基于真空斷路器的在線(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監測系統

　　本文設計了一種真空斷路器的在線(xiàn)狀態(tài)監測系統，通過(guò)運用綜合性的測量手段，準確的掌握設備狀態(tài)，通過(guò)合理的數據分析，對斷路器的狀態(tài)進(jìn)行判斷，并預測設備的壽命，防止故障甚至事故的發(fā)生，并為適當的檢修和維護提供合理的決策。真空開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測適應真空開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展和維護的需要，是一種先進(jìn)的監測方法，是將來(lái)電力設備檢修的發(fā)展方向。

　　介紹了真空斷路器的基本結構和工作原理，以現代狀態(tài)檢修概念為基礎，利用各種傳感器技術(shù)對真空斷路器進(jìn)行在線(xiàn)工作狀態(tài)的數據采集，并對數據進(jìn)行處理和判斷，實(shí)現對真空斷路器的在線(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監測;并設計了一套真空斷路器在線(xiàn)監測系統。

1、真空斷路器的結構及原理

　　真空斷路器廣泛地應用在電力控制系統中。在真空度條件下(一般指10^-4至10^-7 Torr)，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(kāi)斷后的介質(zhì)恢復速度也很快�！±�用真空條件來(lái)熄弧，這個(gè)設想早在19世紀末就已提出，但是由于受真空工藝、材料、冶金等技術(shù)水平的限制，當時(shí)未能實(shí)現實(shí)用化。真空斷路器的主要滅弧機構就是真空滅弧室，如圖1所示：

　　由圖1知，真空滅弧室的結構很象一個(gè)大型的真空電子管，外殼有玻璃和陶瓷兩種構造，動(dòng)觸頭的密封靠金屬波紋管，在允許的彈性變形范圍內伸縮，有足夠高的機械壽命。在動(dòng)、靜觸頭的外周，裝設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(chǎng)分布、保護外殼等表面絕緣作用�！≌婵諗嗦菲鞯臏缁≡�理與其他種類(lèi)斷路器滅弧原理不同，其他斷路器主要利用滅弧介質(zhì)來(lái)達到熄滅電弧的目的。真空斷路器是利用真空阻止電弧重燃來(lái)達到滅弧的目的。因此，電流過(guò)零后能否重燃取決于弧隙介質(zhì)強度的恢復。若恢復了，則能有效的阻止電弧的重燃，否則，電弧會(huì )繼續燃燒直到下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，才有可能熄弧�！∫虼�，性能齊全的真空斷路器在線(xiàn)狀態(tài)監測系統是保證電力控制設備安全、可靠工作的重要保證。

2、真空斷路器的在線(xiàn)狀態(tài)監測過(guò)程

　　狀態(tài)監測是指了解和掌握設備的運行狀態(tài)，包括采用各種檢測、測量、監視、分析和判別方法，結合系統的歷史和現狀，考慮環(huán)境因素，對開(kāi)關(guān)設備運行狀態(tài)進(jìn)行評估，判斷其處于正�；蚍钦�常狀態(tài)，并對狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄，對異常情況做出報警，以便運行人員及時(shí)加以處理，并對開(kāi)關(guān)設備的故障分析、性能評估、合理使用和安全工作提供信息和準備基礎數據�！⊥ǔｉ_(kāi)關(guān)設備的狀態(tài)可分為正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、和故障狀態(tài)幾種情況。正常情況指設備的整體或其局部沒(méi)有缺陷，或雖有缺陷但其性能仍在允許的限度以?xún)�。異常狀態(tài)指缺陷已有一定程度的擴展，使開(kāi)關(guān)設備狀態(tài)信號發(fā)生一定的變化，開(kāi)關(guān)設備性能已經(jīng)劣化，但仍能維持工作。此時(shí)應該注意設備性能的發(fā)展趨勢，即開(kāi)關(guān)設備應在監護下運行。故障狀態(tài)則指設備性能指標已有大的下降，設備已經(jīng)不能維持正常工作。開(kāi)關(guān)設備的故障狀態(tài)尚有嚴重程度之分，包括已有故障萌生并有進(jìn)一步發(fā)展趨勢的早期故障;程度尚不嚴重，開(kāi)關(guān)設備尚可勉強“帶病”運行的一般功能性故障;已發(fā)展到開(kāi)關(guān)設備不能運行必須停機的嚴重故障;已導致災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)監測的步驟主要分為以下三步：

　　(1)信號采集　開(kāi)關(guān)設備在運行過(guò)程中必然會(huì )有力、熱、振動(dòng)和能量等各種量的變化，由此會(huì )產(chǎn)生各種不同信息。根據不同的診斷需要，選擇能表征設備工作狀態(tài)的不同信號。

　　(2)信號處理　這是將采集到的信號進(jìn)行分類(lèi)處理、加工，獲得能表征機器特征過(guò)程，也稱(chēng)特征提取過(guò)程。(3)狀態(tài)識別　將經(jīng)過(guò)信號處理后獲得的開(kāi)關(guān)設備特征參數與規定的允許參數進(jìn)行比較、對比以確定設備所處的狀態(tài)，是否存在故障。如圖2所示：

3、真空斷路器的在線(xiàn)狀態(tài)監測原理

　　從上世紀九十年代開(kāi)始，出現了以數字波形采集和處理技術(shù)為核心的微機多功能在線(xiàn)監測系統，該系統利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和數字波形采集與處理等高新技術(shù)，實(shí)現更多的參數在線(xiàn)監測。這種監測系統可以實(shí)時(shí)連續的巡回監測各被測量，因此，監測內容豐富、信息量大、處理速度快，對監測結果可顯示、存儲、打印及報警，實(shí)現狀態(tài)監測的全部自動(dòng)化。在線(xiàn)監測技術(shù)的發(fā)展逐漸代替了離線(xiàn)監測，彌補了離線(xiàn)監測的缺陷。在線(xiàn)狀態(tài)監測系統實(shí)現了數據采集，數據處理、狀態(tài)識別、數據庫等各項功能。它的基本原理是電氣設備處于運行狀態(tài)中，利用各種測量工具測其工作電流、電壓等特征參數，采用相應形式的傳感器，將被測信號(電的和非電的)抽取出來(lái)，轉換成為監測裝置可以檢測到的標準形式信號，輸入數字信號采集裝置，通過(guò)A/D轉換，然后進(jìn)行相應的數據分析和特征提取。其原理框圖如圖3所示：

　　傳感器是在線(xiàn)監測系統的入口器件，其靈敏度和性能的優(yōu)劣直接影響測量精度，進(jìn)而使數據處理產(chǎn)生較大的誤差。監測系統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(xiàn)性度好，能夠不失真的轉換被測信號。被測信號不同，傳感器的形式也不同�！�數據采集裝置將被測信號轉換成為數字量或數字波形，以便進(jìn)行數據處理。整個(gè)采集裝置是在計算機的程序控制下工作的。為了滿(mǎn)足測量精度，要求采集裝置具有一定的采樣速度和A/D轉換精度，以及適當的通道數。為了采集高頻信號，還要求采集裝置有相當高的采樣頻率�！�數據處理系統，這部分的核心器件是一臺工業(yè)計算機。

　　系統的功能主要有以下幾個(gè)部分：

　　(1)控制數據采集裝置以適當的頻率對被測信號進(jìn)行采集，并能夠從數據采集裝置中讀入采集到的數據;

　　(2)對采集進(jìn)來(lái)的數據進(jìn)行處理，利用處理后的數據進(jìn)行分析并判斷所檢測設備的狀態(tài)好壞;

　　(3)建立起數據庫，能夠隨時(shí)提取歷史數據。并能夠實(shí)現顯示打印等功能�！�數據庫是監測系統有別與儀表系統的關(guān)鍵。數據庫用來(lái)存儲和處理設備運行的各種信息，并具有管理和檢索功能。數據庫包括了設備的結構參數、特征參數、工作參數等靜態(tài)數據，監測和運行數據等動(dòng)態(tài)參數，還記錄了各類(lèi)的歷史數據，如典型故障數據和正常數據等。系統記錄的歷史數據對運行和維修的指導作用是巨大的，可形成趨勢圖用于判斷設備健康狀況及發(fā)展趨勢。數據庫應能記錄一段時(shí)間內的全部詳細數據。

4、真空斷路器在線(xiàn)狀態(tài)監測系統的實(shí)現

　　通過(guò)前述分析，真空斷路器狀態(tài)監測系統的實(shí)現結構如圖4所示：

　　由圖4知，真空斷路器狀態(tài)監測系統從結構上分為兩大部分，一部分為數據采集系統，一部分為數據處理系統，使用的軟件為Matlab和C語(yǔ)言. 　采集系統選取了合適的數據采集裝置和傳感器等硬件，并利用C語(yǔ)言執行速度快的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)數據采集程序，保證系統能夠快速、準確、實(shí)時(shí)的進(jìn)行數據采集�！�數據處理系統利用Matlab的互動(dòng)式界面和方便的可視化功能，開(kāi)發(fā)數據處理程序。包括監測系統主界面的制作，數據的處理。

　　從整體來(lái)講，該監測系統是以Matlab為開(kāi)發(fā)平臺實(shí)現的，數據采集和數據處理獨立運作，由C語(yǔ)言編寫(xiě)的數據采集程序控制硬件進(jìn)行數據的采集，由Matlab編寫(xiě)的數據處理負責數據的讀入、處理、顯示，報警、打印及數據庫的存取。在遠程通信中，仍然用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。 5 結束語(yǔ)　該系統實(shí)現選用硬件少，大多數工作均由工控機來(lái)完成，最大程度地降低了系統的成本，減少了因為監測所需的硬件故障而導致采集的數據失真等情況發(fā)生的可能性，并能夠保證真空斷路器安全可靠的運行，而且可以指導設備的日常檢修工作，安排最合理的檢修計劃，減少因設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(diǎn)：設計了一種真空斷路器的在線(xiàn)狀態(tài)監測系統，通過(guò)運用綜合性的測量手段，準確的掌握設備狀態(tài)，通過(guò)合理的數據分析，對斷路器的狀態(tài)進(jìn)行判斷，并預測設備的壽命，防止故障甚至事故的發(fā)生，并為適當的檢修和維護提供合理的決策。真空開(kāi)關(guān)狀態(tài)監測適應真空開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展和維護的需要，是一種先進(jìn)的監測方法，是將來(lái)電力設備檢修的發(fā)展方向。