CN104345270A - 电气开关触头健康状态在线监测及预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，属于电气开关技术领域。系统包括电气开关触头、电流测量单元、前端电压测量单元、后端电压测量单元、测量分析单元、显示报警单元和通讯单元。测量分析单元利用测量到的温度、电流和电压，计算出电气开关触头的温度及其变化趋势、接触电阻阻值及其变化趋势，结合多种判据方法，实时在线监测电气开关触头的运行状态并分析判断其健康状态，送给显示报警单元显示、经通讯单元向外部设备或控制中心服务器传送，发现异常情况时及时预警。能够有效杜绝触头存在的安全隐患，提前通知运行人员进行维修，提高了电气开关设备的寿命以及线路供电的可靠性，可以应用于使用带有电气开关触头的任何场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，特别是一种根据接触电阻变化实时监测电气开关触头健康状态，并进行报警和预警的系统，属于电气开关技术领域。
背景技术
电气开关主要包括断路器、隔离开关等，一般都具有触头。电气开关触头的接触电阻是影响电气开关可靠性的重要因素之一。电气开关在正常工作时，要求触头具有小而稳定的接触电阻。由于电气开关长期运行导致表面氧化等因素，其触头的接触电阻会增大，那么在大功率、大电流的应用场合，接触部件会产生大量的焦耳热，增加损耗，当这些热量不能及时散发出去时，有可能导致接触部件的局部温度迅速升高，这样很有可能导致接触部件变形、粘连，甚至烧毁、炸裂，从而缩短了电气开关的使用寿命，严重的导致火灾或重大事故等。由于现代电力系统越来越复杂，一个复杂系统可能包括成千上万个电气开关，如果其中的某个电气开关发生故障，会对整个电力系统造成致命的危害，因此电气开关的性能与质量对整个电力系统的可靠性与稳定性起到至关重要的作用。
目前有电气开关触头的热保护装置，是针对触头过热进行监测，采用温度限值判断的方式，而发现电气开关触头过热报警或保护动作时，一般都是过热比较严重，甚至已经造成设备损坏。尚未有在线监测电气开关触头的健康状态，且在电气开关触头出现劣化的初期就能进行诊断和预警的技术。
部分仪器可以针对发热现象进行在线或离线监测，但是对于电气开关设备而言，触头过热只是表象，无法发现安全隐患。当触头已经出现氧化导致接触不良，但是如果该电气开关设备通过的运行电流一直很小，触头部分发热并不严重，是无法发现健康隐患的，只有在运行电流增大之后，这种安全隐患才能通过触头过热表现出来，而往往这时发现问题，过热已经导致了触头状态的进一步恶化或损坏，因此接触电阻的变化才是判断电气开关触头健康状态的最根本依据。
近年来，国内检测接触电阻的智能仪器发展较快，已经有许多家公司研制出各式各样的先进仪器设备，但是检测接触电阻的智能仪器存在一些缺陷，如接触电阻测试仪无法实时在线监测，必须停电测量，并且检测时间长等，这样极大降低了线路供电的可靠性，检测结果还依靠运行人员凭借经验进行判断，效率低。
总之，可以实时在线监测电气开关触头的发热规律、接触电阻的劣化趋势，分析判断其健康状态，并能够进行健康预警的智能系统尚未见报道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，该系统依据对触头接触电阻和温度的在线测量分析，结合设计的多种判据，可以实时在线监测电气开关触头的健康状态，发现异常情况时可以及时预警，有效杜绝触头存在的安全隐患，在发生故障前通知运行人员进行维修，提高了电气开关设备的寿命以及线路供电的可靠性，符合未来智能电网的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
电气开关触头健康状态在线监测及预警系统包括电气开关触头(1)、电流测量单元(2)、前端电压测量单元(3)、后端电压测量单元(4)、测量分析单元(5)、显示报警单元(6)和通讯单元(7)。
电流测量单元(2)测量通过电气开关触头(1)的实时电流，并将数据传送给测量分析单元(5)，实现流经电气开关触头的实时电流数据采集。
前端电压测量单元(3)安装在电气开关触头(1)的前端，后端电压测量单元(4)安装在电气开关触头(1)的后端，分别测量电气开关触头(1)两端的实时电压，并将数据直接传送给测量分析单元(5)。由于前端电压测量单元(3)和后端电压测量单元(4)分布在电气开关触头(1)两端，距离很近，中间只有接触电阻负载，即为纯阻性负载，测得的电压没有相角差，数值十分接近，为提高测量精度及抗干扰性，也可以先传送给电位差计(9)，得到电压差信号，再传送给测量分析单元(5)。
测量分析单元(5)将测得的实时运行数据和计算得到的运行数据传送给显示报警单元(6)实时显示，同时经通讯单元(7)向外部设备(8)传送。
电气开关触头(1)上安装温度测量单元(10)，测量电气开关触头(1)的实时温度，将数据传送给测量分析单元(5)，辅助修正接触电阻的报警阈值，并将温度运行数据、由测量分析单元(5)分析计算得到的温度变化趋势分析数据和温度超限报警数据传送给显示报警单元(6)实时显示，同时经通讯单元(7)向外部设备(8)传送。所述的温度变化趋势分析数据是在实时测量的温度运行数据基础上，结合电压、电流算出负载变化，在消除负载波动影响下，判断温度是否出现持续上升、短时间快速上升等变化趋势。这种趋势有可能是电气开关触头(1)出现劣化的反映。
测量分析单元(5)利用测量到的温度、电流和前、后端电压差，能够计算出电气开关触头(1)的温度及其变化趋势，以及接触电阻阻值及其变化趋势，分析判断电气开关触头(1)的健康状态，传送给显示报警单元(6)实时显示，或经通讯单元(7)向外部设备(8)传送，上传到调度中心服务器等，进行分析、报警，以及电气开关触头(1)的健康预警，提醒运行人员尽快提前采取维修措施，防止电气开关触头(1)的进一步劣化，阻止过热现象的发生。
测量分析单元(5)利用接触电阻进行电气开关触头(1)的健康状态监测诊断时，采用如下判据：判据一是判断接触电阻是否超过设定的阈值，如果接触电阻直接超限，立即报警，此时说明电气开关触头(1)已经出问题了；判据二是同测量分析单元(5)中记录的历史运行数据相比较，判断接触电阻是否逐渐增加，如果在设定的时间段内，接触电阻变化总趋势是增加的，立即报警，这说明电气开关触头(1)正在持续劣化中；判据三是判断接触电阻变化斜率是否超过设定的阈值，如果接触电阻变化斜率直接超限，立即报警，这说明电气开关触头(1)劣化的速度很快。三个判据都可以充分说明电气开关触头(1)处于不健康的运行状态，需要立刻进行检修和维护。
接触电阻的报警阈值一般采取经验值，为了更加符合实际情况，采用温度辅助修正接触电阻的报警阈值的方法：当电气开关触头(1)工作于额定状态时，在测得的电气开关触头(1)温度稳定后，如果温度未超过设定的报警阈值，而接触电阻超过了设定的报警阈值，则提醒运行人员可将接触电阻报警阈值上调；如果温度超过设定的报警阈值，而接触电阻未超过设定的报警阈值，则提醒运行人员可将接触电阻报警阈值下调。上述修正的方法是尽量使得电气开关触头(1)在额定工作状态时，温度监测和绝缘电阻监测能取得一致，可以保证报警的准确性，并且在额定工作状态下，电气设备往往具有较高的性能和效率，能够充分利用电气开关触头(1)的容量，避免受到报警的影响。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
该系统对触头接触电阻和温度进行实时在线监测，结合接触电阻是否超过设定的阈值、接触电阻是否逐渐增加、接触电阻变化斜率是否超过设定的阈值等三个判据进行分析，可以充分反映出电气开关触头的健康状态，发现异常情况时能够及时预警，有效杜绝触头存在的安全隐患，在发生故障前通知运行人员进行维修，提高了电气开关设备的寿命以及线路供电的可靠性。同时采用温度辅助修正接触电阻的报警阈值方法，使得电气开关触头在额定工作状态时，温度监测和绝缘电阻监测能取得一致，可以保证报警的准确性，并且在额定工作状态下，能够充分利用电气开关触头的容量。此外，运行数据的实时监测、显示或上传，也有助于运行人员掌握线路或系统的运行情况，提高生产效率和智能化程度。
附图说明
图1为系统结构图。
图2为采用电位差计方式的系统结构图。
图3为利用接触电阻进行健康状态预警的流程图。
图中：1-电气开关触头、2-电流测量单元、3-前端电压测量单元、4-后端电压测量单元、5-测量分析单元、6-显示报警单元、7-通讯单元、8-外部设备、9-电位差计、10-温度测量单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，电气开关触头健康状态在线监测预警系统包括电气开关触头(1)、电流测量单元(2)、前端电压测量单元(3)、后端电压测量单元(4)、测量分析单元(5)、显示报警单元(6)和通讯单元(7)。显示报警单元(6)可采用安装在电气开关柜体外部的液晶显示器、LED数码管，以及传统的声、光报警装置等；通讯单元(7)可以采用RS232串口、USB接口、蓝牙等，也可以为有线网络或无线网络接口；相应的，外部设备(8)可为U盘、手持机、笔记本电脑等，也可以是控制中心的网络服务器。
电流测量单元(2)测量通过电气开关触头(1)的实时电流，并将数据传送给测量分析单元(5)；前端电压测量单元(3)安装在电气开关触头(1)的前端，后端电压测量单元(4)安装在电气开关触头(1)的后端，分别测量电气开关触头(1)两端的实时电压，并将数据传送给测量分析单元(5)；测量分析单元(5)利用测量到的前、后端电压和电流，计算出电气开关触头(1)的接触电阻。
温度测量单元(10)安装在电气开关触头(1)上，测量电气开关触头(1)的实时温度，并将数据传送给测量分析单元(5)，实现电气开关触头的温度信号实时采集，用于温度超限报警、根据温度变化趋势预警等。
测量分析单元(5)利用测量到的温度、电流和前、后端电压差，能够计算出电气开关触头(1)的温度及其变化趋势，以及接触电阻阻值及其变化趋势，分析判断电气开关触头(1)的健康状态，传送给显示报警单元(6)实时显示，或经通讯单元(7)向外部设备(8)传送，上传到调度中心服务器等，进行分析、报警，以及电气开关触头(1)的健康预警，提醒运行人员尽快提前采取维修措施，防止电气开关触头(1)的进一步劣化，阻止过热现象的发生。实时在线监测电气开关触头的健康状态，发现异常情况时及时预警，能够有效杜绝触头存在的安全隐患，提高了电气开关设备的寿命以及线路供电的可靠性。
测量分析单元(5)根据测得的电压、电流和温度等实时运行数据，还可计算出如有功功率、无功功率、功率因数、电量等运行数据，共同传送给显示报警单元(6)实时显示，供运行人员分析或参考，同时也可经通讯单元(7)向外部设备(8)传送。
测量电气开关触头(1)接触电阻的关键是触头两端电压差，如图2所示，前端电压测量单元(3)和后端电压测量单元(4)获取的两端实时电压信号，可以先传送给电位差计(9)，得到电压差信号，再传送给测量分析单元(5)。由于前端电压测量单元(3)和后端电压测量单元(4)分布在电气开关触头(1)两端，距离很近，中间只有接触电阻负载，即为纯阻性负载，因此测得的电压是没有相角差的，数值十分接近，可以考虑采用电位差计(9)，如果采用图1所示的无电位差计(9)的测量方式，系统结构更加简单，但对前端电压测量单元(3)、后端电压测量单元(4)的测量精度、抗干扰性提出了更高的要求，而采用电位差计(9)的系统结构略微复杂，但测量精度更高、抗干扰性更强一些。
如图1、图2所示，电气开关触头(1)上安装温度测量单元(10)，测量电气开关触头(1)的实时温度，并将数据传送给测量分析单元(5)，可以根据电气开关触头(1)的温度变化，辅助修正接触电阻的报警阈值，使得监测功能更为完善，并将温度运行数据、由测量分析单元(5)分析计算得到的温度变化趋势分析数据和温度超限报警数据传送给显示报警单元(6)实时显示，同时经通讯单元(7)向外部设备(8)传送。可以实时在线监测电气开关触头的温度及其变化趋势，发现异常情况时可以及时预警，能够有效杜绝触头存在的安全隐患，在发生故障前通知运行人员进行维修，提高了电气开关设备的寿命以及线路供电的可靠性。
如图3所示，测量分析单元(5)利用接触电阻进行电气开关触头(1)的健康状态监测诊断时，采用如下判据：判据一是判断接触电阻是否超过设定的阈值，如果接触电阻直接超限，一旦运行电流达到额定电流，很可能就会发生过热现象，因此超限则报警，根据现场运行经验，断路器触头的接触电阻一般不能高于50微欧；判据二是同测量分析单元(5)中记录的历史运行数据相比较，判断接触电阻是否逐渐增加，如果在设定的时间段内，接触电阻变化总趋势是增加的，表示电气开关触头(1)的健康处于持续恶化中，应该进行检修，避免进一步恶化而报警；判据三是出现接触电阻骤升的情况，用接触电阻变化斜率是否超过设定的阈值来判断，由于受到某种因素的影响，可能导致电气开关触头(1)发生突发的损坏，应当立即报警。三个判据都可以充分说明电气开关触头(1)处于不健康的运行状态，需要进行检修和维护。
一般情况下，电气开关触头(1)温度超过某一限值而报警的目的是防止电气开关触头(1)过热，而过热的根源是接触电阻过大。但是运行工况、运行环境等因素对电气开关触头(1)的温度存在直接的影响，例如在接触电阻相同的情况下，电流小的时候温度低、电流大的时候温度高；环境散热好的时候温度低、散热差的时候温度高等等，因此，采用利用温度辅助修正接触电阻的报警阈值的方法，如图3所示，当电气开关触头(1)工作于额定状态时，在测得的电气开关触头(1)温度稳定后，如果温度未超过设定的报警阈值，而接触电阻超过了设定的报警阈值，则提醒运行人员可将接触电阻报警阈值上调；如果温度超过设定的报警阈值，而接触电阻未超过设定的报警阈值，则提醒运行人员可将接触电阻报警阈值下调。上述修正的方法是尽量使得电气开关触头(1)在额定工作状态时，温度监测和绝缘电阻监测能取得一致，可以保证报警的准确性，并且在额定工作状态下，电气设备往往具有较高的性能和效率，能够充分利用电气开关触头(1)的容量。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，其特征在于：系统包括电气开关触头(1)、电流测量单元(2)、前端电压测量单元(3)、后端电压测量单元(4)、测量分析单元(5)、显示报警单元(6)和通讯单元(7)，电流测量单元(2)测量通过电气开关触头(1)的实时电流，并将数据传送给测量分析单元(5)，前端电压测量单元(3)安装在电气开关触头(1)的前端，后端电压测量单元(4)安装在电气开关触头(1)的后端，分别测量电气开关触头(1)两端的实时电压，并将数据传送给测量分析单元(5)；
测量分析单元(5)利用测量到的前、后端电压和电流，计算出电气开关触头(1)的接触电阻，测量分析单元(5)根据接触电阻的变化趋势和大小实时分析判断电气开关触头(1)的健康状态，并经过显示报警单元(6)和通讯单元(7)报警并通知运行人员；
测量分析单元(5)将测得的实时运行数据和计算得到的运行数据传送给显示报警单元(6)实时显示，同时经通讯单元(7)向外部设备(8)传送。
2.根据权利要求1所述的电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，其特征在于：前端电压测量单元(3)和后端电压测量单元(4)获取的两端实时电压信号，可以先传送给电位差计(9)，得到电压差信号，再传送给测量分析单元(5)。
3.根据权利要求1所述的电气开关触头健康状态在线监测预警系统，其特征在于：电气开关触头(1)上安装温度测量单元(10)，测量电气开关触头(1)的实时温度，将数据传送给测量分析单元(5)，辅助修正接触电阻的报警阈值，并将温度运行数据、由测量分析单元(5)分析计算得到的温度变化趋势分析数据和温度超限报警数据传送给显示报警单元(6)实时显示，同时经通讯单元(7)向外部设备(8)传送。
4.根据权利要求1所述的电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，其特征在于：测量分析单元(5)进行电气开关触头(1)的健康状态监测诊断时，判据一是判断接触电阻是否超过设定的阈值，超过了则报警；判据二是同测量分析单元(5)中记录的历史运行数据相比较，判断接触电阻是否逐渐增加，如果在设定的时间段内，接触电阻变化总趋势是增加的则报警；判据三是出现接触电阻骤升的情况，用接触电阻变化斜率是否超过设定的阈值来判断，超过了则报警。
5.根据权利要求3所述的电气开关触头健康状态在线监测及预警系统，其特征在于：利用温度辅助修正接触电阻的报警阈值的方法是，当电气开关触头(1)工作于额定状态时，在测得的电气开关触头(1)温度稳定后，如果温度未超过设定的报警阈值，而接触电阻超过了设定的报警阈值，则提醒运行人员可将接触电阻报警阈值上调；如果温度超过设定的报警阈值，而接触电阻未超过设定的报警阈值，则提醒运行人员可将接触电阻报警阈值下调。
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