孫 熠，張 闊，仇英輝

(華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京102206)

1 引言

真空斷路器在電力系統(tǒng)中具有保護(hù)和控制雙重功能，是電力系統(tǒng)一次設(shè)備中維護(hù)工作量最大的設(shè)備之一。據(jù)相關(guān)資料證實(shí)，開(kāi)關(guān)的維修費(fèi)用占用變電站總維修費(fèi)用的50%以上，而且大部分用于斷路器的定期檢修上［1-4］。真空斷路器的主要性能參數(shù)是真空度，真空度的優(yōu)劣直接影響到真空開(kāi)關(guān)的壽命，使用期間的耐壓水平和開(kāi)斷能力。目前，真空開(kāi)關(guān)在我國(guó)中低壓領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，滅弧室的真空度在線監(jiān)測(cè)已成為工程領(lǐng)域的一個(gè)熱門話題。

真空斷路器真空度的測(cè)試方法從大的方面說(shuō)，包括離線檢測(cè)和在線檢測(cè)兩大類。離線檢測(cè)的方法較多，而且發(fā)展相對(duì)成熟，磁控放電法是其中一種重復(fù)性較好、靈敏度高的定量測(cè)量方法［5-7］。除了磁控放電法，還包括工頻耐壓法、吸氣擠膜法、德斯拉線圈法等。在線檢測(cè)由于要在不改動(dòng)開(kāi)關(guān)主體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)的前提下，隨時(shí)監(jiān)測(cè)真空度的變化，目前國(guó)內(nèi)外還無(wú)法實(shí)現(xiàn)真空度的直接測(cè)量。用于真空度的間接測(cè)量方法有耦合電容方法和電光變化方法［8-12］。耦合電容法是根據(jù)局部放電測(cè)量原理提出來(lái)的，若被測(cè)真空滅弧室的帶電觸頭至中間屏蔽罩的耐壓強(qiáng)度由于真空度降低而下降，則當(dāng)工頻電壓從零點(diǎn)升至某一值時(shí)，帶電觸頭和屏蔽罩之間的等值電容發(fā)生放電，該局部放電信號(hào)可通過(guò)位于屏蔽罩與接地箱之間的兩個(gè)局部放電探頭進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)［13-15］。這種監(jiān)測(cè)方法的主要問(wèn)題是其測(cè)量的靈敏度有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)真空度在線監(jiān)測(cè)的研究成果，文獻(xiàn)［8］研究了真空斷路器屏蔽罩的電位與滅弧室內(nèi)真空度關(guān)系，本文通過(guò)測(cè)量屏蔽罩的電位相對(duì)正常值和其他兩相電位的變化，從而抵消了由于環(huán)境變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，利用高階數(shù)字濾波器提取工頻信號(hào)和高次諧波。采用Atmel公司集成AD采集模塊AVR單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警和通信等功能，實(shí)現(xiàn)了真空度的在線監(jiān)測(cè)低成本、高靈敏度。

2 真空度在線監(jiān)測(cè)原理

滅弧室內(nèi)真空度正常時(shí)，僅需幾百伏的電壓就可維持帶電觸頭與中間屏蔽罩之間由場(chǎng)致發(fā)射引起的電子電流。屏蔽罩積累的負(fù)電荷使其負(fù)電壓電位幾乎能達(dá)到電極電壓峰值;真空斷路器滅弧室真空度劣化時(shí)，滅弧室內(nèi)氣體密度變大，場(chǎng)致發(fā)射電子被氣體分子吸附后成為負(fù)離子。由于負(fù)離子質(zhì)量大，漂移速度慢，使得上述電子電流減小，屏蔽罩電位降低［8］。滅弧室真空度持續(xù)劣化時(shí)，金屬導(dǎo)桿和觸頭與屏蔽罩之間產(chǎn)生了局部放電，最后發(fā)展成電暈現(xiàn)象。此時(shí)屏蔽罩上的電位增加，同時(shí)伴有高次諧波信號(hào)。檢測(cè)方法［7，8］就是通過(guò)監(jiān)測(cè)屏蔽罩上交流電位來(lái)判斷真空度的變化情況，只是受現(xiàn)場(chǎng)工頻干擾的影響較大，本文通過(guò)數(shù)字濾波器提取工頻信號(hào)和高頻信號(hào)，消除周圍噪聲干擾。

搭建一套模擬真空斷路器運(yùn)行環(huán)境和控制真空度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的電場(chǎng)傳感器，傳感器外殼是由絕緣材料制成并且呈柱狀接口，不會(huì)改變屏蔽罩和接地網(wǎng)之間的電場(chǎng)分布，其整體電氣隔離特性和良好的絕緣性能滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性與安全性，并且對(duì)真空斷路器的工作性能無(wú)任何影響。該傳感器探頭除了包括電容部分還包括信號(hào)放大器、供電、信號(hào)傳輸?shù)炔糠?。原理如圖1所示，當(dāng)屏蔽罩電位絕對(duì)值降低，將引起屏蔽罩附近的電場(chǎng)的改變，上述過(guò)程引起電容C2和C3上電荷重新分布，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)輸出端Uo的變化即可跟蹤屏蔽罩Uc的變化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)真空度的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖1 測(cè)量原理等效電路Fig．1 Equivalent circuit ofmeasurement

文獻(xiàn)［10］對(duì)真空度在線監(jiān)測(cè)時(shí)，首先進(jìn)行離線實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定出不同型號(hào)的真空度斷路器屏蔽罩的電位與真空度的關(guān)系，這種方法需要對(duì)各種斷路器做離線標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，同時(shí)容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾。本文敘述的在線監(jiān)測(cè)裝置，不需要事先標(biāo)定真空斷路器屏蔽罩電位與真空度的關(guān)系，對(duì)真空斷路器的狀態(tài)進(jìn)行定性判斷。安裝在線監(jiān)測(cè)裝置后，把斷路器A、B、C三相屏蔽罩電位測(cè)量值通過(guò)軟件增益系數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)試到三相傳感器信號(hào)平衡。然后根據(jù)三相屏蔽罩的電位的相互差值判斷故障相，同時(shí)也記錄不同時(shí)段的有效值，作為趨勢(shì)比較參考。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

真空度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以斷路器A、B、C三相耦合電容傳感器的輸出信號(hào)為輸入，處理器采用Atmel公司生產(chǎn)的AVR芯片atmega32，其內(nèi)部集成了8路為10位的A/D、定時(shí)器、異步串行通信接口和看門狗定時(shí)器，極大地簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多套開(kāi)關(guān)柜，最高達(dá)到256套。計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)觀察到各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作情況，一旦有節(jié)點(diǎn)丟失可馬上報(bào)警，保證了系統(tǒng)的可靠性。

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括智能監(jiān)測(cè)單元、485網(wǎng)絡(luò)通信單元、計(jì)算機(jī)等設(shè)備。每個(gè)開(kāi)關(guān)柜需配備一個(gè)智能監(jiān)測(cè)單元、三個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)A、B、C三相真空開(kāi)關(guān)。其中智能監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、故障識(shí)別診斷等功能，通過(guò)485總線方式上傳數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)。

智能監(jiān)測(cè)單元利用AVR單片機(jī)的AD和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)等間隔采樣，數(shù)據(jù)采樣率為3.2kHz，每次采樣間隔時(shí)間為0.3125ms，利用采樣間隔完成數(shù)字濾波器計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采樣實(shí)時(shí)濾波功能，極大增加了抗干擾能力，消除了周圍環(huán)境帶來(lái)的脈沖干擾、噪音干擾等。連續(xù)采集10個(gè)周期后，計(jì)算采樣數(shù)據(jù)工頻信號(hào)的有效值和諧波含量，作為后面故障診斷依據(jù)。依次完成A、B、C三相數(shù)據(jù)的采集和濾波，軟件體系流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig．2 Monitoring system structure

3.2 智能監(jiān)測(cè)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述斷路器工作環(huán)境干擾較大，如果采用普通的運(yùn)算放大器或者RC組成的濾波器，元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，并且雜散電容會(huì)大大影響濾波器特性。利用MCU自身的資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波，能夠準(zhǔn)確地提取信號(hào)的工頻分量。常用的數(shù)字濾波器FIR濾波器和IIR濾波器，其中IIR數(shù)字濾波器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用存儲(chǔ)空間少、運(yùn)算速度快、較高的計(jì)算精度和能夠用較低的階數(shù)實(shí)現(xiàn)較好的選頻特性等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。這樣就避免了周圍環(huán)境帶來(lái)的干擾，同時(shí)也降低了硬件的復(fù)雜度，可有效減小電路體積，提高電路性能。

本文根據(jù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)10階的切比雪夫I性帶通濾波器和一個(gè)7階高通濾波器分離工頻和高頻信號(hào)，其采樣率3.2kHz，帶通通帶頻率為30～70Hz，通帶衰減1dB，阻帶衰減40dB。高通濾波器，其阻帶頻率60Hz，通帶頻率90Hz。設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器幅頻特性仿真結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示。從圖中可以得出，該數(shù)字濾波器具有良好的濾波功能，提高了抗干擾能力。

圖3 IIR幅頻響應(yīng)曲線Fig．3 IIR amplitude frequency response curves

為了快速實(shí)現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器，把浮點(diǎn)型系數(shù)轉(zhuǎn)換成Q16整型格式，可以大大提高M(jìn)CU的計(jì)算速度，同時(shí)把濾波器系數(shù)存到SRAM區(qū)，方便計(jì)算時(shí)提取系數(shù)數(shù)據(jù)，利用采樣時(shí)間間隔完成IIR數(shù)字濾波器計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線分離傳感器探頭的工頻和高頻信號(hào)，提高了在線監(jiān)測(cè)接地電流的靈敏度和可靠性。根據(jù)濾波后工頻信號(hào)，計(jì)算工頻信號(hào)和高次諧波的有效值，作為診斷真空斷路器真空度的判斷依據(jù)。

4 真空度故障診斷

真空斷路器真空度降低時(shí)，測(cè)量電場(chǎng)的絕對(duì)值需要準(zhǔn)確的校準(zhǔn)曲線，容易受到現(xiàn)場(chǎng)的干擾。本文通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)的絕對(duì)值，分析出電場(chǎng)的相對(duì)值，采用三相不對(duì)稱算法、趨勢(shì)判斷法、高次諧波法來(lái)判斷真空度的變化情況。

4.1 三相不對(duì)稱分析方法

電場(chǎng)傳感器測(cè)量屏蔽罩上的電位，容易受到距離、環(huán)境等多方面的干擾，給每相帶來(lái)不可避免的系統(tǒng)誤差，智能監(jiān)測(cè)單元通過(guò)軟件增益來(lái)平衡抵消系統(tǒng)帶來(lái)的干擾誤差，使斷路器三相傳感器具有相同的指標(biāo)參數(shù)。測(cè)量過(guò)程中，如果某相真空度降低，導(dǎo)致屏蔽罩電位下降或者發(fā)生局部放電導(dǎo)致屏蔽罩電位上升，傳感器測(cè)量信號(hào)如圖4(a)所示，此時(shí)該相經(jīng)過(guò)上述的高階數(shù)字濾波器提取的工頻信號(hào)有效值將明顯降低或者升高，三相濾波后基波有效值兩兩做差，得到三相之間相對(duì)差值|VArms-VBrms|、|VArms-VCrms|、|VCrms-VBrms|，假設(shè)A相故障，A相斷路器傳感器測(cè)量數(shù)值明顯變化，則|VArms-VBrms|、|VArms-VCrms|相對(duì)差值較大，可以診斷出A相真空度發(fā)生了劣化。

圖4 真空及大氣狀態(tài)下實(shí)測(cè)波形Fig．4 Waveformsmeasured in vacuum and atmospheric conditions

4.2 趨勢(shì)判斷法

三相不對(duì)稱分析方法采用了橫向比較三相數(shù)據(jù)，而趨勢(shì)判斷法利用每相傳感器不同時(shí)間段測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，以此計(jì)算真空斷路器真空度的變化趨勢(shì)，如果一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)于另一段時(shí)間內(nèi)的平均值相差較大，可以判定該相真空度發(fā)生劣化。

4.3 高次諧波方法

真空斷路器真空度發(fā)生劣化，壓強(qiáng)在0.5～200Pa，會(huì)伴有局部放電的產(chǎn)生，此時(shí)局部放電信號(hào)會(huì)改變屏蔽罩對(duì)地的電場(chǎng)變化，傳感器測(cè)量信號(hào)中會(huì)含有高次諧波，通過(guò)計(jì)算高次諧波含量，也可以作為真空度劣化程度的依據(jù)。該監(jiān)測(cè)方法具有較高的靈敏度和抗干擾能力。

真空斷路器漏氣故障時(shí)一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，不是瞬間發(fā)生和消失的，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用上述真空度劣化過(guò)程出現(xiàn)的局部放電現(xiàn)象，提取傳感器測(cè)量信號(hào)的高頻信號(hào)作為診斷斷路器的真空度，由于電力系統(tǒng)自身會(huì)出現(xiàn)偶然過(guò)電壓，雖然不是真空斷路器故障，容易誤診斷斷路器故障，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)連續(xù)采集20個(gè)周期內(nèi)，對(duì)20個(gè)周期數(shù)據(jù)分析處理來(lái)綜合判斷斷路器真空度狀況，防止系統(tǒng)自身干擾發(fā)生誤報(bào)，大幅度地降低了電磁和系統(tǒng)過(guò)電壓干擾的影響。

5 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證真空度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性，利用搭建的試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，通過(guò)真空泵將真空斷路器滅弧室抽到真空10～3Pa，此時(shí)電場(chǎng)探頭測(cè)量的波形如圖4(a)所示，該壓強(qiáng)下滅弧室電子的平均自由程較大，不易產(chǎn)生氣體電離，高階數(shù)字濾波器分離的工頻信號(hào)恰好達(dá)到設(shè)定參考值。隨著壓強(qiáng)的降低，滅弧室內(nèi)發(fā)生局部放電，電場(chǎng)探頭測(cè)量的波形如圖5所示，此時(shí)所測(cè)量的電場(chǎng)由于受到放電的影響，與圖4(a)所示波形相比，有大量的高次諧波成分。隨著滅弧室的壓強(qiáng)持續(xù)增加，氣體放電現(xiàn)象終止，此時(shí)電場(chǎng)探頭測(cè)量的波形如圖4(b)所示，所測(cè)量的數(shù)據(jù)又恢復(fù)到正弦波，但是包含的工頻信號(hào)的有效值明顯降低，沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的參考值。通過(guò)上述的多種方法可以診斷出真空斷路器滅弧室的真空度。

圖5 滅弧室內(nèi)局部放電下實(shí)測(cè)波形Fig．5 Arc extinguish chamber partial discharge waveforms

6 結(jié)論

(1)搭建了模擬真空斷路器運(yùn)行的平臺(tái)，測(cè)量真空度控制系統(tǒng)測(cè)量斷路器在不同壓強(qiáng)的屏蔽罩電位的變化。

(2)采用高階數(shù)字濾波器，從電容傳感器中分離出工頻信號(hào)和高次諧波信號(hào)，作為診斷滅弧室真空度的依據(jù)。

(3)利用電場(chǎng)探頭測(cè)試滅弧室屏蔽罩附近的電場(chǎng)變化，由單片機(jī)同時(shí)采集三相滅弧室屏蔽罩的電場(chǎng)變化情況，通過(guò)三相不對(duì)稱分析方法、趨勢(shì)判斷法、高次諧波方法，綜合診斷滅弧室內(nèi)真空度的優(yōu)劣，抵消了由于環(huán)境溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度。

(4)滅弧室真空度在線監(jiān)測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于設(shè)備出現(xiàn)的隱患及損壞趨勢(shì)可以及時(shí)檢測(cè)到，避免事故時(shí)斷路器跳不開(kāi)。

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