CN105093103A - Sf6断路器状态监测方法和氟化亚硫酰气体浓度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及SF₆断路器状态监测方法和氟化亚硫酰气体浓度监测装置，检测SF₆断路器中的SF₆的分解物：氟化亚硫酰的浓度，根据所述氟化亚硫酰的浓度判断SF₆断路器的状态，实施上述方法的监测装置包括信息采集处理单元和处理单元，信息采集处理单元包括依次连接的传感器模块、电流-电压转换模块和模数转换模块，处理单元为一个控制器，模数转换模块的输出端连接控制器的输入端。本发明提供的气体浓度监测装置的体积小，便于携带，成本低廉，大规模生产成本更低。可以很好地对气体浓度进行检测，检测精确度高，检测范围广，抗电磁干扰能力强，容易实现，适合于工程实际应用。

Description

SF6断路器状态监测方法和氟化亚硫酰气体浓度监测装置

技术领域

本发明涉及SF₆断路器状态监测方法和氟化亚硫酰气体浓度监测装置，属于电力系统高压断路器在线监测技术领域。

背景技术

随着电力系统朝着高压、大容量的方向发展，保证电力设备的安全运行越来越重要，停电事故给国民经济和人民生活带来的影响与损失越来越大。高压电力设备是组成电力系统的基本元件，是保证电力系统运行可靠性的基础。高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，在电网中起到控制和保护作用，即根据电网运行的需要用它来可靠的投入或切除相应的线路或电气设备。当线路或电气设备发生故障时，将故障部分从电网中快速切除，保证电网无故障部分正常运行。如果断路器不能在电力系统发生故障时开断线路、消除故障，就会使事故扩大造成大面积的停电。因此高压断路器性能的好坏、工作的可靠程度是决定电力系统安全运行的重要因素。

相比于人，电气设备也有其寿命，即电气设备的使用寿命。在使用寿命期间，电气设备也会“生病”，即发生故障。在各种外力的作用下，电气设备会生一定的损伤，随着损伤不断累积，以及材料的不断老化，强度将会不断降低，最终使得电气设备发生部件的损坏，甚至整体的损坏，导致电气设备无法实现正常的功能，那么，也就标志着此电气设备使用寿命的终止。如果可以对当前电气设备的剩余寿命进行准确的预测，并运用合理的维护措施，便可实现电气设备寿命的优化。为了有效延长电气设备的使用寿命，并为实现电气设备的安全使用和经济效益之间的最佳平衡提供科学依据，就需要对电气设备进行在线监测，而如何科学地在线监测是评估其电寿命是一个亟待解决的问题。

根据对国内外电气设备剩余寿命评估发展现状的分析可知，目前电气设备电余寿命评估大都是针对电力变压器和发电机研究的，而在高压断路器上的研究甚少。此外，电气设备现阶段的检修方式还主要停留在定期检修上，少部分地区仍然为故障检修，这些方法在一定程度上能够解决断路器的故障问题，但是，这些方法具有一定的局限性，即并不能实时反应电气设备的状态，并且需要耗费较大的财力物力。针对上述问题，有必要开发一套完整的SF₆断路器电寿命在线监测装置，准确地反映设备的实时状态，为检修方式的升级提供技术指导。如申请号为201320694109.5，发明名称为《高压断路器状态监测系统》的中国专利申请公开了一种SF₆断路器的状态监测系统，采集SF₆温度、密度、湿度、压力、露点、微水、分合闸线圈电流、主回路电流等参数，将上述参数传输给断路器状态监测IED以诊断其机械特性及运行状态，实时给出状态信息。

另外，研究表明，影响电寿命的主要因素是电磨损，包括灭弧室、灭弧介质、触头三方面，起决定性作用的是触头的电磨损。伴随电弧的燃烧过程，触头烧蚀产生大量金属蒸气，金属蒸气与触头的烧蚀程度及断路器的电寿命密切相关，是诊断断路器电寿命的关键特征量。例如，申请号为201420229701.8的中国专利申请文件中公开了一种铜金属蒸汽浓度检测系统，该系统通过检测断路器中的铜金属蒸汽浓度来对断路器进行诊断。因为铜金属一般状况下是固体，其只有在灭弧室内部温度大于铜的蒸发温度时才会以蒸汽的形式存在，此温度一般为1500K以上，在这种情况下，一般的传感器无法使用，即使是一些耐高温的传感器也不能有效地进行使用，所以该方法很难实用化。而且，灭弧室中的内部温度不可能维持在高温度下，在温度下降后，铜金属蒸汽会固化或者与其他气体反应生成化合物，铜金属蒸汽浓度大幅降低，由于此时铜金属蒸汽浓度和断路器的状态没有了对应关系，所以根本不可能通过检测铜金属蒸汽浓度有效地进行断路器的状态的诊断。

发明内容

本发明的目的是提供一种SF₆断路器状态监测方法，用于解决传统的利用检测铜金属蒸汽浓度不能有效进行断路器状态诊断的问题，本发明同时提供一种氟化亚硫酰气体浓度监测装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种SF₆断路器状态监测方法，检测SF₆断路器中的SF₆的分解物：氟化亚硫酰的浓度，根据所述氟化亚硫酰的浓度判断SF₆断路器的状态。

当氟化亚硫酰的浓度小于或者等于3μL/L时，断路器的开断次数为15～20次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于3μL/L、且小于或者等于257μL/L时，断路器的开断次数为10～15次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于257μL/L、且小于或者等于568μL/L时，断路器的开断次数为5～10次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于568μL/L、且小于或者等于957μL/L时，断路器的开断次数为1～5次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于957μL/L时，断路器需要检修。

一种实施上述SF₆断路器状态监测方法的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，所述监测装置包括信息采集处理单元和处理单元，所述信息采集处理单元包括依次连接的传感器模块、电流-电压转换模块和模数转换模块，所述处理单元为一个控制器，所述模数转换模块的输出端连接所述控制器的输入端。

所述信息采集处理单元还包括隔离模块，所述模数转换模块的输出端通过所述隔离模块连接所述控制器的输入端。

所述信息采集处理单元还包括单端信号转差分模块，所述电流-电压转换模块的输出端通过所述单端信号转差分模块连接所述模数转换模块的输入端。

所述监测装置还包括通信模块，所述隔离模块的输出端通过所述通信模块连接所述控制器的输入端。

所述监测装置还包括一个用于为所述监测装置供电的开关电源模块，所述开关电源模块通过电源滤波模块连接所述电流-电压转换模块、单端信号转差分模块、模数转换模块、隔离模块和通信模块。

所述监测装置套设在一个电磁屏蔽罩内。

因为断路器在使用过程中，其中SF₆分解物浓度的含量与断路器的触头的烧蚀程度及断路器的电寿命密切相关，所以，只需监测断路器中的SF₆分解物浓度就可得出断路器的状态信息，该方式不需要监测断路器的其他多个参数信息，只需监测一个与断路器的状态密切相关的参数，根据该参数得出断路器的状态，该方式过程简单，有效，没有其他的参数的干扰，较传统的方式更加高效。另外，由于氟化亚硫酰在常温下即为一种气态物质，所以，传感器可以随时进行气体浓度的检测，检测环境没有限制，也不必像铜金属蒸汽那样需要很高的环境温度才能够检测，所以，一般的传感器即可进行检测，对传感器没有过高的要求；而且，由于氟化亚硫酰不存在温度的降低而固化或者与其他物质反应生成其他化合物的情况，所以，在任何情况下，氟化亚硫酰的浓度均与断路器的状态有对应的关系，不存在由于气体固化或者与其他物质反应而造成的气体浓度大幅下降的情况，通过检测氟化亚硫酰的浓度能够对断路器的状态做出有效地诊断。

本发明提供的气体浓度监测装置的体积小，便于携带，成本低廉，大规模生产成本更低。可以很好地对气体浓度进行检测，检测精确度高，检测范围广，抗电磁干扰能力强，容易实现，适合于工程实际应用。

附图说明

图1是SF₆断路器状态监测方法实施例中的气体浓度监测装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

SF₆断路器状态监测方法实施例

如图1所示为用于检测SF₆断路器中的SF₆的主要分解物——氟化亚硫酰浓度的监测装置，包括信息采集处理单元和控制器，信息采集处理单元包括依次连接的传感器模块、电流-电压转换模块、单端信号转差分模块、模数转换模块、隔离模块和通信模块；模数转换模块的输出端通过隔离模块连接控制器的输入端。控制器根据采集到的氟化亚硫酰的浓度对断路器的电寿命状态进行分析和判断。

该监测装置还包括一个用于为监测装置中的各个模块供电的开关电源模块，开关电源模块通过电源滤波模块连接电流-电压转换模块、单端信号转差分模块、模数转换模块、隔离模块和通信模块。电源滤波模块用于滤除整个系统供电上面的干扰，具体为：在开关电源输入端采用电力滤波器滤出电网电压波动的影响，在开关电源输出端采用无源网络滤除开关电源输出端电压噪声。

单端信号的抗干扰能力较差分信号弱，通过使用单端信号转差分模块将单端信号转换为差分信号，能够提升信号的抗干扰能力，作为其他的实施例，单端信号转差分模块可以省略不用。

传感器模块具体为一种纳米尺度的传感器，通过电极放电将氟化亚硫酰气体浓度转换为电流信号，其安装在SF₆断路器灭弧室内壁，离喷口距离以电弧不损坏传感器模块为准，并套有电磁屏蔽罩，防止外来电磁信号的干扰。除去传感器模块，该监测装置设置在断路器外部，为了防止外在信号的干扰，在该监测装置外面也套有电磁屏蔽罩。在该监测装置外部套有电磁屏蔽罩，能够有效地抗电磁干扰，防止其他信号侵入造成监测上的误差。

电流-电压转换模块包括高精度对数放大器，利用高精度对数放大器将电流信号转换为电压信号,实现宽动态范围数据的采集，高精度对数放大器为ADI公司的输入电流在pA-mA之间的ADL5304系列芯片。因为在对微弱信号进行检测的过程中，集成运算放大器对电路的干扰非常大，因此应当选择接近理想运放的集成芯片。为配合供电电路、减少功率消耗和提高测量精度，可以按照如下要求选择电流-电压转换模块中的运算放大器：较低的偏置电流、较低的输入失调电压和较低的零漂、较大的输入电阻和较高的共模抑制比、较大的开环放大倍数。特别是在信号转换类模块中，对集成运放的要求更高。在该发明中，由于输入电流在纳安级到毫安级，一般要求运放的偏置电流在小于纳安级，所以本实施例采用的ADL5304芯片可以很好的满足上述条件。电流-电压转换模块中采用高精度对数放大器进行信号的转换，功率低，而且电路简单，最重要的是，采集的信号动态范围达到109，最小的输入电流达到纳安级，所以输出结果精度高，便于实现高精度监测。

单端信号转差分模块用于将单端电压信号转换为差分信号，其包括一个运算放大器，该运算放大器采用TI公司生产的OPA2227高精度低噪声运算放大器。该器件具有极低的噪声系数，适合做微弱信号的后级处理。其输入失调电压在+25℃时最大值为75μV，在-40℃至+85℃温度范围内最大值为100μV，具有±2.5nA的CMOS输入偏置电流，工作在±2.5V至±18V双电源下。在0.1Hz-10Hz范围内，峰值电压噪声典型值为90nV，在10Hz，100Hz，1kHz时，电压噪声密度典型值分别为3.5nV/√Hz、3nV/√Hz、3nV/√Hz，电流噪声密度在1kHz时为0.4pA/√Hz。单端信号转差分模块利用内部的运算放大器和阻容原件将电流-电压转换模块输出的单端电压信号转化为差分信号。

模数转换模块将差分模拟信号转换成数字信号，通过隔离模块输出至通信模块，通信模块完成数据的存储、显示与传输。模数转换模块利用16位高速模数转换芯片完成模拟信号到数字信号的转换，单端信号转差分模块与模数转换模块配合使用来完成模拟信号到数字信号的转换，提高转换的准确度。隔离模块利用数字隔离器将模数转换模块与通信模块进行隔离，防止地线上面的窜扰。通信模块包括扩展RS232、CAN、RS485三种通信接口，实现信号的不同传输需求，外扩256MB的Flash与128MB的SDRAM实现数据的存储。

使用该气体浓度监测装置进行氟化亚硫酰的浓度监测时，传感器模块利用放电的形式将氟化亚硫酰浓度转化成电流信号，输出到电流-电压转换模块；电流电压转换模块将电流信号转换成电压信号，并输出至单端信号转差分模块；单端信号转差分模块利用运算放大器和阻容原件将电流-电压转换模块输出的单端电压信号转化成差分信号，并输出至模数转换模块；模数转换模块将模拟信号转换成数字信号，并输出至隔离模块；隔离模块利用数字隔离器将模数转换模块与通信模块进行隔离，防止地线上面的窜扰；通信模块利用ARM芯片完成数据的采集、滤波与存储，并实现多种接口的通信；控制器根据通信模块传输来的信号对断路器的电寿命状态进行分析和判断。

氟化亚硫酰与某一种型号的断路器的寿命之间关系如表1所示。所以通过检测氟化亚硫酰的浓度可判断断路器剩余开断的次数，即完成剩余电寿命的监测。

表1

氟化亚硫酰的浓度	断路器的寿命(次数)
		≤3μL/L	15～20
≥3μL/L，≤257μL/L	10～15
		≥257μL/L，≤568μL/L	5～10
≥568μL/L，≤957μL/L	1～5
		≥957μL/L	断路器检修

也就是说，检测SF₆断路器中的氟化亚硫酰的浓度，根据氟化亚硫酰的浓度判断断路器的电寿命状态。

上述实施例中，模数转换模块输出连接隔离模块，隔离模块输出连接通信模块，作为其他的实施例，该监测装置中可以没有隔离模块和通信模块。

上述实施例中，高精度对数放大器和单端信号转差分模块中的运算放大器给出了具体型号，给出具体型号只是为了说明技术方案，作为其他的实施例，高精度对数放大器和单端信号转差分模块中的运算放大器并不局限与上述具体的型号。

上述实施例中，本发明的SF₆断路器状态监测方法是利用本发明中的气体浓度监测装置在实现的，作为其他的实施例，该SF₆断路器状态监测方法还可以利用现有技术中的气体浓度监测装置来实现，只要该监测装置能够对SF₆断路器中的SF₆分解物进行有效测量即可。

气体浓度监测装置实施例

该气体浓度监测装置在上述实施例中已经有详细的描述，这里不做赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种SF₆断路器状态监测方法，其特征在于，检测SF₆断路器中的SF₆的分解物：氟化亚硫酰的浓度，根据所述氟化亚硫酰的浓度判断SF₆断路器的状态。

2.根据权利要求1所述的SF₆断路器状态监测方法，其特征在于，当氟化亚硫酰的浓度小于或者等于3μL/L时，断路器的开断次数为15～20次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于3μL/L、且小于或者等于257μL/L时，断路器的开断次数为10～15次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于257μL/L、且小于或者等于568μL/L时，断路器的开断次数为5～10次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于568μL/L、且小于或者等于957μL/L时，断路器的开断次数为1～5次；当氟化亚硫酰的浓度大于或者等于957μL/L时，断路器需要检修。

3.一种实施权利要求1所述的SF₆断路器状态监测方法的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，其特征在于，所述监测装置包括信息采集处理单元和处理单元，所述信息采集处理单元包括依次连接的传感器模块、电流-电压转换模块和模数转换模块，所述处理单元为一个控制器，所述模数转换模块的输出端连接所述控制器的输入端。

4.根据权利要求3所述的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，其特征在于，所述信息采集处理单元还包括隔离模块，所述模数转换模块的输出端通过所述隔离模块连接所述控制器的输入端。

5.根据权利要求4所述的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，其特征在于，所述信息采集处理单元还包括单端信号转差分模块，所述电流-电压转换模块的输出端通过所述单端信号转差分模块连接所述模数转换模块的输入端。

6.根据权利要求5所述的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括通信模块，所述隔离模块的输出端通过所述通信模块连接所述控制器的输入端。

7.根据权利要求6所述的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括一个用于为所述监测装置供电的开关电源模块，所述开关电源模块通过电源滤波模块连接所述电流-电压转换模块、单端信号转差分模块、模数转换模块、隔离模块和通信模块。

8.根据权利要求3所述的氟化亚硫酰气体浓度监测装置，其特征在于，所述监测装置套设在一个电磁屏蔽罩内。