一、真空斷路器是近十幾年來快速發(fā)展起來的一種新型電器。同傳統(tǒng)的油斷路器相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如不燃爆、不污染、免檢期長(zhǎng)、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(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，它正逐步取代傳統(tǒng)的少油斷路器而成為中壓配電系統(tǒng)的主要開關(guān)設(shè)備。
壽命長(zhǎng)是真空斷路器的顯著特點(diǎn)。它的使用壽命是機(jī)械壽命與電壽命的綜合。其機(jī)械壽命是指斷路器在空載或額定長(zhǎng)期負(fù)荷輕載下的分合循環(huán)操作次數(shù)，著眼于機(jī)械動(dòng)作方面的能力。真空斷路器機(jī)械壽命比較長(zhǎng)，可達(dá)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(shù)來表示。由于強(qiáng)大的電弧對(duì)觸頭的燒蝕，真空斷路器的電壽命次數(shù)僅數(shù)十次。一般來講，真空斷路器的電壽命決定其真實(shí)使用期限。如果電壽命超過，真空滅弧室會(huì)失效，電弧不能斷開，滅弧室可能爆炸，造成重大事故。所以，對(duì)其電壽命的監(jiān)測(cè)和評(píng)估是非常必要的。
當(dāng)前，隨著真空斷路器在中壓配電系統(tǒng)中日益廣泛的采用，對(duì)其電壽命的在線監(jiān)測(cè)也變得非常重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得出其剩余電壽命，并給出一定的報(bào)警信號(hào)，維護(hù)人員即可進(jìn)行及時(shí)的處理，從而避免重大事故的發(fā)生。
傳統(tǒng)的電壽命監(jiān)測(cè)方法一般都建立在對(duì)開斷電流準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，由于斷路器在實(shí)際運(yùn)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(shí)會(huì)含有直流分量，電流互感器（CT）會(huì)出現(xiàn)不同程度的飽和，因此準(zhǔn)確測(cè)取開斷電流存在一定的困難。另外，傳統(tǒng)的電壽命監(jiān)測(cè)方法是開斷電流的次數(shù)，通常在開關(guān)柜中有一個(gè)開斷電流次數(shù)的計(jì)數(shù)器，使用該方法監(jiān)測(cè)斷路器的壽命，只需要進(jìn)行開斷電流的測(cè)量和簡(jiǎn)單的計(jì)算，在實(shí)際操作中忽略了實(shí)際因素，因而在一些情況下誤差會(huì)很大。所以，用傳統(tǒng)的電壽命監(jiān)測(cè)方法準(zhǔn)確度比較低；再者，由于技術(shù)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(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出真空斷路器電壽命智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是*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(bào)警信息，所以對(duì)于電網(wǎng)的安全運(yùn)行有著重要的意 義。
為此，我們擬研制和開發(fā)出一套針對(duì)真空斷路器電壽命的智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于在線監(jiān)測(cè)真空斷路器的剩余電壽命、開斷短路電流次數(shù)以及開斷電流的數(shù)值等參數(shù)，并給出相應(yīng)的報(bào)警信息，保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。 在樣機(jī)研制成功后，將對(duì)一個(gè)變電站中的約20臺(tái)10kV的真空斷路器安裝此監(jiān)測(cè)裝置，并進(jìn)行集中監(jiān)控。
二、 真空斷路器電壽命臨測(cè)的研究狀況
對(duì)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(shí)山于電弧作用而產(chǎn)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(huì)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(jiǎn)單的比例關(guān)系，因此，對(duì)于電壽命的監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)單的累計(jì)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(quán)累計(jì)法，開斷電流加權(quán)累計(jì)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(quán)系數(shù)。 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(quán)累計(jì)值（累計(jì)電磨損值）。將Q與閾值進(jìn)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(jiǎn)單實(shí)用。
有關(guān)參考文獻(xiàn)應(yīng)用模糊理論，提出斷路器電壽命的綜合判斷方法。根據(jù)影響電壽命的六個(gè)主要因素—首開相的燃弧時(shí)間、后開相的燃弧時(shí)間、開斷速度、開斷時(shí)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(shù)對(duì)斷路器的電壽命進(jìn)行判斷。由于不同因素的權(quán)重不盡相同，應(yīng)用這種方法需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給這種方法的實(shí)際應(yīng)用帶來了一定的困難。
目前，由于在強(qiáng)電磁干擾條件下測(cè)試開斷大電流方面的困難，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾個(gè)單位在理論上作了一些論證，但還沒有研制出針對(duì)真空斷路器電壽命監(jiān)測(cè)的專門化裝置，但如前文所述，由于真空斷路器在系統(tǒng)中日益廣泛的采用，這種裝置的出現(xiàn)是遲早之事。
三、 本項(xiàng)目擬研究的主要問題
1． 主要課題和內(nèi)容
本項(xiàng)目致力于研制和開發(fā)真空斷路器智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它由以下幾部分組成：
1．基于RoSowskl線圈的開斷電流測(cè)量系統(tǒng)：
2．?dāng)?shù)據(jù)處理以及存儲(chǔ)和顯示系統(tǒng)：
3．通信系統(tǒng)；
4．系統(tǒng)自檢和設(shè)定；
5．遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件。
其功能包括以下幾個(gè)方面：
1．實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能：對(duì)斷路器剩余壽命以及開斷電流次數(shù)和電流數(shù)值等重要參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；
2．顯示功能：該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示斷路器剩余壽命，開斷電流次數(shù)和電流數(shù)值及對(duì)應(yīng)時(shí)間等參數(shù)：
3．可以通過按鈕查看歷史數(shù)據(jù)，設(shè)定和修改設(shè)定值：
4．通信功能：可以通過該系統(tǒng)的RS-485串口實(shí)現(xiàn)與變電站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信?？梢园褦?shù)據(jù)傳至上位機(jī)，并進(jìn)行遠(yuǎn)端監(jiān)控和報(bào)警等。
5．系統(tǒng)自檢：對(duì)系統(tǒng)本身的工作狀況進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)報(bào)警；
6．可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)端監(jiān)控。
本項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
1．研制和開發(fā)基于Rogowski線圈的開斷電流測(cè)量系統(tǒng)；
2．開發(fā)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)顯示系統(tǒng)；
3．開發(fā)通信以及遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)。
在樣機(jī)研制成功后，對(duì)一個(gè)變電站中的約20臺(tái)10kV的真空斷路器安裝此監(jiān)測(cè)裝置，并在控制室中用上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控。
2．項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵分析
真空斷路器電壽命智能化監(jiān)測(cè)是多種技術(shù)的綜合，包括準(zhǔn)確測(cè)量開斷電流的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及抗干擾技術(shù)等。下面著重介紹以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
a）開斷電流的準(zhǔn)確測(cè)量技術(shù)
真空斷路器電壽命智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，關(guān)鍵的也是比較難的技術(shù)問題之一是測(cè)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(zhǔn)確度為5P20或10P20。如果它的額定電流為600A，它只能準(zhǔn)確地測(cè)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(shí)易飽和，測(cè)得的數(shù)值就與實(shí)際值偏差很大。
本項(xiàng)目采用基于Rogowski線圈的電流傳感器，可以實(shí)現(xiàn)大變化范圍的電流信號(hào)的測(cè)量，并且在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)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(jīng)過一定的處理后可以達(dá)到很高的測(cè)量精度。
b）信號(hào)處理技術(shù)
信號(hào)處理包括消除信號(hào)中的干擾和故障診斷等，是真空斷路器電壽命智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的又一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在采用單片機(jī)作為處理器時(shí)，信號(hào)處理方法的選擇還要考慮到程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的容量與計(jì)算速度。
c）抗干擾技術(shù)
構(gòu)成智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置的弱電元器件，工作電壓低，信號(hào)弱，耐壓水平低。而斷路器出的環(huán)境十分惡劣，特別是動(dòng)作時(shí)電磁干擾很強(qiáng)。所以如何將處于高電位的開斷電流信號(hào)傳到低電位處的智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置中，并去除干擾信號(hào)的影響，也是一項(xiàng)比較難以處理的問題。本項(xiàng)目將從硬件和軟件兩個(gè)方面來解決這個(gè)問題。
3．研究的技術(shù)路線及本項(xiàng)目技術(shù)方案和結(jié)論意見
如前所述，簡(jiǎn)單的以式（1）來表示開斷短路電流時(shí)的電磨損量是比較實(shí)用的，只需要進(jìn)行一些改進(jìn)。對(duì)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(jìn)行分析。 開斷電流加權(quán)累計(jì)法以其簡(jiǎn)單方便而被普遍采用。當(dāng)事實(shí)上，影響開斷時(shí)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(shí)間、觸頭材料、滅弧室的結(jié)構(gòu)等，與電磨損都有直接的關(guān)系。在其他條件一定的條件下，燃弧時(shí)間則起著決定性的作用。也就是說，開斷電流加權(quán)累計(jì)法忽略了一些實(shí)際問題，因而在某些情況下誤差會(huì)較大。但是，要實(shí)現(xiàn)那些細(xì)微的理論考慮，是非常困難的。所以結(jié)論還是采用較為實(shí)用的開斷電流加權(quán)累計(jì)法。
參考文獻(xiàn)通過系統(tǒng)的分析和論證，得出以下結(jié)論：電壽命監(jiān)測(cè)時(shí)不僅要同時(shí)考慮開斷電流和燃弧時(shí)間，還應(yīng)當(dāng)三相分別進(jìn)行。
本項(xiàng)目采用三相同時(shí)監(jiān)測(cè)，Z后作綜合平均處理的方法。真空斷路器電壽命智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理。
該裝置的工作原理為：真空斷路器斷開斷短路電流時(shí)，由套在三相母線上的三個(gè)Rogowski線圈采集電流信號(hào)，經(jīng)雙屏蔽電纜將該信號(hào)傳輸?shù)降碗娢?，再?jīng)A／D，把三路信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，Z后，通過單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，再由相應(yīng)模塊完成顯示、存儲(chǔ)和通信等功能。
電壽命智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的CPU采用的是80C196單片機(jī)或PC機(jī)，它負(fù)責(zé)計(jì)算每次斷開電流的加權(quán)電磨損量及累計(jì)的加權(quán)累計(jì)電磨損量，并與允許的（設(shè)定的）電磨損量進(jìn)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(gè)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由該單片機(jī)協(xié)調(diào)。
除此之外，還要開發(fā)出一套遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)軟件。通過該軟件，上位機(jī)可以很方便的取得智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史記錄，也可以把變電站內(nèi)的多個(gè)真空斷路器電壽命的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由一臺(tái)上位機(jī)統(tǒng)一監(jiān)控。
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