基于真空断路器在线监测系统的设计

　　摘要：本文介绍了真空断路器的基本结构和工作原理，以现代状态检修概念为基础，利用各种传感器技术对真空断路器进行在线工作状态的数据采集，并对数据进行处理和判断，实现对真空断路器的在线实时状态监测；并设计了一套真空断路器在线监测系统。

　　1 真空断路器的结构及原理

　　真空断路器广泛地应用在电力控制系统中。在真空条件下（一般指10-4至10-7Torr），真空间隙的绝缘强度很高，电弧很容易熄灭，所以真空断路器的灭弧能力很强，介质强度也很高，开断后的介质恢复速度也很快。

　　利用真空条件来熄弧，这个设想早在19世纪末就已提出，但是由于受真空工艺、材料、冶金等技术水平的限制，当时未能实现实用化。上世纪五十年代以后，随着电子工业发展起来的许多新技术，解决了真空灭弧室制造的许多难题，使真空开关逐渐达到实用水平。七十年代制造了开断能力达60～80kA，电压等级为10～35kV的真空断路器，使真空开关成为配电电压等级中首屈一指的新型断路器。

　　真空断路器的主要灭弧机构就是真空灭弧室，如图1所示：

　　图1

　　由图1知，真空灭弧室的结构很象一个大型的真空电子管，外壳有玻璃和陶瓷两种构造，动触头的密封靠金属波纹管，在允许的弹性变形范围内伸缩，有足够高的机械寿命。在动、静触头的外周，装设了悬浮电位的金属屏蔽罩，它起冷凝吸收金属蒸汽、均匀电场分布、保护外壳等表面绝缘作用。

　　真空断路器的灭弧原理与其他种类断路器灭弧原理不同，其他断路器主要利用灭弧介质来达到熄灭电弧的目的。真空断路器是利用真空阻止电弧重燃来达到灭弧的目的。因此，电流过零后能否重燃取决于弧隙介质强度的恢复。若恢复了，则能有效的阻止电弧的重燃，否则，电弧会继续燃烧直到下一个过零点，才有可能熄弧。

　　因此，性能齐全的真空断路器在线状态监测系统是保证电力控制设备安全、可靠工作的重要保证。

　　2 真空断路器的在线状态监测过程

　　状态监测是指了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对开关设备运行状态进行*估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常情况做出报警，以便运行人员及时加以处理，并对开关设备的故障分析、性能*估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。

　　通常开关设备的状态可分为正常状态、异常状态、和故障状态几种情况。正常情况指设备的整体或其局部没有缺陷，或虽有缺陷但其性能仍在允许的限度以内。异常状态指缺陷已有一定程度的扩展，使开关设备状态信号发生一定的变化，开关设备性能已经劣化，但仍能维持工作。此时应该注意设备性能的发展趋势，即开关设备应在监护下运行。故障状态则指设备性能指标已有大的下降，设备已经不能维持正常工作。开关设备的故障状态尚有严重程度之分，包括已有故障萌生并有进一步发展趋势的早期故障;程度尚不严重，开关设备尚可勉强“带病”运行的一般功能性故障;已发展到开关设备不能运行必须停机的严重故障;已导致灾难事故的破坏性故障，以及由于某种原因瞬间发生的突发型紧急故障等。

　　状态监测的步骤主要分为以下三步：

　　（1）信号采集

　　开关设备在运行过程中必然会有力、热、振动和能量等各种量的变化，由此会产生各种不同信息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号。

　　（2）信号处理

　　这是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征过程，也称特征提取过程。

　　（3）状态识别

　　将经过信号处理后获得的开关设备特征参数与规定的允许参数进行比较、对比以确定设备所处的状态，是否存在故障。如图2所示：

　　图2

　　3 真空断路器的在线状态监测原理

　　从上世纪九十年代开始，出现了以数字波形采集和处理技术为的微机多功能在线监测系统，该系统利用先进的传感器技术、计算机技术和数字波形采集与处理等高新技术，实现更多的参数在线监测。这种监测系统可以实时连续的巡回监测各被测量，因此，监测内容丰富、信息量大、处理速度快，对监测结果可显示、存储、打印及报警，实现状态监测的全部自动化。在线监测技术的发展逐渐代替了离线监测，弥补了离线监测的缺陷。在线状态监测系统实现了数据采集，数据处理、状态识别、数据库等各项功能。它的基本原理是电气设备处于运行状态中，利用各种测量工具测其工作电流、电压等特征参数，采用相应形式的传感器，将被测信号（电的和非电的）抽取出来，转换成为监测装置可以检测到的标准形式信号，输入数字信号采集装置，通过A/D转换，然后进行相应的数据分析和特征提取。其原理框图如图3所示：

　　图3

　　传感器是在线监测系统的入口器件，其灵敏度和性能的优劣直接影响测量，进而使数据处理产生较大的误差。监测系统能够正确运行的前提就是要有好的、性能可靠的、灵敏度高的传感器。所以要求传感器灵敏、可靠、线性度好，能够不失真的转换被测信号。被测信号不同，传感器的形式也不同。

　　数据采集装置将被测信号转换成为数字量或数字波形，以便进行数据处理。整个采集装置是在计算机的程序控制下工作的。为了满足测量，要求采集装置具有一定的采样速度和A/D转换，以及适当的通道数。为了采集高频信号，还要求采集装置有相当高的采样频率。

　　数据处理系统，这部分的器件是一台工业计算机。系统的功能主要有以下几个部分：

　　（1）控制数据采集装置以适当的频率对被测信号进行采集，并能够从数据采集装置中读入采集到的数据；

　　（2）对采集进来的数据进行处理，利用处理后的数据进行分析并判断所检测设备的状态好坏；

　　（3）建立起数据库，能够随时提取历史数据。并能够实现显示打印等功能。

　　数据库是监测系统有别与仪表系统的关键。数据库用来存储和处理设备运行的各种信息，并具有管理和检索功能。数据库包括了设备的结构参数、特征参数、工作参数等静态数据，监测和运行数据等动态参数，还记录了各类的历史数据，如典型故障数据和正常数据等。系统记录的历史数据对运行和维修的指导作用是巨大的，可形成趋势图用于判断设备健康状况及发展趋势。数据库应能记录一段时间内的全部详细数据。

　　4 真空断路器在线状态监测系统的实现

　　通过前述分析，真空断路器状态监测系统的实现结构如图4所示：

　　图4

　　由图4知，真空断路器状态监测系统从结构上分为两大部分，一部分为数据采集系统，一部分为数据处理系统，使用的软件为Matlab和C语言。

　　采集系统选取了合适的数据采集装置和传感器等硬件，并利用C语言执行速度快的特点，开发数据采集程序，保证系统能够快速、准确、实时的进行数据采集。

　　数据处理系统利用Matlab的互动式界面和方便的可视化功能，开发数据处理程序。包括监测系统主界面的制作，数据的处理。

　　从整体来讲，该监测系统是以Matlab为开发平台实现的，数据采集和数据处理独立运作，由C语言编写的数据采集程序控制硬件进行数据的采集，由Matlab编写的数据处理负责数据的读入、处理、显示，报警、打印及数据库的存取。在远程通信中，仍然用C语言来实现。

　　5 结束语

　　该系统实现选用硬件少，大多数工作均由工控机来完成，地降低了系统的成本，减少了因为监测所需的硬件故障而导致采集的数据失真等情况发生的可能性，并能够保证真空断路器安全可靠的运行，而且可以指导设备的日常检修工作，安排合理的检修计划，减少因设备维护所需的各种费用，提高了经济效益。

　　本文作者创新点：设计了一种真空断路器的在线状态监测系统，通过运用综合性的测量手段，准确的掌握设备状态，通过合理的数据分析，对断路器的状态进行判断，并预测设备的寿命，防止故障甚至事故的发生，并为适当的检修和维护提供合理的决策。真空开关状态监测适应真空开关技术发展和维护的需要，是一种先进的监测方法，是将来电力设备检修的发展方向。