CN111916305A - 一种高压真空断路器中真空度监测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压真空断路器中真空度监测方法及装置，获取待监测高压真空断路器的电磁波信号并将其转化为电信号；对转化后的电信号依次进行放大处理、带通滤波处理和再放大处理；将再放大处理后的电信号与比较器设定阈值对比，当设定时间内电信号的幅值大于比较器设定阈值的电信号达到设定计数器模值，则判断待监测高压真空断路器的真空度下降，以信号幅值作为第一个参量，一定时间内的脉冲信号次数作为第二个参量，并分别设定阈值进行比较，进而判断出真空灭弧室内真空度的降低程度，本发明利用电磁波信号来进行实时监测，并以脉冲信号幅值和次数作为参量进行判断，能在不接触灭弧室、不改变灭弧室结构的同时，实现对真空度的准确监测。
Description
技术领域
本发明属于高压真空断路器电气故障检测技术领域，具体涉及一种高压真空断路器中真空度监测方法和装置。
背景技术
断路器是电力系统中重要的电气控制设备。由于SF6具有很好的热化学性能和很强的负电性，以及优异的灭弧和绝缘性能，被广泛的应用于断路器中。但是SF6是一种温室气体，被列为受限制使用的气体。人们希望找到其他介质替代SF6，以减少对环境的影响。与SF6断路器相比，真空断路器体积小、开断性能好、运行寿命长(可达30年)，而且没有爆炸危险，维修工作量小，因此发展迅速，生产量不断上升。我国在20世纪60年代就开始研究真空灭弧室，70年代初开始生产真空灭弧室和真空断路器，目前我国已经是生产大国。随着技术愈发进步成熟，12kV及40.5kV电压等级中真空断路器有逐渐取代SF6断路器的趋势，20世纪初已经成功研制成功126kV户外真空断路器。大容量、高电压等级的真空断路器是未来的发展趋势。随着社会发展和人们经济水平的提高，对电力系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求。虽然真空断路器故障率较小，但是一旦发生故障将造成严重的经济损失。因此对真空断路器进行状态监测，及时发现缺陷和故障，成了人们关注的热点。
真空灭弧室具有封闭结构，很难对其内部状态进行监测，同时，高压真空断路器所处的电磁环境复杂，存在多种电磁噪声和电场干扰，加大了监测难度。目前主要有两类真空灭弧室内真空度监测方法，即离线式和在线式。离线式检测需要高压真空断路器退出运行，且定期检修会造成人力物力浪费。在线式监测可以对断路器实现实时的状态监测，发现故障及时报警，符合未来的发展趋势。但现有在线式监测技术还不够成熟，适用性较差。比如耦合电容法需要放置探测电极，且由于形成耦合电容，对断路器各部分的绝缘造成威胁；内置传感器法通过改变灭弧室内部结构，内置真空度传感器实现在线监测；电光测量法利用一些光学元件在电场中会改变光学性能来实现监测，但是光学元件工作稳定性差，且成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压真空断路器中真空度监测方法和装置，以克服现有技术的不足，本发明能够准确、可靠、快速辨识发生于高压真空断路器真空灭弧室中的真空度下降。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高压真空断路器中真空度监测方法，包括以下步骤：
步骤1)、获取待监测高压真空断路器的电磁波信号并将其转化为电信号；
步骤2)、对转化后的电信号依次进行放大处理、带通滤波处理和再放大处理；
步骤3)、将再放大处理后的电信号与比较器设定阈值对比，当设定时间内电信号的幅值大于比较器设定阈值的电信号达到设定计数器模值，则判断待监测高压真空断路器的真空度下降，触发继电器动作。
进一步的，带通滤波范围为2～20kHz。
进一步的，设定时间大于20s。
进一步的，比较器设定阈值和计数器模值的设定：通过标定模拟实验，以脉冲信号幅值作为x轴，设定时间内放电次数作为y轴，对应灭弧室内真空度为z轴，得到真空度对脉冲信号幅值和次数的标准曲线，然后通过定标曲线上的数据比较器设定阈值和计数器模值。
一种高压真空断路器中真空度监测装置，包括用于获取高压真空断路器电磁波信号的天线(1)，天线(1)依次连接于信号处理前电路(2)、信号处理中电路(3)、信号处理后电路(4)和判别比较电路(5)，天线(1)将获取的电磁波信号转化为电信号并传输至信号处理前电路(2)，信号处理前电路(2)将接收到的电信号放大，然后将放大后的电信号传输至信号处理中电路(3)进行滤波处理，滤波处理后的电信号传输至信号处理后电路(4)进行再次放大，再次放大后的电信号输入至判别比较电路(5)进行信号判别。
进一步的，信号处理前电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、电阻R1、电阻R2和电阻R3，运算放大器U1的同向输出端连接天线1，运算放大器U1的反向输入端连接运算放大器U1的输出端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U2的同向输出端，运算放大器U2的反向输入端连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端接地，运算放大器U2的输出端连接电阻R3的另一端和信号处理前电路输出端连接点A。
进一步的，信号处理中电路包括运算放大器U3、运算放大器U4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电子R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；电阻R4的一端连接运算放大器U2的输出端，电阻R4的另一端连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电容C2的一端和运算放大器U3的同向输出端，运算放大器U3的反向输入端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接运算放大器U3的输出端、电容C1的另一端和电容C3的一端，电容C3的另一端连接电容C4的一端和电阻R7的一端，电容C4的另一端连接电阻R8的一端和运算放大器U4的同向输出端，电阻R8的另一端接地，运算放大器U4的反向输入端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接运算放大器U4的输出端和电阻R7的另一端，运算放大器U4的输出端连接信号处理中电路的输出端，电阻R4的一端连接信号处理前电路输出端。
进一步的，信号处理后电路与信号处理前电路相同，信号处理后电路的输入端连接信号处理中电路的输出端。
进一步的，判别比较电路包括比较器以及与比较器连接的定时器和计数器。
进一步的，比较器包括运算放大器U7和电阻R13，运算放大器U7的同向输出端连接信号处理后电路输出端，运算放大器U7的反向输入端连接阈值信号输入模块，用于阈值信号设定，运算放大器U7的输出端连接电阻R13一端和定时器的输入端；定时器和计数器的输出端连接有继电器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种高压真空断路器中真空度监测方法，获取待监测高压真空断路器的电磁波信号并将其转化为电信号；对转化后的电信号依次进行放大处理、带通滤波处理和再放大处理；将再放大处理后的电信号与比较器设定阈值对比，当设定时间内电信号的幅值大于比较器设定阈值的电信号达到设定计数器模值，则判断待监测高压真空断路器的真空度下降，以信号幅值作为第一个参量，一定时间内的脉冲信号次数作为第二个参量，并分别设定阈值进行比较，进而判断出真空灭弧室内真空度的降低程度，本发明利用电磁波信号来进行实时监测，并以脉冲信号幅值和次数作为参量进行判断，能在不接触灭弧室、不改变灭弧室结构的同时，实现对真空度的准确监测，避免了定期停机检修带来的人力物力的浪费；当真空度下降到警戒值时，脉冲信号幅值超过比较器阈值，脉冲信号次数超过计数器模值，继电器动作发出警报，实现对高压真空断路器实时准确的监测，解决了以往在线监测方法精度不高的问题，保障了真空度在线监测的有效性，及时消除因真空度降低而引起的高压真空断路器故障，避免事故发生，保障电力系统安全稳定运行，使工作人员生命财产安全得到有效保护。
进一步的，设定时间大于20s，确保采集数据的准确性。
本发明一种高压真空断路器中真空度监测装置，采用信号处理前电路、信号处理中电路、信号处理后电路、判别比较电路进行信号判别，响应速度快，结构简单，利用触头和屏蔽罩之间脉冲放电辐射的电磁波来进行检测，并采用环形天线来接收电磁波信号，不用直接接触真空灭弧室，也不用形成耦合电容来利用电荷重新分配进行检测，所以不会对高压真空断路器各部分绝缘造成威胁，也不用在灭弧室内部放置传感器，所以不会改变灭弧室结构，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的真空监测装置结构图。
图2为本发明的监测高压真空断路器的方法流程图。
图3为现有高压真空断路器结构图。
图4为本发明实施例中灭弧室内真空度下降而导致触头与屏蔽罩之间发生脉冲放电，并向外辐射电磁波的说明图。
图5a为本发明实施例中信号处理前电路图。
图5b为本发明实施例中信号处理中电路图。
图5c为本发明实施例中信号处理后电路图。
图6为本发明实施例中判别比较电路图。
图中：1、天线；2、信号处理前电路；3、信号处理中电路；4、信号处理后电路；5、判别比较电路；6、继电器；7、静端盖板；8、动端盖板；9、绝缘外壳；10、静导电杆；11、动导电杆；12、触头；13、波纹管；14、屏蔽罩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种高压真空断路器中真空度监测方法，包括以下步骤：
步骤1)、获取待监测高压真空断路器的电磁波信号并将其转化为电信号；
步骤2)、对转化后的电信号依次进行放大处理、带通滤波处理和再放大处理；
步骤3)、将再放大处理后的电信号与比较器设定阈值对比，当设定时间内电信号的幅值大于比较器设定阈值的电信号达到设定计数器模值，则判断待监测高压真空断路器的真空度下降，触发继电器动作。
比较器设定阈值为F，计数器模值为M，定时器时间为T，计数器记录的电信号幅值大于比较器设定阈值F的次数，当T时间内幅值大于F的电信号的脉冲次数达到计数器的模值M时，判断真空度下降，触发继电器动作。
如图1、图4所示，一种高压真空断路器中真空度监测装置，包括用于获取高压真空断路器电磁波信号的天线1，天线1依次连接于信号处理前电路2、信号处理中电路3、信号处理后电路4和判别比较电路5，天线1将获取的电磁波信号转化为电信号并传输至信号处理前电路2，信号处理前电路2将接收到的电信号放大，然后将放大后的电信号传输至信号处理中电路3进行滤波处理，滤波处理后的电信号传输至信号处理后电路4进行再次放大，再次放大后的电信号输入至判别比较电路5进行信号判别。天线1采用环形天线，信号强，不容易失真。
如图5a所示，信号处理前电路包括电压跟随器和放大器AMP1，天线1连接电压跟随器的输入，电压跟随器的输出连接放大器AMP1；具体的，包括运算放大器U1、运算放大器U2、电阻R1、电阻R2和电阻R3，运算放大器U1的同向输出端连接天线1，运算放大器U1的反向输入端连接运算放大器U1的输出端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U2的同向输出端，运算放大器U2的反向输入端连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端接地，运算放大器U2的输出端连接电阻R3的另一端和信号处理前电路输出端连接点A，运算放大器U2的输出端为信号处理前电路的输出端；
如图5b所示，信号处理中电路包括低通滤波器和高通滤波器具体的，包括运算放大器U3、运算放大器U4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电子R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；电阻R4的一端连接运算放大器U2的输出端，电阻R4的另一端连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电容C2的一端和运算放大器U3的同向输出端，运算放大器U3的反向输入端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接运算放大器U3的输出端、电容C1的另一端和电容C3的一端，电容C3的另一端连接电容C4的一端和电阻R7的一端，电容C4的另一端连接电阻R8的一端和运算放大器U4的同向输出端，电阻R8的另一端接地，运算放大器U4的反向输入端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接运算放大器U4的输出端和电阻R7的另一端，运算放大器U4的输出端连接信号处理中电路的输出端B点，电阻R4的一端连接信号处理前电路输出端连接点A；
信号处理后电路与信号处理前电路相同；如图5c所示，包括运算放大器U5、运算放大器U6、电阻R10、电阻R11和电阻R12，运算放大器U5的同向输出端连接信号处理中电路的输出端B点，运算放大器U5的反向输入端连接运算放大器U5的输出端和电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接运算放大器U6的同向输出端，运算放大器U6的反向输入端连接电阻R11的一端和电阻R12的一端，电阻R11的另一端接地，运算放大器U6的输出端连接电阻R12的另一端和信号处理后电路输出端连接点C，运算放大器U6的输出端为信号处理后电路的输出端。
如图6所示，判别比较电路包括比较器以及与比较器连接的定时器和计数器；具体的，比较器包括运算放大器U7和电阻R13，运算放大器U7的同向输出端连接信号处理后电路输出端，运算放大器U7的反向输入端连接阈值信号输入模块，用于阈值信号设定，运算放大器U7的输出端连接电阻R13一端和定时器的输入端；定时器和计数器的输出端连接有继电器。
结合图1和图2，比较器阈值F和计数器模值M的设定，通过标定模拟实验，以脉冲信号幅值作为x轴，T时间内放电次数作为y轴，对应灭弧室内真空度为z轴，得到真空度对脉冲信号幅值和次数的标准曲线，然后通过定标曲线上的数据设定比较器阈值F和计数器模值M。定时器设定时间T应远大于工频电压周期，即T大于20s。
在监测过程中，天线1接收电磁波并将其转化为电信号传输至信号处理前电路2；经过信号处理前电路2中的放大器AMP1放大，然后传输到信号处理中电路3中；经过信号处理中电路3中低通滤波器后再经过高通滤波器，实现对信号的带通滤波效果；滤除后的信号输送到信号处理后电路4，信号处理后电路4中放大器AMP2将其放大后输送到判别比较电路5，当脉冲信号幅值大于比较器阈值F时，比较器输出高电平，计数器记录此高电平的次数，在定时器设定的时间T内，高电平次数达到计数器模值M时，触发继电器动作，警报真空度降低。
图3示出了高压真空灭弧室的结构图。所述真空度下降时脉冲放电发生在触头12和屏蔽罩14之间。图4是根据高压真空断路器的电磁波的辐射，通过结构如图1所示的真空监测装置检测电磁波的说明图。当高压真空断路器真空灭弧室内真空度降低时，根据Paschen定律，触头12和屏蔽罩14之间绝缘强度下降，击穿电压VB减小，当触头12和屏蔽罩14之间电势差ΔU达到击穿电压VB时，触头和屏蔽罩之间发生脉冲放电，导致电势的突然变化并向外辐射电磁波。根据试验，即使电源电压U改变，和高压真空断路器容量改变，电磁波频率都是2～20kHz。
结合图5至图6所示，先通过模拟定标实验，在定标曲线上找到想要发出警报时的真空度以及相应的脉冲信号幅值的阈值和脉冲信号次数的阈值，比如1.33×10-1Pa时对应的脉冲信号幅值的阈值和脉冲信号次数的阈值，并在图5中阈值信号输入端口输入此时的脉冲信号幅值的阈值，计数器模值M设定为此时脉冲信号次数的阈值。当真空度很高时，没有脉冲放电产生，天线1不会捕获到电磁波，因此后面的信号处理系统和真空度判别部分不工作，继电器不动作。当真空度降低时，触头和屏蔽罩之间开始发生放电并向外辐射电磁波，放电信号幅值和放电次数与真空度存在相关性。天线1捕获到电磁波后，经信号处理系统中3部分滤波，放大器AMP1和AMP2放大，若灭弧室内压强小于1.33×10-1Pa，则此时图5c中端口C处脉冲信号幅值和时间T内的脉冲信号次数不会同时达到阈值，继电器不动作；若灭弧室内压强大于1.33×10-1Pa，则此时图5c中端口C处脉冲信号幅值和次数同时达到或者超过阈值，触发继电器动作，提醒工作人员真空度已下降到警戒值。
如图1和图4所示，本发明利用触头和屏蔽罩之间脉冲放电辐射的电磁波来进行检测，并采用环形天线来接收电磁波信号，不用直接接触真空灭弧室，也不用形成耦合电容来利用电荷重新分配进行检测，所以不会对高压真空断路器各部分绝缘造成威胁，也不用在灭弧室内部放置传感器，所以不会改变灭弧室结构，具有广泛的适用性。同时由于放电产生的电磁波频率为2～20kHz，易于与周围环境中的噪声区分开来，本发明中的信号处理系统对信号进行滤波处理，使得监测装置能够在复杂的电磁环境中可靠工作。
如图6所示，本发明采用脉冲信号幅值和一定时间内的脉冲信号次数作为判断量，真空度正常时继电器不动作，断路器安全稳定运行，避免了定期停机检修带来的人力物力的浪费；当真空度下降到警戒值时，脉冲信号幅值超过比较器阈值，脉冲信号次数超过计数器模值，继电器动作发出警报，实现对高压真空断路器实时准确的监测，解决了以往在线监测方法精度不高的问题，保障了真空度在线监测的有效性，及时消除因真空度降低而引起的高压真空断路器故障，避免事故发生，保障电力系统安全稳定运行，使工作人员生命财产安全得到有效保护。
Claims (10)
1.一种高压真空断路器中真空度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、获取待监测高压真空断路器的电磁波信号并将其转化为电信号；
步骤2)、对转化后的电信号依次进行放大处理、带通滤波处理和再放大处理；
步骤3)、将再放大处理后的电信号与比较器设定阈值对比，当设定时间内电信号的幅值大于比较器设定阈值的电信号达到设定计数器模值，则判断待监测高压真空断路器的真空度下降。
2.根据权利要求1所述的一种高压真空断路器中真空度监测方法，其特征在于，带通滤波范围为2～20kHz。
3.根据权利要求1所述的一种高压真空断路器中真空度监测方法，其特征在于，设定时间大于20s。
4.根据权利要求1所述的一种高压真空断路器中真空度监测方法，其特征在于，比较器设定阈值和计数器模值的设定：通过标定模拟实验，以脉冲信号幅值作为x轴，设定时间内放电次数作为y轴，对应灭弧室内真空度为z轴，得到真空度对脉冲信号幅值和次数的标准曲线，然后通过定标曲线上的数据比较器设定阈值和计数器模值。
5.一种高压真空断路器中真空度监测装置，其特征在于，包括用于获取高压真空断路器电磁波信号的天线(1)，天线(1)依次连接于信号处理前电路(2)、信号处理中电路(3)、信号处理后电路(4)和判别比较电路(5)，天线(1)将获取的电磁波信号转化为电信号并传输至信号处理前电路(2)，信号处理前电路(2)将接收到的电信号放大，然后将放大后的电信号传输至信号处理中电路(3)进行滤波处理，滤波处理后的电信号传输至信号处理后电路(4)进行再次放大，再次放大后的电信号输入至判别比较电路(5)进行信号判别。
6.根据权利要求5所述一种高压真空断路器中真空度监测装置，其特征在于，信号处理前电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、电阻R1、电阻R2和电阻R3，运算放大器U1的同向输出端连接天线1，运算放大器U1的反向输入端连接运算放大器U1的输出端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U2的同向输出端，运算放大器U2的反向输入端连接电阻R2的一端和电阻R3的一端，电阻R2的另一端接地，运算放大器U2的输出端连接电阻R3的另一端和信号处理前电路输出端连接点A。
7.根据权利要求6所述一种高压真空断路器中真空度监测装置，其特征在于，信号处理中电路包括运算放大器U3、运算放大器U4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电子R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；电阻R4的一端连接运算放大器U2的输出端，电阻R4的另一端连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电容C2的一端和运算放大器U3的同向输出端，运算放大器U3的反向输入端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接运算放大器U3的输出端、电容C1的另一端和电容C3的一端，电容C3的另一端连接电容C4的一端和电阻R7的一端，电容C4的另一端连接电阻R8的一端和运算放大器U4的同向输出端，电阻R8的另一端接地，运算放大器U4的反向输入端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接运算放大器U4的输出端和电阻R7的另一端，运算放大器U4的输出端连接信号处理中电路的输出端，电阻R4的一端连接信号处理前电路输出端。
8.根据权利要求7所述一种高压真空断路器中真空度监测装置，其特征在于，信号处理后电路与信号处理前电路相同，信号处理后电路的输入端连接信号处理中电路的输出端。
9.根据权利要求5所述一种高压真空断路器中真空度监测装置，其特征在于，判别比较电路包括比较器以及与比较器连接的定时器和计数器。
10.根据权利要求9所述一种高压真空断路器中真空度监测装置，其特征在于，比较器包括运算放大器U7和电阻R13，运算放大器U7的同向输出端连接信号处理后电路输出端，运算放大器U7的反向输入端连接阈值信号输入模块，用于阈值信号设定，运算放大器U7的输出端连接电阻R13一端和定时器的输入端；定时器和计数器的输出端连接有继电器。
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