CN113325257A - 利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，包括以下步骤：接收辐射电磁波信号；测量断路器电流信号和电压信号；采集辐射电磁波信号，以及电流信号和电压信号，进行波形监测与数据存储；根据辐射电磁波信号、电流信号和电压信号判断正常断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段；根据辐射电磁波信号、电流信号和电压信号判断劣化断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、重燃过程阶段、新电弧稳态阶段、新电弧熄弧阶段。本发明主要通过电气检测手段，以实现对断路器灭弧室内部电弧过程的快速判定，具有直观简洁、快速高效等显著优点。

Description

利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法

技术领域

本申请涉及电力系统电气设备缺陷检测技术领域，尤其涉及一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法。

背景技术

断路器应用于电力系统中，主要是在发生严重过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，以控制电力系统电压的稳定。而在长期的工作条件下，断路器的灭弧室内部会因分闸的过程中高温高压环境而产生烧蚀现象，而烧蚀的灭弧室会影响断路器的分闸性能，从而导致操作不灵活、分闸不到位等故障，严重威胁电网安全、稳定运行。灭弧室内部电弧过程可以判定灭弧室内部状态，对于断路器的性能评定至关重要，是反映其性能的关键参数之一。

但目前，对于断路器灭弧室内部电弧过程的判定并没有行之有效的方法，而且在这一方面的研究成果也不是很多，其判断方法与设备尚不完善。尤其在实际的工作条件下，由于系统中正在带电运行的断路器灭弧室必须严格封闭，更是难以观测到断路器内部灭弧室的电弧过程，无法判断灭弧室状态。目前研究多以实验室内仿真实验为主，鲜有在现场应用的直观、有效的判断方法。现有判断方法无论从安全性、经济性角度上，都无法满足电力系统安全、稳定、经济的发展要求。

发明内容

本申请提供了一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，以解决现有路器灭弧室内部电弧过程的判断方法无论从安全性、经济性角度上，都无法满足电力系统安全、稳定、经济的发展要求的问题。

本申请采用的技术方案如下：

本发明提供了一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，包括以下步骤：

接收辐射电磁波信号；

测量断路器电流信号和电压信号；

采集断路器分闸过程中的所述辐射电磁波信号，以及所述断路器电流信号和电压信号，进行波形监测与数据存储；

根据断路器分闸过程中的辐射电磁波信号以及断路器电流信号和电压信号，判断正常断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段；

根据断路器分闸过程中的辐射电磁波信号以及断路器电流信号和电压信号，判断劣化断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、重燃过程阶段、新电弧稳态阶段、新电弧熄弧阶段。

进一步地，通过特高频天线来接收辐射电磁波信号。

进一步地，所述特高频天线采用平面对数螺旋天线，频带在0.5-2GHz，驻波比小于2.5，等效高度为8.5。

进一步地，所述测量断路器电流信号和电压信号，包括：

利用电流传感器在1Hz-1KHz均有良好响应，可测电流为100A-10000A的电流传感器测量断路器电流信号，利用高压传感器在5Hz-1MHz内误差在2％以下，耐受电压为150kV的高压传感器测量断路器电压信号。

进一步地，灭弧室电弧起始放电阶段：

此时电弧电阻大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，此时为分闸起始阶段，触头间距d小，因此电场强度E＝U/d高，会伴随有强烈的电离和放电，向外辐射电磁波。

进一步地，灭弧室电弧稳态阶段：

此时电弧电阻低，小电弧电阻导致触头间电压幅值U低，此时为分闸阶段，触头间距d不断变大，因此触头间电场强度E＝U/d低，不辐射电磁波。

进一步地，灭弧室电弧熄弧过程阶段：

此时电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时已是分闸阶段末期，触头间距d大，正常开断时介质强度恢复速度＞TRV上升速度，电场强度E无法导致电离和放电-不重燃，不辐射电磁波。

进一步地，灭弧室电弧重燃过程阶段：

此时本应为电弧的熄弧阶段，电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时是分闸阶段进行的时刻，触头间距d大，劣化时灭弧室介质恢复速度变慢，导致介质强度恢复速度<TRV上升速度，电场强度E变大，导致电离和放电-重燃，辐射电磁波，这个阶段是旧电弧的熄弧阶段，也是重燃产生的新的电弧的起始放电阶段。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本发明的一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，包括以下步骤：接收辐射电磁波信号；测量断路器电流信号和电压信号；采集断路器分闸过程中的辐射电磁波信号，以及断路器电流信号和电压信号，进行波形监测与数据存储；根据断路器分闸过程中的辐射电磁波信号与断路器电流信号和电压信号判断正常断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段；根据断路器分闸过程中的辐射电磁波信号与断路器电流信号和电压信号判断劣化断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、重燃过程阶段、新电弧稳态阶段、新电弧熄弧阶段。

本发明采用电气测量、波形观察、数据分析的手段，实现对断路器灭弧室内部电弧过程的快速诊断。通过特高频天线采集断路器触头分闸产生的辐射电磁波信号，同时采集断路器电压电流信号，并利用数据采集系统进行波形监测与数据存储，对存储的数据进行分析，根据电压电流信号以及是否辐射电磁波信号来判断断路器内部灭弧室的电弧过程处于什么状态。本发明主要通过电气检测手段，以实现对断路器灭弧室内部电弧过程的快速判定，具有直观简洁、快速高效等显著优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法的正常灭弧室不同电弧过程下的辐射电磁波示意图；

图2为一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法的劣化灭弧室不同电弧过程下的辐射电磁波示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

基于现有技术的情况，本发明提出一种通过特高频天线采集断路器触头分闸产生的辐射电磁波信号，利用数据采集系统对数据进行波形检测与数据存储，判断断路器灭弧室内部电弧过程的方法。

采用电气测量、波形观察、数据分析的手段，实现对断路器灭弧室内部电弧过程的快速诊断。具体如下所述。

本申请提供的一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，包括以下步骤：

S01：通过特高频天线来接收辐射电磁波信号；

其中，在一些可实现的实施例中，特高频天线采用平面对数螺旋天线，频带在0.5-2GHz，驻波比小于2.5，等效高度为8.5。

S02：测量断路器电流信号和电压信号；

天线采集信号的同时需要采集断路器电压电流信号，利用数据采集系统进行波形监测与数据存储，其中断路器电流信号采用电流传感器进行监测，电压信号采用高压传感器进行监测。

具体地，在一些可实现的实施例中，利用电流传感器在1Hz-1KHz均有良好响应，可测电流为100A-10000A的电流传感器测量断路器电流信号，利用高压传感器在5Hz-1MHz内误差在2％以下，耐受电压为150kV的高压传感器测量断路器电压信号。

S03：同时采集断路器分闸过程中的所述辐射电磁波信号，以及所述断路器电流信号和电压信号，进行波形监测与数据存储；

S04：根据S03中采集的断路器分闸过程中的辐射电磁波信号以及断路器电流信号和电压信号，判断正常断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段；

S05：根据S03中采集的断路器分闸过程中的辐射电磁波信号以及断路器电流信号和电压信号，判断劣化断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、重燃过程阶段、新电弧稳态阶段、新电弧熄弧阶段。

下面是电弧过程各个阶段的具体判断方法：

灭弧室电弧起始放电阶段：此时电弧电阻大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，此时为分闸起始阶段，触头间距d小，因此电场强度E＝U/d高，会伴随有强烈的电离和放电，向外辐射电磁波。

灭弧室电弧稳态阶段：此时电弧电阻低，小电弧电阻导致触头间电压幅值U低，此时为分闸阶段，触头间距d不断变大，因此触头间电场强度E＝U/d低，不辐射电磁波。

灭弧室电弧熄弧过程阶段：此时电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时已是分闸阶段末期，触头间距d大，正常开断时介质强度恢复速度＞TRV上升速度，电场强度E无法导致电离和放电(不重燃)，不辐射电磁波。

灭弧室电弧重燃过程阶段：此时本应为电弧的熄弧阶段，电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时是分闸阶段进行的时刻，触头间距d大，劣化时灭弧室介质恢复速度变慢，导致介质强度恢复速度<TRV上升速度，电场强度E变大，导致电离和放电(重燃)，辐射电磁波，这个阶段是旧电弧的熄弧阶段，也是重燃产生的新的电弧的起始放电阶段。

通过S03存储的数据可以分析断路器内灭弧室的灭弧过程，从而判断断路器的灭弧室状态。

见图1，该图示出了正常的断路器灭弧室不同电弧过程下的辐射电磁波示意图。

其中，图1中(a)0-t₁、t₁-t₂、t₂-t₃分别表示的是单个电弧起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段电弧电阻阻值示意图；

图1中(b)0-t₁、t₁-t₂、t₂-t₃分别表示的是起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段在断路器分闸情况下的测量信号示意图。

0-t₁为起始放电阶段，此时电弧电阻大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，此时为分闸起始阶段，触头间距d小，因此电场强度E＝U/d高，会伴随有强烈的电离和放电，向外辐射电磁波；

t₁-t₂为电弧稳态阶段，此时电弧电阻低，小电弧电阻导致触头间电压幅值U低，此时为分闸阶段，触头间距d不断变大，因此触头间电场强度E＝U/d低，不辐射电磁波；

t₂-t₃为熄弧过程阶段，此时电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时已是分闸阶段末期，触头间距d大，正常开断时介质强度恢复速度＞TRV上升速度，电场强度E无法导致电离和放电(不重燃)，不辐射电磁波。

因此，在正常状态下断路器灭弧室仅在电弧起始阶段向外辐射电磁波，在电弧稳态与熄灭阶段不向外辐射电磁波。

见图2，该图示出了劣化的断路器灭弧室不同电弧过程下的辐射电磁波示意图。

其中，图2中(a)所示为电弧电阻示意图，其中R1所示为第一个电弧，R2所示为第二个电弧。图2中(a)0-t₁、t₁-t₂、t₂-t₃分别表示的是第一个电弧起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段电弧电阻阻值示意图；t₂-t₃、t₃-t₄、t₄-t₅表示的是第二个电弧起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段电弧电阻阻值示意图，可见，t2-t3阶段同时存在旧电弧的熄灭与新电弧的产生，因此定义t2-t3为重燃过程。

图2中(b)0-t₁、t₁-t₂、t₂-t₃、t₃-t₄、t₄-t₅分别表示的是起始放电阶段、电弧稳态阶段、重燃过程、新电弧稳态阶段、新电弧熄弧阶段在断路器分闸情况下的测量信号示意图。

0-t₁为起始放电阶段，此时电弧电阻大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，此时为分闸起始阶段，触头间距d小，因此电场强度E＝U/d高，会伴随有强烈的电离和放电，向外辐射电磁波；

t1-t₂为电弧稳态阶段，此时电弧电阻低，小电弧电阻导致触头间电压幅值U低，此时为分闸阶段，触头间距d不断变大，因此触头间电场强度E＝U/d低，不辐射电磁波；

t₂-t₃为重燃过程阶段，此时本应为电弧的熄弧阶段，电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时是分闸阶段进行的时刻，触头间距d大，劣化时灭弧室介质恢复速度变慢，导致介质强度恢复速度<TRV上升速度，电场强度E变大，导致电离和放电(重燃)，辐射电磁波。这个阶段是旧电弧的熄弧阶段，也是重燃产生的新的电弧的起始放电阶段。

t₃-t₄为新电弧稳态阶段，此时电弧电阻低，小电弧电阻导致触头间电压幅值U低，此时为分闸阶段，触头间距d不断变大，因此触头间电场强度E＝U/d低，不辐射电磁波；

t₄-t₅为新电弧熄弧过程阶段，此时电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时已是分闸阶段末期，触头间距d大，正常开断时介质强度恢复速度＞TRV上升速度，电场强度E无法导致电离和放电(不重燃)，不辐射电磁波。

因此，在灭弧室劣化状态下断路器灭弧室在电弧起始阶段与重燃阶段向外辐射电磁波，在电弧稳态与熄灭阶段不向外辐射电磁波。

利用断路器分闸阶段辐射电磁波信号与断路器电压电流的测量信号可以判断断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，灭弧室劣化会导致介质强度恢复速度变慢，直接导致产生重燃的电弧过程。

可以看出，本发明提出的判断断路器灭弧室电弧过程的方法，具有直观简洁、快速高效等显著优点。

本发明采用电气测量、波形观察、数据分析的手段，实现对断路器灭弧室内部电弧过程的快速诊断。通过特高频天线采集断路器触头分闸产生的辐射电磁波信号，同时采集断路器电压电流信号，并利用数据采集系统进行波形监测与数据存储，对存储的数据进行分析，根据电压电流信号以及是否辐射电磁波信号来判断断路器内部灭弧室的电弧过程处于什么状态。本发明主要通过电气检测手段，以实现对断路器灭弧室内部电弧过程的快速判定，具有直观简洁、快速高效等显著优点。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收辐射电磁波信号；

测量断路器电流信号和电压信号；

采集断路器分闸过程中的所述辐射电磁波信号，以及所述断路器电流信号和电压信号，进行波形监测与数据存储；

根据断路器分闸过程中的辐射电磁波信号以及断路器电流信号和电压信号，判断正常断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、熄弧过程阶段；

根据断路器分闸过程中的辐射电磁波信号以及断路器电流信号和电压信号，判断劣化断路器灭弧室状态与灭弧室的电弧过程，包括：起始放电阶段、电弧稳态阶段、重燃过程阶段、新电弧稳态阶段、新电弧熄弧阶段。

2.根据权利要求1所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，通过特高频天线来接收辐射电磁波信号。

3.根据权利要求2所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，所述特高频天线采用平面对数螺旋天线，频带在0.5-2GHz，驻波比小于2.5，等效高度为8.5。

4.根据权利要求1所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，所述测量断路器电流信号和电压信号，包括：

利用电流传感器在1Hz-1KHz均有良好响应，可测电流为100A-10000A的电流传感器测量断路器电流信号，利用高压传感器在5Hz-1MHz内误差在2％以下，耐受电压为150kV的高压传感器测量断路器电压信号。

5.根据权利要求1所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，灭弧室电弧起始放电阶段：

此时电弧电阻大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，此时为分闸起始阶段，触头间距d小，因此电场强度E＝U/d高，会伴随有强烈的电离和放电，向外辐射电磁波。

6.根据权利要求1所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，灭弧室电弧稳态阶段：

此时电弧电阻低，小电弧电阻导致触头间电压幅值U低，此时为分闸阶段，触头间距d不断变大，因此触头间电场强度E＝U/d低，不辐射电磁波。

7.根据权利要求1所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，灭弧室电弧熄弧过程阶段：

此时电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时已是分闸阶段末期，触头间距d大，正常开断时介质强度恢复速度＞TRV上升速度，电场强度E无法导致电离和放电-不重燃，不辐射电磁波。

8.根据权利要求1所述的利用断路器辐射电磁波信号判断灭弧室电弧过程的方法，其特征在于，灭弧室电弧重燃过程阶段：

此时本应为电弧的熄弧阶段，电弧电阻再次增大，大电弧电阻导致触头间电压幅值U高，但此时是分闸阶段进行的时刻，触头间距d大，劣化时灭弧室介质恢复速度变慢，导致介质强度恢复速度<TRV上升速度，电场强度E变大，导致电离和放电-重燃，辐射电磁波，这个阶段是旧电弧的熄弧阶段，也是重燃产生的新的电弧的起始放电阶段。

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