CN104793136A - 一种高压sf6断路器电寿命监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压SF₆断路器电寿命监测装置，所述装置利用高频时主触头开断与关合情况下分布感抗的不同，来监测动静弧触头单独接触时间；然后利用动静弧触头接触时间与弧触头单独接触行程的对应关系，将测量的动静弧触头接触时间换算成弧触头单独接触行程；再结合事先通过实验得到的弧触头单独接触行程与电寿命的对应关系，从而评估所述高压SF₆断路器的电寿命。本发明具有简单易行，测量结果准确；结合计算机系统，可以实现高压SF₆断路器在线监测。

Description

一种高压SF6断路器电寿命监测装置

技术领域

本装置设计涉及电力装置电器领域开关设备的监测，具体涉及高压SF₆断路器，特别地采用一种高压SF₆断路器电寿命监测装置。

背景技术

影响高压SF₆断路器电寿命的主要指标是电磨损程度，包括触头、灭弧室和灭弧介质三个部分，其中起决定作用的通常是触头的电磨损，通过对电磨损的研究可知，电磨损的主要决定因素是断路器的开断电流I，燃弧时间t、灭弧室的结构及其动触头的运行速度等。以往对电磨损的评估判断是以记录累计开断电流(I)或累计电弧能量(I²t)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。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，对断路器触头进行电寿命评估需要解决电寿命的概念和工程实施方法问题。

现有的计算断路器电寿命的方法主要是开断电流累计法，它是根据触头的质量损耗计算电寿命，是基于高压断路器的电寿命曲线的累计法。但是，不同短路电流下的触头电磨损程度是不一样的，而其磨损量和短路电流大小并不成线性关系。仅用累计开断电流来判断触头烧损量是不够的；因此，判断触头烧损量要考虑到每次开断不同短路电流所产生的不同磨损量，从而给高压SF₆断路器的电寿命检测带来了很大的困难。因此，需要对现有的电寿命检测状况进行革新，不能仅依赖于开断电流大小，而通过反映高压SF₆断路器开关动作时的重叠时间来监测和评估断路器的电寿命，从而有望获得较为准确的电寿命监测结果，弥补目前国内外尚无高压SF₆断路器行之有效的电寿命监测技术和方法的缺陷，为高压SF₆断路器的智能化技术的升级换代提供理论与技术指导。

发明内容

本装置的目的在于提出一种基于动静弧触头接触时间的高压SF₆断路器电寿命监测装置，能够检测开关动作时的动静弧触头接触时间。为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于动静弧触头接触时间的高压SF₆断路器电寿命监测装置，所述装置利用高频时主触头开断与关合情况下分布感抗的不同，来监测动静弧触头单独接触时间；然后利用动静弧触头接触时间与弧触头单独接触行程的对应关系，将测量的动静弧触头接触时间换算成弧触头单独接触行程；再结合事先通过实验得到的弧触头单独接触行程与电寿命的对应关系，从而评估所述高压SF₆断路器的电寿命。

本发明具有简单可行，测量结果准确；结合计算机系统，可以实现在线监测。

附图说明

图1为本试验得到的弧触头单独接触行程随开断次数的变化关系图；

图2为本发明的弧触头单独接触行程测量原理图；

图3-1为本发明一个实施例中分闸过程角位移和直线位移行程统计结果；

图3-2为本发明一个实施例中分闸过程动触头行程拟合结果与实际结果对比图；

图3-3为本发明一个实施例中动触头行程曲线拟合误差曲线；

图4为本发明的一个实施例中电路图；

其中，C₁为第一电容，C₂为第二电容，C₃为第三电容，C₄为第四电容；

图5为本发明的锁相放大模块构成图。

具体实施方式

在一个实施例中，提供了一种基于动静弧触头接触时间的高压SF₆断路器电寿命监测装置，所述装置利用高频时主触头开断与关合情况下分布感抗的不同，来监测动静弧触头单独接触时间；然后利用动静弧触头接触时间与弧触头单独接触行程的对应关系，将测量的动静弧触头接触时间换算成弧触头单独接触行程；再结合事先通过实验得到的弧触头单独接触行程与电寿命的对应关系，从而评估所述高压SF₆断路器的电寿命。

在这个实施例中，所述弧触头单独接触行程是指主触头开断后弧触头的接触行程，是评估触头烧蚀情况的重要指标。图1是通过实验得到的弧触头的接触行程随开断次数的变化趋势图，由图可以看出，随着开断次数的增加，弧触头单独接触行程呈二次幂指数下降。但是测量弧触头单独行程并不方便，因此可以通过建立弧触头单独接触行程与动静弧触头接触时间的对应关系，通过测量动静弧触头接触时间来得到对应的弧触头单独接触行程，进而对高压SF₆断路器的电寿命进行评估。在实际测量中，正常工作下在闭合时，信号幅值为100％；当主触头断开时，信号幅值衰减到99.3％；而高压SF6开关设备完全断开时，信号幅值衰减到10％，因而利用在高频信号下主触头开断与关合两种情况时高压SF₆开关设备分布感抗值的不同，通过设计测量动静弧触头接触时间的装置来监测动静弧触头单独接触时间，从而进行电寿命的评估，所述方法简单可行。

结合高压SF₆开关设备的结构，可以通过断路器开关动作行程曲线与动静弧触头接触时间相结合的方法来间接测量弧触头单独行程，所述断路器开关动作行程曲线为动触头直线位移行程与高压SF₆断路器开关动作时间关系图。如图2所示，当测得动静弧触头接触时间的始端t₁与末端t₂，再对应于断路器开关动作行程曲线相应位置，就可以计算出弧触头单独行程Δx＝x₂-x₁。由此，将建立弧触头单独接触行程与动静弧触头接触时间的对应关系的问题转变为如何测量断路器开关动作行程曲线与动静弧触头接触时间，实现了问题的简化。

可选的，可以直接通过直线位移传感器来获得断路器开关动作行程曲线。

但是由于直线位移传感器只能在实验室里离线测量，而通过角位移传感器可以实现在线测量，因而在一个实施例中，所述装置通过在高压SF₆断路器主轴上安装角位移传感器来测量主轴角位移行程，通过曲线拟合的方式得到动触头直线位移行程，进而获得断路器开关动作行程曲线。

在一个具体实施例中，为了确定断路器分、合闸过程主轴角位移行程与动触头直线位移行程之间具有固定的关系，设计了一组实验进行验证。所述装置事先在主轴上安装了WDD35D4型电阻式角位移传感器，并在绝缘拉杆底部安装了直线位移传感器，以分别用来测量主轴角位移行程和动触头直线位移行程，得到如图3-1的分闸过程角位移和直线位移行程统计结果。将分合闸过程主轴转角信号通过MATLAB软件中的cftool工具箱拟合为动触头直线位移。提取正常情况下，AMAMS仿真模型的主轴角位移行程和动触头行程仿真结果，通过曲线拟合公式，将主轴角位移行程拟合成动触头行程，得到图3-2的拟合后的结果与实际仿真结果比较图，其误差如图3-3所示。主轴角位移曲线与动触头行程曲线拟合公式如下：

y＝-0.001x⁴+0.0026x³-0.0228x²+0.0236x-0.1061

其中y表示触头直线行程，单位mm；x表示主轴角位移，单位度。

对于合闸过程也可以得到类似的结果，由此可以看出，拟合后的结果与实际结果很好的吻合。而通过角位移传感器测得角度的变化，进而转化为直线行程，实现了使用简单装置实现高精度测量的关系。但是上述公式仅针对该实施例中的设备，对于不同的设备，上述拟合公式会不同。

在另一个实施例中，所述装置在高压SF₆断路器的开关设备一侧注入高频信号，在另一侧通过量级为几个欧姆的电阻提取电压信号，并在实测过程中实时监测电压信号随时间的动态变化关系，通过记录数据并绘制U-t曲线来获得动静弧触头接触时间。

更优的，所述装置包括信号注入模块和信号提取模块；所述信号注入模块包括信号源、第一电容，所述信号源与第一电容串联，进而通过电容耦合方式，在高压SF6断路器开关设备的输入端注入4.999MHz的正弦信号；所述信号提取模块包括电阻、第二电容，所述电阻与第二电容串联，进而通过电容耦合方式在高压SF₆断路器开关设备的输出端，提取所述电阻上的电压信号。而为了清晰明显的程序开关动作时系统的变化，所述信号提取模块中的电阻为性能优异的定值电阻，以保证提取的准确性。

由于在高压侧电网中本来存在50Hz工频高压及一系列谐波，而受到信号源成本及工艺的限制，信号源的电压仅能是伏级，并不会很大。如果其信号频率与工频相接近，必然会淹没在工频高压信号及其谐波之下，因此注入信号频率应达到MHz级别，以避免高压电网中信号的干扰。另一方面，在主触头与弧触头发生动作的过程中，电阻的变化并不明显，均为几个微欧，变化比较明显的是其电感。弧触头接触时，其电感是700nH/m，主触头与弧触头均接触时为320nH/m，如果选择注入信号为MHz级别时，触头动作时的电阻变化将达到几个欧姆级别，相对明显的多。综上，将注入信号频率确定为4.999MHz，信号频率不设定太高是因为过高的频率不容易产生而且在线路中衰减过快，另外频率设置为50Hz的非整数倍，有利于减轻工频信号谐波的影响。

优选的，使用绝缘性好的电容器可以保护所述装置不被击穿。

优选的，所述第一电容、第二电容的大小以能减小信号注入回路的阻抗值为宜。在一个实施例中，将第一电容和第二电容选择为1000pF就可以有效的减小信号注入回路的阻抗值。

优选的，所述信号注入模块还包括第三电容，所述信号源与第一电容串联后与第三电容并联；所述信号提取模块还包括第四电容，所述电阻与第二电容串联后与第四电容并联。所述第三电容和第四电容可以滤除在触头开断过程中产生的高频噪声干扰，能够使测出的动静弧触头接触时间更为准确。

在一个实施例中，如图4所示，所述装置的信号源与第一电容(C₁)串联后，再与第三电容(C₃)并联，向高压SF₆断路器开关设备的输入端注入4.999MHz的正弦信号；在高压SF₆断路器开关设备的输出端，用于提取信号的电阻与第二电容(C₂)串联后，再与第四电容(C₄)并联。

可选的，采用变压器代替所述信号源的方式以增加安全性。

更进一步地，由于高电压线路上往往存在很强的背景噪声，为了实现对高压SF₆开关设备单独弧触头单独接触行程的准确测量，所述装置还包括有第一乘法器和第二乘法器的锁相放大器；所述信号源能够产生两路正交正弦波和一个激励源，其中两路正交正弦波中的一路被送到第一乘法器作为参考信号，结合图5，为图中的第一参考信号；另一路经90度相移后送入第二乘法器作为参考信号，结合图5，另一路即为图中第二参考信号；所述激励源产生与正交正弦波同频的正弦信号，经过高压SF₆断路器开关设备后，输出测量信号；结合图5，经提取的测量信号依次经过锁相放大器的带通滤波器、放大调整电路后进入第一乘法器和第二乘法器；经第一乘法器和第二乘法器处理后的信号依次经过第一低通滤波器和第二低通滤波器后输出到平方和电路。在进行平方和运算后，通过单片机来实现采集和处理。

在这里使用两个乘法器的原因在于所述信号注入模块注入的信号频率达到了4.999MHz，远超过了现有集成芯片的工作范围，因而对锁相放大器设计了两个乘法器以实现对高频信号的测量。这样的设计使得输出结果与参考信号和测量信号之间的相移无关，可以极大提升对环境的抗干扰能力。

在一个实施例中，所述信号源采用DDS作为全数控函数信号发生器，选用两片AD9851芯片，该芯片时钟频率可达180MHz，输出频率可达70MHz，分辨率为0.04Hz。同时使用ARM处理器来进行数据采集，采集之后，通过光纤进行数据传输。

在一个实施例中，所述装置在高压SF₆断路器开关设备输入端还包括输入保护电路，所述输入保护电路与所述信号注入模块串联，由瞬态过电压抑制管构成。

在一个实施例中，为了能更好的实现在线实时监测，所述装置还包括在高压SF₆断路器的分合闸电磁铁导线上安装一个霍尔传感器，用于高压SF₆断路器的开关动作导致导线中的电流发生的变化。这样当所述装置与计算机连接时，可以通过霍尔传感器发出的信号控制系统监测工作。

在一个实施例中，所述装置使用了霍尔传感器和ARM处理器。当SF₆断路器进行分闸动作时，霍尔传感器率先感知到这一动作，立即给ARM处理器发出触发信号，ARM处理器随即开启ADC(模数转换器)对LIA(锁相放大器)的输出电平和角位移传感器输出电平进行采样，开启采样的同时ARM处理器也开启其内部计时器进行计时，待整个分闸动作结束，ARM处理器结束采样与计时，开始进行数据处理与分析。数据处理结束后，可以通过光纤将数据传送到监测中心进行进一步的分析与处理，最后监测中心向ARM发出指令，ARM复位。

综上所述，所述装置被安装在高压开关设备进线和出线端，不影响设备的原有性能、参数以及可靠性，因此适应不同变电站、不同电气主接线方式、不同二次回路设计的要求，不受外界环境的影响，并能对高压断路器进行长期连续监测；通过所述数据采集单元能把数据送到上级计算机，可以进一步建立高压断路器的状态数据库，从而应用信号处理技术，能对断路器运行状态的相关数据进行分析；所述装置精度高，可达几百微秒级别，因而能对高压SF₆断路器的电寿命进行较为准确的评估，有利于掌握电力设备的当前状态并为检修提供有效预测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种高压SF₆断路器电寿命监测装置，其特征在于：

所述装置利用高频时主触头开断与关合情况下分布感抗的不同，来监测动静弧触头单独接触时间；然后利用动静弧触头接触时间与弧触头单独接触行程的对应关系，将测量的动静弧触头接触时间换算成弧触头单独接触行程；再结合事先通过实验得到的弧触头单独接触行程与电寿命的对应关系，从而评估所述高压SF₆断路器的电寿命。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

优选的，所述弧触头单独接触行程通过断路器开关动作行程曲线与获得的动静弧触头接触时间相结合来测量，所述断路器开关动作行程曲线为动触头直线位移行程与高压SF₆断路器开关动作时间关系图。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述装置通过在高压SF₆断路器主轴上安装角位移传感器来测量主轴角位移行程，通过曲线拟合的方式得到动触头直线位移行程，进而获得断路器开关动作行程曲线。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述装置在高压SF₆断路器的开关设备一侧注入高频信号，在另一侧通过量级为几个欧姆的电阻提取电压信号，并在实测过程中实时监测电压信号随时间的动态变化关系，通过记录数据并绘制U-t曲线来获得动静弧触头接触时间。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述装置包括信号注入模块和信号提取模块；

所述信号注入模块包括信号源、第一电容，所述信号源与第一电容串联，进而通过电容耦合方式，在高压SF₆断路器开关设备的输入端注入4.999MHz的正弦信号；

所述信号提取模块包括电阻、第二电容，所述电阻与第二电容串联，进而通过电容耦合方式，在高压SF₆断路器开关设备的输出端提取所述电阻上的电压信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述第一电容、第二电容的大小以能减少回路阻抗为宜。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述信号注入模块还包括第三电容，所述信号源与第一电容串联后与第三电容并联；所述信号提取模块还包括第四电容，所述电阻与第二电容串联后与第四电容并联。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括有第一乘法器和第二乘法器的锁相放大器；

所述信号源能够产生两路正交正弦波和一个激励源，其中两路正交正弦波中的一路被送到第一乘法器作为参考信号，另一路经90度相移后送入第二乘法器作为参考信号；

所述激励源产生与正交正弦波同频的正弦信号，经过高压SF₆断路器开关设备后，输出测量信号；

经提取的测量信号依次经过锁相放大器的带通滤波器、放大调整电路后进入第一乘法器和第二乘法器；

经第一乘法器和第二乘法器处理后的信号依次经过第一低通滤波器和第二低通滤波器后输出到平方和电路。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述装置在高压SF₆断路器开关设备输入端还包括输入保护电路，所述输入保护电路与所述信号注入模块串联，由瞬态过电压抑制管构成。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括在高压SF₆断路器的分合闸电磁铁导线上安装一个霍尔传感器，用于高压SF₆断路器的开关动作导致导线中的电流发生变化时，发出触发信号以实现在线实时监测。