CN104037008A - 基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关及其监测方法 - Google Patents

Abstract

基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关及其监测方法，涉及具有真空度在线实时监测功能的真空开关设备，包括A、B、C三相真空灭弧室,真空灭弧室中置入有无线真空传感器,真空灭弧室外配设真空度监测、预警装置，所述的无线真空传感器与真空度监测、预警装置采用无线信号连接，其监测方法为，无线真空传感器直接监测真空灭弧室内部的真空度，通过无线方式传输到真空度监测、预警装置，实时显示真空度并发出真空灭弧室漏气预警和漏气报警，实现电力真空开关的运行真空度在线监测与预警。解决了电力真空开关的真空度在线监测，以及监测单元和被监测物的高压绝缘的难题，大大降低了电力真空开关真空度劣化导致的事故，提高了设备的可靠性。

Description

基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统高压开关设备和无线真空监测技术，尤其是涉及一种具有真空度在线实时监测功能的电力真空开关，同时提供使用这种电力真空开关进行真空度在线监测的方法。

背景技术

电力高压开关是电网中最重要的高压电气设备，其种类主要包括SF6开关、真空开关和油开关三类，其中真空开关具有良好的电流开断特性，同时成本低、体积小，成为12KV 、40.5KV电压等级的主流高压开关，具有很高的市场占有率，广泛应用于电力真空开关柜、电力真空断路器、柱上真空开关、负荷真空开关等电力设备。随着真空开关可靠性的提高，应用于110KV、220KV等高电压等级也具有广阔的前景。

随着智能电网技术的发展，对真空开关的开断可靠性提出的要求越来越高，真空开关的运行状态在线监测对保障电网安全、实现状态检修具有重要意义。目前已开发了多种真空开关的状态监测技术，包括行程-时间、弹簧拉力、触头电寿命、合分闸线圈电流、储能电机状态、温升等的在线监测、局部放电在线监测，对提高真空开关的可靠性发挥了重要作用，但决定真空开关开断性能的最关键因素是其真空灭弧室内部的“真空度”，当真空灭弧室的真空度低于10^-1Pa时真空开关将丧失电流开断能力，对电网安全运行构成重大安全威胁。目前，由于技术上的限制，实现真空开关真空度的在线监测、预警存在技术困难，或者成本高、需要高压隔离。只能依靠出厂检测、定期维修的真空度检测，这不能满足日益增长的提高真空开关可靠性以及设备状态维修的要求。因此，真空开关的真空度在线监测对提高真空开关可靠性、保障电网安全具有关键性的作用。

在真空开关的寿命周期内，真空灭弧室的真空度的维持完全依靠其自身的真空密封性能，实现完全不漏气、并在长期运行保持高真空，在技术上具有很高的要求和工艺难度。虽然真空灭弧室的真空密封性能要比SF6开关的密封性能要高很多，但真空开关可靠性却通常被认为不及SF6开关，这主要是SF6气体密度可以在线监测，而真空开关的真空度难以在线监测，当SF6气体发生缓慢泄露时可以及时补气，因此业界认为SF6断路器具有更高的可靠性。正是由于对真空开关可靠性的担忧，真空开关的应用目前仅集中在12KV 、40.5KV中压等级，其实真空度良好的真空开关在更高的电压等级，如110KV、220KV，也同样具有良好的开断性能。由于真空开关成本低、体积小和环境友好等显著优势，如能应用于110KV、220KV等高电压等级，对输变电技术产生重大影响，也将产生良好的经济效益，同时消除温室气体SF6的排放，产生极大的环境效益。真空开关能否推广到高电压等级的输变电系统，其关键是提高真空开关的可靠性。

虽然制造真空灭弧室的真空材料、真空密封工艺技术已达到了相当成熟的程度，真空灭弧室的漏气率不断下降，但要实现所有真空灭弧室完全不漏气是非常困难的，尤其是极低漏率的测试技术难度很高。即使将来可以发展出测量极低漏率的测试技术，成本也将十分高昂而难以承受。随着真空技术的进步，真空灭弧室在制造时可以实现良好的真空密封，达到了很高的成品率，但真空灭弧室在长期的运行过程中由于运行条件恶劣，导致真空密封的劣化或失效难以完全避免，虽然事故率已非常低，但真空度的劣化仍对真空开关的运行可靠性构成重大威胁，尤其在高电压等级的输变电系统难以接受。真空开关的真空度劣化是一个非常缓慢下降的过程，在线监测真空开关真空度的变化，及时预警真空开关的真空度故障，可以避免真空开关的开断事故，确保真空开关的短路、负荷电流开断能力，可以有效保障电网的安全运行，将解决真空开关的可靠性问题。当真空灭弧室的真空度低于设定的门限值（例如1.33×10^-2Pa）时，及时更换真空灭弧室，可以避免严重的真空开关事故。但10^-3Pa—10^-1Pa真空度的检测需要专用的真空计或仪表，不仅成本高、体积大，而且难以做到带电在线监测且不影响真空灭弧室的密封性能，使经济、有效的真空开关真空度在线监测成为全世界电力行业的一大技术难题。因此，真空开关的真空度在线监测技术是电力行业一直在研发的技术，具有重大的经济价值和社会价值。

目前，使用真空开关进行真空度监测方法，主要包括实验室检测、现场检测和在线检测三种方法。

1）真空度实验室检测：这是目前的主要检测方法，其利用专用的真空度检测仪对真空灭弧室真空度进行出厂检测、定期检测，这样的真空度检测需要将真空灭弧室从真空开关上分离开，在实验室内采用专用的真空度检测仪进行检测，无法实现真空开关在线检测。

2）真空度现场检测：在真空断路器退出运行后，不分离真空灭弧室，采用工频耐压、高频放电、高频电流、磁控放电等方法监测真空开关真空度。这些方法属于在设备检修时进行的真空度的离线监测，不能实现真空开关运行状态下的真空度在线监测，难以真正预防真空开关运行中真空度劣化导致的无法开断事故，也无法实现真空断路器的“状态检修”。

3）真空度在线检测：是目前的技术发展趋势，可以实现真空开关在运行状态下的真空度实时监测，从而真正能够预防真空开关的开断事故，也为真空开关的“状态检修”提供指导。真空度在线检测主要有“间接监测”和“直接监测”两种方式。

①“间接监测”方式：基于真空开关运行时，真空灭弧室真空度劣化导致的：

a）金属屏蔽罩电荷累积产生的电场变化；

b）真空开关运行时导电杆与金属屏蔽罩之间的放电脉冲电流幅度和频度变化；

c）真空开关开断时产生的放电声发射、电弧弧光颜色的变化。

这些“间接监测”方法的共同的特点是只能在10^-1Pa -1Pa真空度范围内实现对真空度的大致监测，无法实现对真空开关最为关键的10^-3Pa—10^-1Pa的高真空度监测，而且电网的外界干扰严重，稳定性差，目前仅停留在学术研究的层面，没有实际应用于电力系统。

② “直接监测”方式：

a）采用在真空灭弧室外接入压力表测量真空度变化，但10^-3Pa—10^-1Pa的高真空无法通过压力表来测量，而且压力表需要高压隔离和信号隔离，没有获得实际应用；

b）在真空灭弧室上预装真空传感器，如冷阴极潘宁放电真空测量规，真空规内部与真空灭弧室相通，它通过潘宁放电原理将真空压力信号转换为电信号输出，同样需要高压隔离和信号隔离，该技术由成都旭顺电子有限责任公司研发成功并进行推广应用，但其潘宁放电真空规、离子柱高压隔离、光电信号隔离导致其生产成本高，技术复杂，存在高压隔离隐患，其应用范围受到极大的限制。

这些已有“直接监测”方法的共同的特点是采用有线连接，需要解决传感器与电网的高压隔离、传感器敏感器与检测电路的信号隔离，成本高、技术复杂，尤其在高压和超高压电压等级的系统中，成本将大幅度增加，存在巨大的高压隔离隐患。急需从技术、成本上解决在线监测传感器的高压隔离和信号隔离问题。

真空开关真空度在线监测在技术上具有挑战性，其技术难点在于10^-3Pa—10^-1Pa的高真度监测在技术上要求较高，需要专用的真空计，其成本高、体积大，同时真空计的高压电隔离、信号光电隔离问题解决起来也存在成本高、高压隔离隐患等难题。

发明内容

本发明针对目前真空开关真空度在线监测在技术的困难和不足，提出了一种可以采用微机电技术批量化制造，成本低廉、体积微小型化，并采用无线传感器技术，从根本上解决了真空开关在线监测中真空传感器的高压电隔离和信号隔离问题，并产生良好的经济效益和社会效益的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关及其监测方法。

本发明为实现上述技术目的，提供了以下技术方案：一种基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，包括A、B、C三相真空灭弧室,其特征在于真空灭弧室中置入有无线真空传感器, 真空灭弧室外配设真空度监测、预警装置，所述的无线真空传感器与真空度监测、预警装置采用无线信号连接。

所述无线真空传感器由真空度敏感器和无线耦合器构成，真空度敏感器与无线耦合器通过引线电连接，所述的真空度敏感器位于真空灭弧室的内部或者真空灭弧室的外部且与真空灭弧室内腔连通。

无线真空传感器置入真空灭弧室的方法有两种，内嵌置入与外部置入。

无线真空传感器内嵌置入真空灭弧室是无线真空传感器的真空度敏感器安装于真空灭弧室内部，无线耦合器位于真空灭弧室的内部或者真空灭弧室外部。进一步优选是真空度敏感器固定在真空灭弧室的瓷壳内表面上，无线耦合器同样可以位于真空灭弧室的瓷壳内表面上或者真空灭弧室的外部。采用内嵌置入方式的无线真空传感器，无线真空传感器为微型的传感器，埋置在真空灭弧室内，真空灭弧室采用一次封排工艺制造，即无线真空传感器内嵌置入真空灭弧室的方法是在一次封排工艺时置入。无线真空传感器选择要求能够经受真空灭弧室的高温（800-900度）制造过程，这样不需要改变真空灭弧室现有的制造流程，降低生产成本。

无线真空传感器外部置入真空灭弧室是在真空灭弧室外部设计一真空腔体,所述的真空腔体通过真空管与真空灭弧室密封连接，无线真空传感器的真空度敏感器安装于真空腔体内部，无线耦合器位于真空腔体的内部或者真空腔体的外部。采用外部置入方式的无线真空传感器，其置入真空灭弧室的方法是无线真空传感器在真空灭弧室制造完成后置入，真空灭弧室采用排气台工艺进行真空密封。置入的无线真空传感器无需经受真空灭弧室的高温（800-900度）制造过程，扩大了无线真空传感器的可选范围，对传感器要求更低。

所述真空度监测、预警装置包括无线天线、信号处理电路、输入输出接口电路、显示电路、报警和预警电路,所述的信号处理电路与无线天线、输入输出接口电路、显示电路、报警和预警电路分别信号连通。

使用这种基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关的监测方法是：无线真空传感器直接测量真空灭弧室内部的真空度，通过无线信号方式传输到真空度监测、预警装置，实时显示真空度并发出真空灭弧室漏气预警和漏气报警，实现电力真空开关的运行真空度在线监测与预警。

所述的无线信号传输方式优选采用电磁谐振耦合、无线射频信号问询的无线无源方式，或者基于无线供能的无线发射方式。若采用电磁谐振耦合的无线无源方式，无线传输距离在厘米至数十厘米量级，没有电引线穿过真空灭弧室的瓷壳，不影响真空灭弧室的现有制造工艺，降低成本，保证了真空灭弧室的制造质量。若采用无线射频信号问询方式，无线信号传输距离较远，在数十厘米至数十米量级，可以实现更好的高压隔离，监测设备灵活安装、降低安装难度。若采用基于无线供能的无线发射方式，无线信号传输距离更远，在数米至数十米量级。

作为优选，真空度监测、预警装置通过无线信号方式接受真空传感器的信息，并与设置的预警、报警阈值进行比较，根据结果进行多级预警、报警。

本发明的有益效果：1、本发明的真空开关可采用电磁谐振耦合、无线射频信号问询或者基于无线供能的无线发射等无线方式实现真空传感器信号的传输，直接、实时监测真空灭弧室内真空度，可以避免外界干扰、准确感知0.0001-1Pa范围内的真空压力，能及时避免真空断路器不能正常开断电路的故障，提高设备的可靠性。

2、在无需断电情况下，实现了真空灭弧室内真空度的在线、实时测量与预警，大幅提高了电力真空开关的设备可靠性，提升了产品技术含量与竞争力，具有很好的应用推广价值。

3、采用无线真空传感器监测真空灭弧室内真空度，从根本上解决了真空传感器的高压绝缘、高压隔离问题，大幅度降低高压绝缘与隔离的成本。

4、采用无线真空传感器监测真空灭弧室内真空度，可以实现从中低压到超高压的各个电压等级电力真空开关的真空度在线监测，解决了电力真空开关的真空泄露导致的可靠性问题，将扩大电力真空开关在110KV、220KV电压等级的电力开关的市场占有率，从而减少SF₆电力开关的使用量，降低电力开关成本、减少温室气体（SF₆）的排放。

附图说明

图1为本发明中电力真空开关的A、B、C三相真空灭弧室的示意图。

图2为本发明中无线真空传感器组成示意图。

图3为本发明中真空度监测、预警装置示意图。

图4为本发明实施例1一种内嵌置入无线真空传感器的示意图。

图5为本发明实施例2另一种内嵌置入无线真空传感器的示意图。

图6为本发明实施例3外部置入无线真空传感器的示意图。

图7为本发明实施例4另一种外部置入无线真空传器的示意图。

具体实施方式

实施例1：一种基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，包括A、B、C三相真空灭弧室2,真空灭弧室2中置入有无线真空传感器1, 真空灭弧室2外配设真空度监测、预警装置3，所述的无线真空传感器1与真空度监测、预警装置3无线信号连接。

无线真空传感器1由真空度敏感器4和无线耦合器5构成，真空度敏感器4与无线耦合器5通过引线6电连接，无线真空传感器1采用内嵌方式置入真空灭弧室2，其真空度敏感器4固定在真空灭弧室2的瓷壳内表面上，无线耦合器5也位于真空灭弧室2的瓷壳内表面上。

真空度监测、预警装置3包括无线天线9、信号处理电路10、输入输出接口电路11、显示电路12、报警和预警电路13,所述的信号处理电路10与无线天线9、输入输出接口电路11、显示电路12、报警和预警电路13分别信号连通。

将无线真空传感器内嵌置入真空灭弧室的方法是在一次封排工艺时置入。

实施例2，参照实施例1，无线耦合器5位于真空灭弧室6的外部。

实施例3，参照实施例1，无线真空传感器1以外部方式置入真空灭弧室2，即在真空灭弧室2外部设计一真空腔体7,所述的真空腔体7通过真空管8与真空灭弧室2密封连接，无线真空传感器1的真空度敏感器4和无线耦合器5均安装于真空腔体7的内部。

实施例4，参照实施例3，无线耦合器5位于真空腔体7的外部。

实施例5，一种基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关的监测方法，无线真空传感器直接测量真空灭弧室内部的真空度，通过无线信号方式传输到真空度监测、预警装置，实时显示真空度并发出真空灭弧室漏气预警和漏气报警，实现电力真空开关的运行真空度在线监测与预警。

真空度监测、预警装置通过无线信号方式接受真空传感器的信息后，可与设置的预警、报警阈值进行比较，根据结果进行多级预警、报警。

无线信号传输方式可根据实际需要，采用电磁谐振耦合、无线射频信号问询的无线无源方式，或者是基于无线供能的无线发射方式。

Claims (9)

1.基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，包括A、B、C三相真空灭弧室,其特征在于真空灭弧室中置入有无线真空传感器, 真空灭弧室外配设真空度监测、预警装置，所述的无线真空传感器与真空度监测、预警装置采用无线信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，其特征在于无线真空传感器由真空度敏感器和无线耦合器构成，真空度敏感器与无线耦合器通过引线电连接，所述的真空度敏感器位于真空灭弧室的内部或者真空灭弧室的外部且与真空灭弧室内腔连通。

3.根据权利要求2所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，其特征在于无线真空传感器采用内嵌方式置入真空灭弧室，即无线真空传感器的真空度敏感器安装于真空灭弧室内部，无线耦合器位于真空灭弧室的内部或者真空灭弧室外部。

4.根据权利要求3所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，其特征在于真空度敏感器固定在真空灭弧室的瓷壳内表面上，无线耦合器位于真空灭弧室的瓷壳内表面上或者真空灭弧室的外部。

5.根据权利要求2所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，其特征在于无线真空传感器采用外部方式置入真空灭弧室，即在真空灭弧室外部设计一真空腔体,所述的真空腔体通过真空管与真空灭弧室密封连接，无线真空传感器的真空度敏感器安装于真空腔体内部，无线耦合器位于真空腔体的内部或者真空腔体的外部。

6.根据权利要求1所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关，其特征在于真空度监测、预警装置包括无线天线、信号处理电路、输入输出接口电路、显示电路、报警和预警电路,所述的信号处理电路与无线天线、输入输出接口电路、显示电路、报警和预警电路分别信号连通。

7.权利要求1-6之一所述基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关的监测方法，其特征在于无线真空传感器直接测量真空灭弧室内部的真空度，通过无线信号方式传输到真空度监测、预警装置，实时显示真空度并发出真空灭弧室漏气预警和漏气报警，实现电力真空开关的运行真空度在线监测与预警。

8.根据权利要求7所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关的监测方法，其特征在于真空度监测、预警装置通过无线信号方式接受真空传感器的信息，并与设置的预警、报警阈值进行比较，根据结果进行多级预警、报警。

9.根据权利要求7所述的基于无线真空传感器的真空度在线监测电力真空开关的监测方法，其特征在于无线信号传输方式为电磁谐振耦合或无线射频信号问询的无线无源方式，或者为基于无线供能的无线发射方式。