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基于真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

發(fā)布時間:2010-8-19 13:38    發(fā)布者:lavida
摘要:本文介紹了真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,以現(xiàn)代狀態(tài)檢修概念為基礎(chǔ),利用各種傳感器技術(shù)對真空斷路器進行在線工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集,并對數(shù)據(jù)進行處理和判斷,實現(xiàn)對真空斷路器的在線實時狀態(tài)監(jiān)測;并設(shè)計了一套真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)。  

1 真空斷路器的結(jié)構(gòu)及原理  

真空斷路器廣泛地應(yīng)用在電力控制系統(tǒng)中。在真空條件下(一般指10-4至10-7Torr),真空間隙的絕緣強度很高,電弧很容易熄滅,所以真空斷路器的滅弧能力很強,介質(zhì)強度也很高,開斷后的介質(zhì)恢復(fù)速度也很快。  

利用真空條件來熄弧,這個設(shè)想早在19世紀(jì)末就已提出,但是由于受真空工藝、材料、冶金等技術(shù)水平的限制,當(dāng)時未能實現(xiàn)實用化。上世紀(jì)五十年代以后,隨著電子工業(yè)發(fā)展起來的許多新技術(shù),解決了真空滅弧室制造的許多難題,使真空開關(guān)逐漸達(dá)到實用水平。七十年代制造了開斷能力達(dá)60~80kA,電壓等級為10~35kV的真空斷路器,使真空開關(guān)成為配電電壓等級中首屈一指的新型斷路器。  

真空斷路器的主要滅弧機構(gòu)就是真空滅弧室,如圖1所示:  



  


圖1  

由圖1知,真空滅弧室的結(jié)構(gòu)很象一個大型的真空電子管,外殼有玻璃和陶瓷兩種構(gòu)造,動觸頭的密封靠金屬波紋管,在允許的彈性變形范圍內(nèi)伸縮,有足夠高的機械壽命。在動、靜觸頭的外周,裝設(shè)了懸浮電位的金屬屏蔽罩,它起冷凝吸收金屬蒸汽、均勻電場分布、保護外殼等表面絕緣作用。  

真空斷路器的滅弧原理與其他種類斷路器滅弧原理不同,其他斷路器主要利用滅弧介質(zhì)來達(dá)到熄滅電弧的目的。真空斷路器是利用真空阻止電弧重燃來達(dá)到滅弧的目的。因此,電流過零后能否重燃取決于弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)。若恢復(fù)了,則能有效的阻止電弧的重燃,否則,電弧會繼續(xù)燃燒直到下一個過零點,才有可能熄弧。  

因此,性能齊全的真空斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是保證電力控制設(shè)備安全、可靠工作的重要保證。  

2 真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測過程  

狀態(tài)監(jiān)測是指了解和掌握設(shè)備的運行狀態(tài),包括采用各種檢測、測量、監(jiān)視、分析和判別方法,結(jié)合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀,考慮環(huán)境因素,對開關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)進行*估,判斷其處于正常或非正常狀態(tài),并對狀態(tài)進行顯示和記錄,對異常情況做出報警,以便運行人員及時加以處理,并對開關(guān)設(shè)備的故障分析、性能*估、合理使用和安全工作提供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。  

通常開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)可分為正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、和故障狀態(tài)幾種情況。正常情況指設(shè)備的整體或其局部沒有缺陷,或雖有缺陷但其性能仍在允許的限度以內(nèi)。異常狀態(tài)指缺陷已有一定程度的擴展,使開關(guān)設(shè)備狀態(tài)信號發(fā)生一定的變化,開關(guān)設(shè)備性能已經(jīng)劣化,但仍能維持工作。此時應(yīng)該注意設(shè)備性能的發(fā)展趨勢,即開關(guān)設(shè)備應(yīng)在監(jiān)護下運行。故障狀態(tài)則指設(shè)備性能指標(biāo)已有大的下降,設(shè)備已經(jīng)不能維持正常工作。開關(guān)設(shè)備的故障狀態(tài)尚有嚴(yán)重程度之分,包括已有故障萌生并有進一步發(fā)展趨勢的早期故障;程度尚不嚴(yán)重,開關(guān)設(shè)備尚可勉強“帶病”運行的一般功能性故障;已發(fā)展到開關(guān)設(shè)備不能運行必須停機的嚴(yán)重故障;已導(dǎo)致災(zāi)難事故的破壞性故障,以及由于某種原因瞬間發(fā)生的突發(fā)型緊急故障等。  

狀態(tài)監(jiān)測的步驟主要分為以下三步:  

(1)信號采集  

開關(guān)設(shè)備在運行過程中必然會有力、熱、振動和能量等各種量的變化,由此會產(chǎn)生各種不同信息。根據(jù)不同的診斷需要,選擇能表征設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號。  

(2)信號處理  

這是將采集到的信號進行分類處理、加工,獲得能表征機器特征過程,也稱特征提取過程。  

(3)狀態(tài)識別  

將經(jīng)過信號處理后獲得的開關(guān)設(shè)備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)進行比較、對比以確定設(shè)備所處的狀態(tài),是否存在故障。如圖2所示:  



  


圖2  

3 真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測原理  

從上世紀(jì)九十年代開始,出現(xiàn)了以數(shù)字波形采集和處理技術(shù)為核心的微機多功能在線監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)利用先進的傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字波形采集與處理等高新技術(shù),實現(xiàn)更多的參數(shù)在線監(jiān)測。這種監(jiān)測系統(tǒng)可以實時連續(xù)的巡回監(jiān)測各被測量,因此,監(jiān)測內(nèi)容豐富、信息量大、處理速度快,對監(jiān)測結(jié)果可顯示、存儲、打印及報警,實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的全部自動化。在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展逐漸代替了離線監(jiān)測,彌補了離線監(jiān)測的缺陷。在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、數(shù)據(jù)庫等各項功能。它的基本原理是電氣設(shè)備處于運行狀態(tài)中,利用各種測量工具測其工作電流、電壓等特征參數(shù),采用相應(yīng)形式的傳感器,將被測信號(電的和非電的)抽取出來,轉(zhuǎn)換成為監(jiān)測裝置可以檢測到的標(biāo)準(zhǔn)形式信號,輸入數(shù)字信號采集裝置,通過A/D轉(zhuǎn)換,然后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和特征提取。其原理框圖如圖3所示:  



  


圖3  

傳感器是在線監(jiān)測系統(tǒng)的入口器件,其靈敏度和性能的優(yōu)劣直接影響測量精度,進而使數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生較大的誤差。監(jiān)測系統(tǒng)能夠正確運行的前提就是要有好的、性能可靠的、靈敏度高的傳感器。所以要求傳感器靈敏、可靠、線性度好,能夠不失真的轉(zhuǎn)換被測信號。被測信號不同,傳感器的形式也不同。  

數(shù)據(jù)采集裝置將被測信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量或數(shù)字波形,以便進行數(shù)據(jù)處理。整個采集裝置是在計算機的程序控制下工作的。為了滿足測量精度,要求采集裝置具有一定的采樣速度和A/D轉(zhuǎn)換精度,以及適當(dāng)?shù)耐ǖ罃?shù)。為了采集高頻信號,還要求采集裝置有相當(dāng)高的采樣頻率。  

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),這部分的核心器件是一臺工業(yè)計算機。系統(tǒng)的功能主要有以下幾個部分:  

(1)控制數(shù)據(jù)采集裝置以適當(dāng)?shù)念l率對被測信號進行采集,并能夠從數(shù)據(jù)采集裝置中讀入采集到的數(shù)據(jù);  

(2)對采集進來的數(shù)據(jù)進行處理,利用處理后的數(shù)據(jù)進行分析并判斷所檢測設(shè)備的狀態(tài)好壞;  

(3)建立起數(shù)據(jù)庫,能夠隨時提取歷史數(shù)據(jù)。并能夠?qū)崿F(xiàn)顯示打印等功能。  

數(shù)據(jù)庫是監(jiān)測系統(tǒng)有別與儀表系統(tǒng)的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫用來存儲和處理設(shè)備運行的各種信息,并具有管理和檢索功能。數(shù)據(jù)庫包括了設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、特征參數(shù)、工作參數(shù)等靜態(tài)數(shù)據(jù),監(jiān)測和運行數(shù)據(jù)等動態(tài)參數(shù),還記錄了各類的歷史數(shù)據(jù),如典型故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)對運行和維修的指導(dǎo)作用是巨大的,可形成趨勢圖用于判斷設(shè)備健康狀況及發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)庫應(yīng)能記錄一段時間內(nèi)的全部詳細(xì)數(shù)據(jù)。  

4 真空斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)  

通過前述分析,真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示:  



  


圖4  

由圖4知,真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩大部分,一部分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),一部分為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),使用的軟件為Matlab和C語言。  

采集系統(tǒng)選取了合適的數(shù)據(jù)采集裝置和傳感器等硬件,并利用C語言執(zhí)行速度快的特點,開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序,保證系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、實時的進行數(shù)據(jù)采集。  

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用Matlab的互動式界面和方便的可視化功能,開發(fā)數(shù)據(jù)處理程序。包括監(jiān)測系統(tǒng)主界面的制作,數(shù)據(jù)的處理。  

從整體來講,該監(jiān)測系統(tǒng)是以Matlab為開發(fā)平臺實現(xiàn)的,數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理獨立運作,由C語言編寫的數(shù)據(jù)采集程序控制硬件進行數(shù)據(jù)的采集,由Matlab編寫的數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀入、處理、顯示,報警、打印及數(shù)據(jù)庫的存取。在遠(yuǎn)程通信中,仍然用C語言來實現(xiàn)。  

5 結(jié)束語  

該系統(tǒng)實現(xiàn)選用硬件少,大多數(shù)工作均由工控機來完成,最大程度地降低了系統(tǒng)的成本,減少了因為監(jiān)測所需的硬件故障而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真等情況發(fā)生的可能性,并能夠保證真空斷路器安全可靠的運行,而且可以指導(dǎo)設(shè)備的日常檢修工作,安排最合理的檢修計劃,減少因設(shè)備維護所需的各種費用,提高了經(jīng)濟效益。  

本文作者創(chuàng)新點:設(shè)計了一種真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),通過運用綜合性的測量手段,準(zhǔn)確的掌握設(shè)備狀態(tài),通過合理的數(shù)據(jù)分析,對斷路器的狀態(tài)進行判斷,并預(yù)測設(shè)備的壽命,防止故障甚至事故的發(fā)生,并為適當(dāng)?shù)臋z修和維護提供合理的決策。真空開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測適應(yīng)真空開關(guān)技術(shù)發(fā)展和維護的需要,是一種先進的監(jiān)測方法,是將來電力設(shè)備檢修的發(fā)展方向。
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