數據采集裝置中讀入采集到的數據； （2）對采集進來的數據進行處理，利用處理后的數據進行分析并判斷所檢測設備的狀態好壞； （3）建立起數據庫，能夠隨時提取歷史數據。并能夠實現顯示打印等功能。 數據庫是監測系統有別與儀表系統的關鍵。數據庫用來存儲和處理設備運行的各種信息，并具有管理和檢索功能。數據庫包括了設備的結構參數、特征參數、工作參數等靜態數據，監測和運行數據等動態參數，還記錄了各類的歷史數據，如典型故障數據和正常數據等。系統記錄的歷史數據對運行和維修的指導作用是巨大的，可形成趨勢圖用于判斷設備健康狀況及發展趨勢。數據庫應能記錄一段時間內的全部詳細數據。 4 真空斷路器在線狀態監測系統的實現 通過前述分析，真空斷路器狀態監測系統的實現結構如圖4所示： 圖4 由圖4知，真空斷路器狀態監測系統從結構上分為兩大部分，一部分為數據采集系統，一部分為數據處理系統，使用的軟件為Matlab和C語言。 采集系統選取了合適的數據采集裝置和傳感器等硬件，并利用C語言執行速度快的特點，開發數據采集程序，保證系統能夠快速、準確、實時的進行數據采集。 數據處理系統利用Matlab的互動式界面和方便的可視化功能，開發數據處理程序。包括監測系統主界面的制作，數據的處理。 從整體來講，該監測系統是以Matlab為開發平臺實現的，數據采集和數據處理獨立運作，由C語言編寫的數據采集程序控制硬件進行數據的采集，由Matlab編寫的數據處理負責數據的讀入、處理、顯示，報警、打印及數據庫的存取。在遠程通信中，仍然用C語言來實現。 5 結束語 該系統實現選用硬件少，大多數工作均由工控機來完成，最大程度地降低了系統的成本，減少了因為監測所需的硬件故障而導致采集的數據失真等情況發生的可能性，并能夠保證真空斷路器安全可靠的運行，而且可以指導設備的日常檢修工作，安排最合理的檢修計劃，減少因設備維護所需的各種費用，提高了經濟效益。 本文作者創新點：設計了一種真空斷路器的在線狀態監測系統，通過運用綜合性的測量手段，準確的掌握設備狀態，通過合理的數據分析，對斷路器的狀態進行判斷，并預測設備的壽命，防止故障甚至事故的發生，并為適當的檢修和維護提供合理的決策。真空開關狀態監測適應真空開關技術發展和維護的需要，是一種先進的監測方法，是將來電力設備檢修的發展方向。 |
