CN105719900B - 一种微波的真空断路器真空度预警装置 - Google Patents

一种微波的真空断路器真空度预警装置 Download PDF

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Abstract

一种微波的真空断路器真空度预警装置，包括微处理器模块、微波发生电路、微波反馈电路，微处理器模块分别连接功能按键模块、声光报警模块、远程通讯接口。微处理器模块分别连接微波发生电路、微波反馈电路，所述微波发生电路、微波反馈电路连接同轴线。本发明一种微波的真空断路器真空度预警装置，能够承受高电压、强电场以及工作时有温升条件下的环境温度，该装置的安装不影响真空断路器的各项性能指标。该装置能够精确反应真空断路器真空度的优劣情况，通过远程通讯接口连接监控室，能够同步、直观的显示装置采集和传输的数据信息。

Description

一种微波的真空断路器真空度预警装置
技术领域
本发明一种微波的真空断路器真空度预警装置，涉及真空断路器真空度检测领域。
背景技术
真空高压断路器是电力系统中最重要的设备之一，它在电网中主要起着控制、保护、安全隔离的作用，具有绝缘性能好、开距小、电弧电压低、电弧能量小、电气机械寿命高、开合额定开断电流次数多等一系列优点，普遍用于10-35kV开关柜内，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益。真空断路器在运行过程中真空度会逐步下降，真空泄露到一定程度，分合闸时开关会发生爆炸。目前，供电系统大都采用真空断路器断口间交流耐压试验进行真空度检测，该技术仅能检测到断路器真空度是否完好，但对真空灭弧室初期泄露检测不明显，更不能量化真空度，对真空度预警上存在盲区。
由于真空断路器在10～35kV供电网络中的重要性，并且真空断路器复杂的密封结构也不允许以常规手段进行检修，故真空度运行性能的带电监测已经成为一次设备状态检修领域的重要课题。目前用于试验的断路器真空度检测方法有很多，但是大部分都是离线检测方法，主要包括：工频耐压法，观察法，火花检漏计法，吸气剂颜色变化判定法，高频放电法，磁控放电法，脉冲电流法等，相对来说，其应用已经较为成熟。为提高配电系统的供电可靠性，减少停电时间，提高经济效益，人们提出了对于断路器真空度的在线监测。这意味着要在不改动真空断路器主体结构以及需要在带电的前提下，且无论断路器处于合闸还是断开的状态，都可以随时监测其真空度的变化，从而对真空断路的真空度进行预警。
发明内容
本发明提供一种微波的真空断路器真空度预警装置，能够承受高电压、强电场以及工作时有温升条件下的环境温度，该装置的安装不影响真空断路器的各项性能指标。该装置能够精确反应真空断路器真空度的优劣情况，通过远程通讯接口连接监控室，能够同步、直观的显示装置采集和传输的数据信息。
本发明所采用的技术方案是：
一种微波的真空断路器真空度预警装置，包括微处理器模块、微波发生电路、微波反馈电路，微处理器模块分别连接功能按键模块、声光报警模块、远程通讯接口。微处理器模块分别连接微波发生电路、微波反馈电路，所述微波发生电路、微波反馈电路连接同轴线。
所述微波反馈电路包括差动放大电路、带通滤波器、整流滤波电路。
所述微处理器模块为66AK2L06型微处理器。
所述远程通讯接口为RS485通讯接口。
一种微波的真空断路器真空度预警装置，安装到真空断路器被监测部分的正对面15cm左右范围内，或者是小推车上。因为800MHz的微波的在真空中的波长为0.375cm，在其余介质中的波长均小于该值，而传播距离越长，对波的衰减越严重，同时每半个周期均会出现一个最大幅值，因此只需要在半个波长范围内，即18.75cm，加上真空屏蔽罩离最外层的距离，监测装置装到被监测部分正对面L＝15cm左右的范围即可。
一种微波的真空断路器真空度检测方法，同轴线发出微波信号，在空气中传播到真空断路器的被监测部分，微波信号依次经过上绝缘硅橡胶复合套管、左侧空气层、硅胶层、右侧空气层到达真空灭弧室；再经过陶瓷、真空灭弧室内气体，最后再金属屏蔽罩上发生全反射，在微波信号穿过的这些介质中，除了真空灭弧室内气体的介电常数会变化外，其余介质的介电常数均不变；采用传输法进行介电常数的测量，用微波信号的反射系数对介电常数的变化进行量化，从而测出真空断路器中真空度的变化。
一种微波的真空断路器真空度预警方法，接收并处理微波反射信号，得到反射波的振幅，当真空灭弧室内真空度下降时，真空灭弧室内气体的相对介电常数就变大，使得反射波的振幅下降；当真空度下降到一定程度时，此时反射波的振幅也下降到了阈值，声光报警模块就会出现声光报警，同时给远程监控室提出预警。
本发明一种微波的真空断路器真空度预警装置，能够承受高电压、强电场以及工作时有温升条件下的环境温度，该装置的安装不影响真空断路器的各项性能指标。该装置能够精确反应真空断路器真空度的优劣情况，通过远程通讯接口连接监控室，能够同步、直观的显示装置采集和传输的数据信息。
附图说明
图1为12kV真空断路器电压等级和开始放电压力的关系图。
图2(a)为本发明的电压反射系数、入射电压波的振幅、反射电压波的振幅电路图。
图2(b)为图2(a)的等效电路图。
图3为本发明装置的硬件连接示意图。
图4为本发明的测试原理图。
图5为本发明的等效电路图：
其中图5(a)是图4的等值电路；
图5(b)是从真空灭弧室内气体看过去的输入阻抗电路；
图5(c)是从陶瓷看过去的输入阻抗电路；
图5(d)是从右侧空气层看过去的输入阻抗电路；
图5(e)是从硅胶层看过去的输入阻抗电路；
图5(f)是从左侧空气层看过去的输入阻抗电路；
图5(g)是从上绝缘硅橡胶复合套管看过去的输入阻抗电路；
图5(h)是从空气看过去的输入阻抗电路。
图6为本发明的安装示意图。
其中：1-同轴线，2-微波发生电路，3-微波反馈电路，4-微处理器模块，5-功能按键模块，6-声光报警模块，7-远程通讯接口，8-微波信号，9-真空断路器的被监测部分，10-上绝缘硅橡胶复合套管，11-左侧空气层，12-硅胶层，13-右侧空气层，14-真空灭弧室，15-陶瓷，16-真空灭弧室内气体，17-金属屏蔽罩。18-上出线端子，19-导电夹，20-下出线端子，21-法兰，22-绝缘拉杆，23-电流互感器，24-下绝缘硅橡胶复合套管，25-压簧，26-硅橡胶出线套，27-拉杆套，28-指针。
具体实施方式
一种微波的真空断路器真空度预警装置，包括微处理器模块4、微波发生电路2、微波反馈电路3，微处理器模块4分别连接功能按键模块5、声光报警模块6、远程通讯接口7。微处理器模块4分别连接微波发生电路2、微波反馈电路3，所述微波发生电路2、微波反馈电路3连接同轴线1。
所述微波反馈电路3包括差动放大电路、带通滤波器、整流滤波电路。先用带通滤波器滤波，然后经过整流滤波电路处理，最后利用差动放大电路对微波进行处理。
所述微处理器模块4型号：66AK2L06
所述远程通讯接口7型号：RS485通讯接口。
所述功能按键模块5包括两个独立按键，分别实现自检、复位功能。
所述声光报警模块6包括发光二极管、蜂鸣器。
真空断路器真空度≤6.6×10-2Pa时，真空断路器的带电分、合触头与中间屏蔽罩之间的绝缘状态良好。但随着真空断路器的存放、运行的时间增加，真空灭弧室14的真空度会降低。当真空断路器的真空灭弧室14内真空度劣化时，真空灭弧室14中的闭合触头与屏蔽罩之间会产生放电，放电大致分为预防电和击穿放电两个阶段。当真空度劣化时，会出现预防电，此时的真空度仍处于高真空状态。在实际运行过程中，12kV真空断路器真空灭弧室内压强上升到5～10Pa时击穿电压才会大幅度下降，如图1所示。影响电力系统正常的生产，因此只要能在10Pa之前时对真空断路器真空度进行预警，就能保证真空断路器得到最大程度的使用。
真空度与气体的相对介电常数相关，真空度越大，相对介电常数越大。当真空灭弧室14内处于真空时，真空灭弧室14内气体的相对介电常数为1。当真空灭弧室14内真空度等于10Pa时，真空灭弧室14内气体的相对介电常数则变成了1.00000006。而相对介电常数的改变也改变了微波信号的波阻抗，从而使微波信号的电压反射系数也随之改变。如图2(a)所示，电压反射系数Γ就是入射电压波的振幅与反射电压波的振幅的比值，从公式可以看出，Γ跟波阻抗相关，也就是和相对介电常数即与真空度相关，可以通过反射电压波的振幅体现出来。如图2(b)是图2(a)的等效电路，从z＝-l处朝负载看去的输入阻抗为通过真空断路器真空度预警装置发射微波信号8并接受反射回来的微波信号，经过微波反馈电路3的处理，得到电压振幅。当电压振幅下降到一个阈值时，说明真空灭弧室内气体16的真空度到了可允许的最高上限，本发明装置就会报警，已达到在线预警目的。
如图4、图5所示，本发明一种微波的真空断路器真空度预警装置，通过同轴线1发出800MHz的微波信号8，在空气中传播到真空断路器的被监测部分9，微波信号8依次经过上绝缘硅橡胶复合套管10、左侧空气层11、硅胶层12、右侧空气层13到达真空灭弧室14；再经过陶瓷15、真空灭弧室内气体16，最后在金属屏蔽罩17上发生全反射。在微波信号8穿过的这些介质中，除了真空灭弧室内气体16的介电常数会变化外，其余介质的介电常数均不变。采用传输法进行介电常数的测量，用微波信号8的反射系数对介电常数的变化进行量化，从而测出真空断路器中真空度的变化。
等效电路如图5所示。有公式波阻抗其中μ0＝4π×10-7H/m为真空磁导率，ε0＝8.854×10-12F/m为真空介电常数，εr为介质的相对介电常数。传播常数其中ω＝2π·f为角频率，μ为介质的磁导率。在正常状态下，上绝缘硅橡胶复合套管10、空气、左侧空气层11、右侧空气层13、硅胶层12、陶瓷15、真空灭弧室内气体16和金属屏蔽罩17的磁导率均等于真空磁导率。
空气、左侧空气层11、右侧空气层13的εr＝1.000585，上绝缘硅橡胶复合套管10的εr＝2.2～3.5，硅胶层12的εr≥5.1，陶瓷15的εr≥6，金属屏蔽罩17的εr≤10。根据各个介质的相对介电常数和磁导率，分别算出波阻抗Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8，以及传播常数β1、β2、β3、β4、β5、β6、β7、β8。
图(5a)是图4的等值电路。图(5b)是从真空灭弧室内气体16看过去的输入阻抗为Zin7＝Z8，此时真空灭弧室内气体16与金属屏蔽罩17分界面上的反射系数
Zin7：从真空灭弧室内气体16看过去的输入阻抗；
Z8：金属屏蔽罩的波阻抗；
Γ78：真空灭弧室内气体16与金属屏蔽罩17分界面上的反射系数；
Z7：真空灭弧室内气体的波阻抗。
图(5c)是从陶瓷15看过去的输入阻抗此时陶瓷15与真空灭弧室内气体16分界面上的反射系数
Zin6：从陶瓷15看过去的输入阻抗；
Z7：真空灭弧室内气体中的波阻抗；
Γ78：真空灭弧室内气体16与金属屏蔽罩17分界面上的反射系数；
β7：真空灭弧室内气体16的传播常数；
d6：真空灭弧室内气体16的厚度；
Γ67：陶瓷15与真空灭弧室内气体16分界面上的反射系数；
Z6：陶瓷15中的波阻抗。
图(5d)是从右侧空气层13看过去的输入阻抗此时右侧空气层13与陶瓷15分界面上的反射系数同理可从图(5d)一直等效到图(5h)。图(5h)时从空气看过去的输入阻抗而空气与上绝缘硅橡胶复合套管10分界面上的反射系数即为所有反射波叠加后的微波反射波的反射系数。用装置接收并处理微波反射信号，得到反射波的振幅。当真空灭弧室14内真空度下降时，真空灭弧室内气体16的相对介电常数就变大，使得反射波的振幅下降。当真空度下降到一定程度时，此时反射波的振幅也下降到了阈值，声光报警模块6就会出现声光报警同时给远程监控室提出预警。
Zin5：从右侧空气层13看过去的输入阻抗；
Z6：陶瓷15中的波阻抗；
Γ67：陶瓷15与真空灭弧室内气体16分界面上的反射系数；
β6：陶瓷15的传播常数；
d5：陶瓷15的厚度；
Γ56：右侧空气层13与陶瓷15分界面上的反射系数；
Z5：右侧空气层13中的波阻抗；
Zin1：从空气看过去的输入阻抗；
Z2：上绝缘硅橡胶复合套管10中的波阻抗；
Γ23：上绝缘硅橡胶复合套管10与左侧空气11分界面上的反射系数；
β2：上绝缘硅橡胶复合套管10的传播常数；
d1：上绝缘硅橡胶复合套管10的厚度；
Γ12：空气与上绝缘硅橡胶复合套管10分界面上的反射系数；
Z1：空气中的波阻抗。
实施方式：
如图6所示：将本发明装置安装到真空断路器被监测部分5的正对面2m范围内，或者是小推车上，利用微波反馈电路3接收并处理微波反射信号，再利用微处理器模块4判断反射信号振幅是否到达阈值，当振幅达到阈值时，说明真空断路器的真空度出现了劣化，将判断结果通过声光报警模块6进行现场报警，并通过远程通讯接口7将结果传输至远程监控室。当10kV真空断路器真空度出现劣化时，声光报警模块6会亮灯并发声，同时远程监控室的显示屏会同步显示故障。

Claims (2)

1.一种微波的真空断路器真空度预警方法，其特征在于：包括一种微波的真空断路器真空度预警装置，该装置包括微处理器模块（4）、微波发生电路（2）、微波反馈电路（3），其特征在于，微处理器模块（4）分别连接功能按键模块（5）、声光报警模块（6）、远程通讯接口（7）；微处理器模块（4）分别连接微波发生电路（2）、微波反馈电路（3），所述微波发生电路（2）、微波反馈电路（3）连接同轴线（1）；
预警方法如下：
同轴线（1）发出微波信号（8），在空气中传播到真空断路器的被监测部分（9），微波信号（8）依次经过上绝缘硅橡胶复合套管（10）、左侧空气层（11）、硅胶层（12）、右侧空气层（13）到达真空灭弧室（14）；再经过陶瓷（15）、真空灭弧室内气体（16），最后再金属屏蔽罩（17）上发生全反射，在微波信号（8）穿过的这些介质中，除了真空灭弧室内气体（16）的相对介电常数会变化外，其余介质的介电常数均不变；采用传输法进行真空灭弧室内气体（16）的相对介电常数的测量，用微波信号（8）的反射系数对真空灭弧室内气体（16）的相对介电常数的变化进行量化，从而测出真空断路器中真空度的变化。
2.根据权利要求1所述一种微波的真空断路器真空度预警方法，其特征在于：接收并处理微波反射信号，得到反射波的振幅，当真空灭弧室（14）内真空度下降时，真空灭弧室内气体（16）的相对介电常数就变大，使得反射波的振幅下降；当真空度下降到一定程度时，此时反射波的振幅也下降到了阈值，声光报警模块（6）就会出现声光报警，同时给远程监控室提出预警。
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