CN113488351B - 一种高压断路器真空度在线监测实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器真空度在线监测实验装置及方法，通过采用动导杆的悬空设计，解决了灭弧室触头高压容易击穿抽/充气系统的难题，增强了对实验操作人员的安全保护；将抽气孔设计在端盖上，大幅提高了灭弧室内真空度的可调性，以模拟实际的灭弧室内真空度缓慢下降和波纹管突然破裂导致的内部压强瞬间增大两种情况，采用天线来实现非接触式的信号采集，基于电磁波法对真空开关内部真空度进行监测，同时用电流传感器和瞬态对地电压传感器采集相应信号作为对比验证，能够实现真空灭弧室的等效模拟，可靠调节灭弧室内真空度；腔室能够耐受正压力和负压力，能够在不接触灭弧室、不改变灭弧室结构的同时准确、可靠地对灭弧室内真空度进行监测。

Description

一种高压断路器真空度在线监测实验装置及方法

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，具体涉及一种高压断路器真空度在线监测实验装置及方法。

背景技术

断路器是电力系统中重要的电气控制设备。其中真空断路器体积小、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。又由于真空断路器常用于高压线路中，现场获取其状态信息比较困难，且一般从正常状态到故障状态的时间很久，使得研究数据获取困难。很多研究者通过建立实验平台模拟真实运行中的真空断路器进行研究，但是在保证绝缘安全的情况下，很难做到等效模拟，灭弧室内真空度调节不够稳定可靠。因此，实验平台必须能够保证实验人员和设备安全，还要使得灭弧室内真空度可靠调节，模拟真实运行中的真空断路器中真空度降低的情况，在其灭弧性能劣化时发生开断失败或者放电现象，并且能够方便研究人员观察放电现象和放点位置。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。目前对真空灭弧室内真空度主要有离线式和在线式两类检测方法。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；电光测量法可以实现非接触式的监测，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断路器真空度在线监测实验装置及方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压断路器真空度在线监测实验装置，包括真空灭弧室、抽真空装置、检测装置和工频高压源，真空灭弧室包括外壳、上端盖和下端盖，外壳固定于上端盖和下端盖之间，外壳内设有静导杆，静导杆的一端与下端盖固定连接，静导杆的另一端固定连接有动导杆，动导杆的端部与上端盖间隔设置，静导杆与动导杆连接处外圈间隔设有屏蔽罩；工频高压源连接于下端盖，下端盖采用导电材料，屏蔽罩连接有补偿电容，补偿电容的一端接地；上端盖和下端盖上均设有通气孔，抽真空装置连接与通气孔上；检测装置包括天线、电流传感器和瞬态对地电压传感器，天线间隔设置于真空灭弧室一侧，电流传感器连接于补偿电容的接地端，瞬态对地电压传感器连接于接地金属板上。

进一步的，天线与真空灭弧室间隔距离为0.5-1.5m。

进一步的，补偿电容大小为10.11pF。

进一步的，下端盖的下端固定连连接有用于支撑真空灭弧室并使之保持良好的绝缘性能的绝缘支柱。

进一步的，屏蔽罩的外圈设有金属圈，金属圈上设有接线端子，补偿电容的另一端与屏蔽罩的金属圈的接线端子连接。

进一步的，上端盖和下端盖的外圈均设有连接耳，上端盖和下端盖通过绝缘拉杆固定连接。

进一步的，外壳采用透明石英玻璃；屏蔽罩外圈固定有屏蔽筒金属环，屏蔽筒金属环上下两端均设有环形槽，屏蔽筒金属环两端与上端盖和下端盖之间分别设置有一个外壳。

进一步的，抽真空装置采用机械真空泵或分子真空泵。

进一步的，上端盖上端的通孔连接有上端盖抽气管，上端盖抽气管上设有隔断阀、电阻规和电离规。

一种高压断路器真空度在线监测方法，包括以下步骤：

S1，将真空灭弧室内逐步抽至真空，并实时检测真空灭弧室内的真空度，然后通过工频高压源通入高压；

S2，实时监测真空灭弧室内的触头与屏蔽罩之间产生的电磁波信号，以及设置于真空灭弧室外侧的外部金属板上的TEV信号，和补偿电容线路中产生电流信号，即可实现高压断路器真空度在线监测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种高压断路器真空度在线监测实验装置，通过采用动导杆的悬空设计，解决了灭弧室触头高压容易击穿抽/充气系统的难题，增强了对实验操作人员的安全保护；将抽气孔设计在端盖上，大幅提高了灭弧室内真空度的可调性，以模拟实际的灭弧室内真空度缓慢下降和波纹管突然破裂导致的内部压强瞬间增大两种情况，采用天线来实现非接触式的信号采集，基于电磁波法对真空开关内部真空度进行监测，同时用电流传感器和瞬态对地电压传感器采集相应信号作为对比验证，本发明能够实现真空灭弧室的等效模拟，可靠调节灭弧室内真空度；腔室能够耐受正压力和负压力，能够在不接触灭弧室、不改变灭弧室结构的同时准确、可靠地对灭弧室内真空度进行监测。

本发明不用接触真空灭弧室，不用改变灭弧室结构，不会对断路器各部分绝缘造成威胁，实现对高压真空断路器实时而准确可靠的在线监测，这样的监测方法具有更广泛的适用性。

进一步的，采用石英玻璃外壳可以方便实验人员检测放电位置，提高了实验的便捷性。

本发明一种高压断路器真空度在线监测方法，能够实现对高压真空断路器实时而准确可靠的在线监测，安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例中整体结构连接图。

图2为本发明实施例中真空灭弧室结构图。

图3为本发明实施例中真空灭弧室导杆和下端盖连接图。

图4a为本发明实施例中真空度监测实验方法流程图。

图4b为本发明实施例中基于电磁波法的真空度在线监测方法图。

图4c为本发明实施例中基于电流信号和瞬态对地电压信号的验证方法图。

图中：1、真空灭弧室；2、绝缘拉杆；3、隔断阀；4、电阻规；5、电离规；6、抽气管道；7、绝缘管道；8、控制柜；9、质量流量计；10、截止阀；11、可拆卸连接梁；12、阀门；13、绝缘支柱；14、PU软管；15、上端盖抽气管；16、上端盖；17、外壳；18、下端盖；19、下端盖充气孔；20、静导杆；21、屏蔽罩；22、动导杆；23、天线；24、交流电源；25、瞬态对地电压(TEV)传感器；26、接地金属板；27、示波器；28、电流传感器；29、补偿电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种高压断路器真空度在线监测实验装置，包括真空灭弧室1、抽真空装置、检测装置和工频高压源24，真空灭弧室1包括外壳17、上端盖16和下端盖18，外壳17固定于上端盖16和下端盖18之间，外壳17内设有静导杆20，静导杆20的一端与下端盖18固定连接，静导杆20的另一端固定连接有动导杆22，动导杆22的端部与上端盖16间隔设置，静导杆20与动导杆22连接处外圈间隔设有屏蔽罩21；工频高压源连接于下端盖18，下端盖18采用导电材料，屏蔽罩21连接有补偿电容29，补偿电容29的一端接地，补偿电容29的接地端连接于检测装置；上端盖16和下端盖18上均设有通气孔，抽真空装置连接与通气孔上，用于对真空灭弧室1内抽真空；检测装置包括天线、电流传感器和瞬态对地电压传感器，分半用于检测电磁波信号、电流信号和瞬态对地电压信号。天线间隔设置于真空灭弧室1一侧，具体的，天线与真空灭弧室间隔距离为0.5-1.5m，对地电压传感器放置在灭弧室附近的接地金属盘上，电流传感器套在补偿电容接地线路上。补偿电容29大小为10.11pF。瞬态对地电压传感器连接于接地金属板26上，接地金属板26设置于真空灭弧室1一侧。

下端盖18的下端设有绝缘支柱13，用于支撑真空灭弧室并使之保持良好的绝缘性能，能够耐受50kV高压，绝缘支柱13与下端盖通过螺纹连接。

具体的，工频高压源为50kV，使得灭弧室内真空度降低时，触头与屏蔽罩之间会发生脉冲放电。真空灭弧室1采用外壳17、上端盖16和下端盖18形成真空结构，能够模拟实际运行中的真空度降低情况，内部真空度可调范围为10-4Pa～100Pa，并且能够承受0.2MPa正压。

具体的，屏蔽罩21的外圈设有金属圈，金属圈上设有接线端子，补偿电容29的另一端与屏蔽罩21的金属圈的接线端子连接。

上端盖16采用绝缘材料，下端盖18采用金属材料。上端盖开直径为φ50mm抽气口，下端盖阵列有四个L型侧边进气口(直径φ6mm)，分别与抽真空装置管道相连。如图1所示，上端盖16和下端盖18的外圈均设有连接耳，上端盖16和下端盖18通过绝缘拉杆2固定连接，具体的，上端盖16和下端盖18的周向均匀设置有四根绝缘拉杆，绝缘拉杆的端部通过螺母锁紧。

如图3所示，静导杆末端为圆锥形，与下端盖通过两级台阶式的盲螺纹孔固定连接。动导杆焊接在静触头上，动导杆与上端盖间隔设置，间隔距离为10cm-15cm。

外壳17采用透明石英玻璃，外壳17分为两段玻璃腔室；屏蔽罩外圈固定有屏蔽筒金属环，屏蔽筒金属环上下两端均设有环形槽，屏蔽筒金属环上端环形槽与上端盖16之间设置一个玻璃腔室，屏蔽筒金属环下端环形槽与下端盖18之间设置一个玻璃腔室，并在屏蔽筒金属环固定处留出补偿电容接线端子。

具体的，抽真空装置采用机械真空泵或分子真空泵，能够对真空灭弧室内的真空度进行可靠调节控制；如图1所示，上端盖16上端的通孔连接有上端盖抽气管，上端盖抽气管上设有隔断阀3、电阻规4和电离规5，抽真空装置设置于控制柜内，通气管道与控制柜连接段为缘管道。在下端盖18的通气孔上连接的管道上加装充气钢瓶，灭弧室内压强在10-4Pa～100Pa之间时使用抽真空装置进行真空度调节，压强为0.25MPa时使用充气钢瓶进行控制。各部件连接处、拐角处以及部件边缘都进行圆角处理。

结合图1和图2，真空灭弧室1的外壳17由石英玻璃构成，可以方便研究者观察腔室里面的放电现象；绝缘拉杆2将上端盖16和下端盖18固定连接，使上端盖16和下端盖18之间外壳内的腔室可以承受0.2MPa正压；动导杆22焊接在静导杆20上，并且动导杆22和上端盖板16不相连，保持10cm的距离，和上端盖板的上端盖抽气管15以及绝缘管道7一起防止触头上的高压对控制柜8击穿，同时保证操作人员安全；电阻规4电离规5安装在抽气管道上，腔室处于粗真空和高真空时都可以精确监测，并输出结果到控制柜8的示面板上；抽真空装置设置于控制柜8内，腔室处于负压时，通过抽真空装置连接的充气管道上的质量流量计9和截止阀10实现腔室内真空；阀门12接气体钢瓶，可通过4根PU软管14和下端盖充气孔19给腔室充气，使腔室处于正压状态；绝缘支柱13将腔室支撑起来，保证其对地绝缘。

结合图4a～4c，对本发明的真空度在线监测实验方法进行说明。检测装置采用示波器，工频高压源24接在灭弧室下端盖板上，天线23放置在距灭弧室0.5～1.5m处；TEV传感器25吸附在接地金属板26上。屏蔽罩通过补偿电容29后接地，电流传感器28绕在电容接地线上，天线23、TEV传感器25以及电流传感器28将检测信号输出到示波器27中。本发明具体工作流程如图4c所示，当真空度下降时，触头与屏蔽罩之间会发生脉冲放电并释放出电磁波信号，其传播并泄露到外部金属板上产生TEV信号，同时补偿电容线路中产生电流信号，通过传感器采集这些信号并进行数据处理和分析即可得到处灭弧室内压强大小。

本发明的高压真空断路器实验平台提高了实验的安全性，通过动触头导杆的悬空设计解决了灭弧室触头高压容易击穿抽/充气系统的难题，增强了对实验操作人员的安全保护；该实验平台具有良好的可靠性和等效性，触头和屏蔽罩形状和参数都和实际运行中的真空灭弧室一致，将抽气孔设计在上端盖上，大幅提高了灭弧室内真空度的可调性，以模拟实际的灭弧室内真空度缓慢下降和波纹管突然破裂导致的内部压强瞬间增大两种情况，采用石英玻璃外壳可以方便实验人员检测放电位置，提高了实验的便捷性。

本发明的真空度在线监测实验方法能够实现对真空灭弧室的非接触式在线监测，没有绝缘威胁，不会改变灭弧室内部结构，并且通过两种验证方法提高实验方法的可靠性。

Claims (6)

1.一种高压断路器真空度在线监测实验装置，其特征在于，包括真空灭弧室(1)、抽真空装置、检测装置和工频高压源(24)，真空灭弧室(1)包括外壳(17)、上端盖(16)和下端盖(18)，外壳(17)固定于上端盖(16)和下端盖(18)之间，外壳(17)内设有静导杆(20)，静导杆(20)的一端与下端盖(18)固定连接，静导杆(20)的另一端固定连接有动导杆(22)，动导杆(22)的端部与上端盖(16)间隔设置，静导杆(20)与动导杆(22)连接处外圈间隔设有屏蔽罩(21)；工频高压源连接于下端盖(18)，下端盖(18)采用导电材料，屏蔽罩(21)连接有补偿电容(29)，补偿电容(29)的一端接地；上端盖(16)和下端盖(18)上均设有通气孔，抽真空装置连接与通气孔上；检测装置包括天线、电流传感器和瞬态对地电压传感器，天线间隔设置于真空灭弧室(1)一侧，电流传感器连接于补偿电容(29)的接地端，瞬态对地电压传感器连接于接地金属板(26)上，天线与真空灭弧室间隔距离为0.5-1.5m，其特征在于，补偿电容(29)大小为10.11pF，下端盖(18)的下端固定连接有用于支撑真空灭弧室并使之保持良好的绝缘性能的绝缘支柱(13)，上端盖(16)上端的通孔连接有上端盖抽气管，上端盖抽气管上设有隔断阀(3)、电阻规(4)和电离规(5)。

2.根据权利要求1所述的一种高压断路器真空度在线监测实验装置，其特征在于，屏蔽罩(21)的外圈设有金属圈，金属圈上设有接线端子，补偿电容(29)的另一端与屏蔽罩(21)的金属圈的接线端子连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压断路器真空度在线监测实验装置，其特征在于，上端盖(16)和下端盖(18)的外圈均设有连接耳，上端盖(16)和下端盖(18)通过绝缘拉杆(2)固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种高压断路器真空度在线监测实验装置，其特征在于，外壳(17)采用透明石英玻璃；屏蔽罩外圈固定有屏蔽筒金属环，屏蔽筒金属环上下两端均设有环形槽，屏蔽筒金属环两端与上端盖(16)和下端盖(18)之间分别设置有一个外壳(17)。

5.根据权利要求1所述的一种高压断路器真空度在线监测实验装置，其特征在于，抽真空装置采用机械真空泵或分子真空泵。

6.一种基于权利要求1所述高压断路器真空度在线监测实验装置的高压断路器真空度在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将真空灭弧室内逐步抽至真空，并实时检测真空灭弧室内的真空度，然后通过工频高压源通入高压；

S2，实时监测真空灭弧室内的触头与屏蔽罩之间产生的电磁波信号，以及设置于真空灭弧室外侧的外部金属板上的TEV信号，和补偿电容线路中产生电流信号，即可实现高压断路器真空度在线监测。