真空斷路器壽命在線監測系統

　　　一、線盤真空斷路器是近十幾年來快速發展起來的一種新型電器。同傳統的油斷路器相比，具有許多優點，如不燃爆、不污染、免檢期長、可頻繁操作、較小的觸頭間隙、體積孝重量輕、電弧不外露、壽命長等一系列優點，它正逐步取代傳統的少油斷路器而成為中壓配電系統的主要開關設備。

　　壽命長是真空斷路器的顯著特點。它的使用壽命是機械壽命與電壽命的綜合。其機械壽命是指斷路器在空載或額定長期負荷輕載下的分合循環操作次數，著眼于機械動作方面的能力。真空斷路器機械壽命比較長，可達10，000次以上。電壽命是真空斷路器的電氣開斷能力，通常以額定短路開斷電流的開斷次數來表示。由于強大的電弧對觸頭的燒蝕，真空斷路器的電壽命次數僅數十次。一般來講，真空斷路器的電壽命決定其真實使用期限。如果電壽命超過，真空滅弧室會失效，電弧不能斷開，滅弧室可能爆炸，造成重大事故。所以，對其電壽命的監測和評估是非常必要的。

　　當前，線盤隨著真空斷路器在中壓配電系統中日益廣泛的采用，對其電壽命的在線監測也變得非常重要。通過實時監測，得出其剩余電壽命，并給出一定的報警信號，維護人員即可進行及時的處理，從而避免重大事故的發生。

　　傳統的電壽命監測方法一般都建立在對開斷電流準確測量的基礎上，由于斷路器在實際運行中，開斷電流的變化范圍非常大，且在開斷短路電流情況下有時會含有直流分量，電流互感器(CT)會出現不同程度的飽和，因此準確測取開斷電流存在一定的困難。另外，傳統的電壽命監測方法是開斷電流的次數，通常在開關柜中有一個開斷電流次數的計數器，使用該方法監測斷路器的壽命，只需要進行開斷電流的測量和簡單的計算，在實際操作中忽略了實際因素，因而在一些情況下誤差會很大。所以，用傳統的電壽命監測方法準確度比較低;再者，由于技術因素的限制，這種方式所能夠提供的信息量也比較有限。

　　隨著傳感技術、信號處理技術、計算機技術以及微電子技術的發展，開發出真空斷路器電壽命智能化監測系統是完全可能的，也是非常必要的。并且，它可以給出較多的信息量和提供報警信息，所以對于電網的安全運行有著重要的意義。

　　為此，我們擬研制和開發出一套針對真空斷路器電壽命的智能化監測系統。用于在線監測真空斷路器的剩余電壽命、開斷短路電流次數以及開斷電流的數值等參數，并給出相應的報警信息，保障電網的安全可靠運行。在樣機研制成功后，將對一個變電站中的約20臺10kV的真空斷路器安裝此監測裝置，并進行集中監控。

　　二、 線盤真空斷路器電壽命臨測的研究狀況

　　對于真空斷路器來說，影響電壽命的主要岡素是斷路器開斷電流時山于電弧作用而產生的電磨損，主要有接觸表面的破壞、金屬材料的損失和變形等。電磨損會影響滅弧室滅弧的性能。由于不同電流下觸頭的燒損與電流的大小不是簡單的比例關系，因此，對于電壽命的監測，簡單的累計開斷電流的方法誤差很大。

　　一種普遍采用的方法是開斷電流加權累計法，開斷電流加權累計法采用以下公式： Q= 公式(1) 式中 是第I次斷開的電流值、是加權系數。一般在1.5到2之間，一般由斷路器的電壽命曲線得到，Q即為開斷電流加權累計值(累計電磨損值)。將Q與閾值進行比較，可以判斷電壽命剩余情況。這種方法只需要知道每次開斷電流的大小，比較簡單實用。

　　有關參考文獻應用模糊理論，提出斷路器電壽命的綜合判斷方法。根據影響電壽命的六個主要因素—首開相的燃弧時間、后開相的燃弧時間、開斷速度、開斷時間、首開相在三相中的均勻度和等效開斷電流的電磨損系數對斷路器的電壽命進行判斷。由于不同因素的權重不盡相同，應用這種方法需要大量的試驗數據，給這種方法的實際應用帶來了一定的困難。

　　目前，由于在強電磁干擾條件下測試開斷大電流方面的困難，國內僅有少數幾個單位在理論上作了一些論證，但還沒有研制出針對真空斷路器電壽命監測的專門化裝置，但如前文所述，由于真空斷路器在系統中日益廣泛的采用，這種裝置的出現是遲早之事。

　　三、 本項目擬研究的主要問題

　　1. 主要課題和內容

　　線盤本項目致力于研制和開發真空斷路器智能化監測系統，它由以下幾部分組成：

　　1.基于RoSowskl線圈的開斷電流測量系統：

　　2.數據處理以及存儲和顯示系統：

　　3.通信系統;

　　4.系統自檢和設定;

　　5.遠端監控軟件。

　　其功能包括以下幾個方面：

　　1.實時監測功能：對斷路器剩余壽命以及開斷電流次數和電流數值等重要參數進行長期連續的實時監測;

　　2.顯示功能：該系統可以實時顯示斷路器剩余壽命，開斷電流次數和電流數值及對應時間等參數：

　　3.可以通過按鈕查看歷史數據，設定和修改設定值：

　　4.通信功能：可以通過該系統的RS-485串口實現與變電站計算機網絡的通信?？梢园褦祿髦辽衔粰C，并進行遠端監控和報警等。

　　5.系統自檢：對系統本身的工作狀況進行自檢，發現故障并及時報警;

　　6.可以通過上位機進行遠端監控。

　　本項目的主要內容包括以下幾個方面：

　　1.研制和開發基于Rogowski線圈的開斷電流測量系統;

　　2.開發數據的處理、存儲顯示系統;

　　3.開發通信以及遠端控制系統。

　　線盤在樣機研制成功后，對一個變電站中的約20臺10kV的真空斷路器安裝此監測裝置，并在控制室中用上位機進行集中監控。

　　2.項目的技術關鍵分析

　　真空斷路器電壽命智能化監測是多種技術的綜合，包括準確測量開斷電流的傳感器技術、網絡通信技術、信號處理技術以及抗干擾技術等。下面著重介紹以下三項關鍵技術。

　　a)開斷電流的準確測量技術

　　真空斷路器電壽命智能化監測系統中，關鍵的也是比較難的技術問題之一是測量幾十千安的短路電流，例如31.5kA到50kA。普通的電流互感器(CT)的準確度為5P20或10P20。如果它的額定電流為600A，它只能準確地測到20倍的額定電流，約12kA左右。由于普通的電流互感器帶有鐵心，電流過大時易飽和，測得的數值就與實際值偏差很大。

　　本項目采用基于Rogowski線圈的電流傳感器，可以實現大變化范圍的電流信號的測量，并且在整個測量范圍內能夠保持很好的線性度。這種傳感器不但成本低廉，而且在經過一定的處理后可以達到很高的測量精度。

　　b)信號處理技術

　　信號處理包括消除信號中的干擾和故障診斷等，是真空斷路器電壽命智能化監測系統中的又一項關鍵技術。在采用單片機作為處理器時，信號處理方法的選擇還要考慮到程序和數據的存儲的容量與計算速度。

　　c)抗干擾技術

　　構成智能化監測系統裝置的弱電元器件，工作電壓低，信號弱，耐壓水平低。而斷路器出的環境十分惡劣，特別是動作時電磁干擾很強。所以如何將處于高電位的開斷電流信號傳到低電位處的智能化監測系統裝置中，并去除干擾信號的影響，也是一項比較難以處理的問題。本項目將從硬件和軟件兩個方面來解決這個問題。

　　3.研究的技術路線及本項目技術方案和結論意見

　　如前所述，簡單的以式(1)來表示開斷短路電流時的電磨損量是比較實用的，只需要進行一些改進。對于真空斷路器來說，影響電壽命的主要因素是觸頭的電磨損。因此，真空斷路器的電壽命可以通過觸頭的電磨損量進行分析。開斷電流加權累計法以其簡單方便而被普遍采用。當事實上，影響開斷時電磨損的因素很多。除了開斷電流外，分閘相位、分閘速度、燃弧時間、觸頭材料、滅弧室的結構等，與電磨損都有直接的關系。在其他條件一定的條件下，燃弧時間則起著決定性的作用。也就是說，開斷電流加權累計法忽略了一些實際問題，因而在某些情況下誤差會較大。但是，要實現那些細微的理論考慮，是非常困難的。所以結論還是采用較為實用的開斷電流加權累計法。

　　參考文獻通過系統的分析和論證，得出以下結論：電壽命監測時不僅要同時考慮開斷電流和燃弧時間，還應當三相分別進行。

　　本項目采用三相同時監測，最后作綜合平均處理的方法。真空斷路器電壽命智能化監測系統原理。

　　該裝置的工作原理為：真空斷路器斷開斷短路電流時，由套在三相母線上的三個Rogowski線圈采集電流信號，經雙屏蔽電纜將該信號傳輸到低電位，再經A/D，把三路信號轉化成數字量，最后，通過單片機進行信號處理，再由相應模塊完成顯示、存儲和通信等功能。

　　電壽命智能化監測系統中的CPU采用的是80C196單片機或PC機，它負責計算每次斷開電流的加權電磨損量及累計的加權累計電磨損量，并與允許的(設定的)電磨損量進行比較，得出真空斷路器的剩余電壽命，并由液晶板顯示。整個智能化監測系統由該單片機協調。

　　除此之外，還要開發出一套遠端監控系統軟件。通過該軟件，上位機可以很方便的取得智能化監測系統的運行數據和歷史記錄，也可以把變電站內的多個真空斷路器電壽命的監測系統組成一個網絡系統，由一臺上位機統一監控。