/榆林電力分公司 鞏尚宏/

真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

/榆林電力分公司 鞏尚宏/

本文著重介紹了真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計組成，分析了在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量要素、功能組件和技術(shù)指標(biāo)。本系統(tǒng)采用非接觸式天線微波反饋式測量方法，集遙信遙測、數(shù)據(jù)通信和計算機技術(shù)于一體，實現(xiàn)對真空斷路器真空度變化趨勢的實時監(jiān)控、分析、診斷、報警，并給出相應(yīng)的報警信息，運維人員即可及時消除事故隱患和處理設(shè)備故障，從而有效避免重大事故的發(fā)生，確保電網(wǎng)運行安全。

真空斷路器；真空度；在線監(jiān)測

0 引言

真空斷路器相較油開關(guān)而言，具有開斷容量大，滅弧性能好，機械壽命長，檢修周期長，運行維護量小等優(yōu)點，近年來在我國電網(wǎng)各電壓等級變電站中的使用越來越普及。在實際運行當(dāng)中，真空斷路器比較突出的問題主要集中在真空度檢測，因為它不同于油開關(guān)、SF6開關(guān)等易于檢測介質(zhì)含量。真空斷路器核心部分是滅弧室，滅弧室是以真空條件作為工作基礎(chǔ)的，所以滅弧室內(nèi)真空度的優(yōu)劣狀況將直接影響電力設(shè)備的運行安全。真空斷路器在運行過程中真空滅弧室會有不同的泄露，當(dāng)真空泡真空度達不到要求，會無法正常開斷開關(guān)，甚至造成三相短路，釀成重大事故。因此，對真空斷路器真空度的實時在線檢測變得非常重要，運維人員通過實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實時獲知真空斷路器真空度狀況，并根據(jù)報警信息及時采取措施，消除設(shè)備事故隱患，避免重大事故的發(fā)生，保證電氣設(shè)備正常安全運行。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

1）分權(quán)限設(shè)計?？勺杂稍O(shè)定、分配系統(tǒng)用戶管理使用權(quán)限。

2）可擴展性。具有極高可擴展性，充分滿足今后數(shù)據(jù)日益增長的需求。

3） 信息共享。系統(tǒng)支持IEC61850、485等標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可與管理網(wǎng)（MIS）互連互通，實現(xiàn)信息共享。

2 國內(nèi)外研究概況

本文基于非接觸式微波反饋原理設(shè)計開發(fā)的真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)，原理簡單、工作可靠，無需調(diào)整檢測基準(zhǔn)電平，不受電壓等級及安裝環(huán)境的影響，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

3 變電站真空斷路器檢測現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，從35～220kV各電壓等級變電站內(nèi)真空斷路器的數(shù)量越來越多，維護工作量也越來越大。對真空斷路器真空度的檢測方法，目前主要是借鑒采用交流耐壓法，但這種方法測量精度很低，不能真正反映真空度的實際狀況。當(dāng)真空斷路器真空泡內(nèi)因泄露存在漸進式的缺陷而無法及時發(fā)現(xiàn)時，必然會影響開關(guān)的正常操作和安全運行。

為便于實時了解、掌握變電站內(nèi)真空斷路器的實際運行狀況，我局急需采用真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)這一新手段，新方法，對真空斷路器設(shè)備進行有效維護，從而降低維護工作量，提高運維工作效率。同時建立真空度變化趨勢數(shù)據(jù)庫，為我局開展真空斷路器狀態(tài)檢修工作提供翔實有力的數(shù)據(jù)支持。

4 系統(tǒng)測量要素分析

4.1 真空泡放電電壓求取分析

真空斷路器真空泡內(nèi)放電電壓能夠破壞電極間氣體的絕緣，影響開關(guān)斷路性能，對能否正常開斷開關(guān)具有十分重要的意義。

帕邢法則，首次在實驗中明確的放電法則，其表述為：某氣體在均勻電場中的放電電壓為此氣體的壓力p和間隙距離d乘積的函數(shù)，公式為：Vs＝f（pd），即某氣體在均勻電場中的放電電壓，通過改變壓力、間隙距離來求取。

4.2 放電電壓和運行電壓等級關(guān)聯(lián)趨勢分析

真空滅弧室(VI)根據(jù)適用的電壓等級不同，構(gòu)造也不一樣，因此一般間隙距離也不相同。從上述帕邢法則來看，比較用于電壓72kV的VCB（大型VCB）和用于電壓12kV的VCB（小型VCB），用橫軸來表示壓力的話，間隙距離發(fā)生改變， 即真空狀態(tài)惡化，對斷路器斷路性能產(chǎn)生影響的壓力，為“帕邢曲線開始下降，通過運行電壓開始放電的壓力”，在用于電壓12kV的小型VCB，同時外加一定特征的微波信號時，在氣體壓力約5～10Pa，通過過濾，就能產(chǎn)生十分明顯的可識別的反饋信號。

圖1 電壓等級和開始放電壓力的關(guān)系

從圖1可以看到，對于不同電壓等級的真空斷路器，真空度惡化到10-2～1Pa程度即開始產(chǎn)生預(yù)放電，外加一定特征的微波信號時，就會產(chǎn)生特殊的反饋信號，真空斷路器在線監(jiān)測裝置基于以上原理，在預(yù)放電初始階段開始，通過外加信號，捕捉此特殊的反饋信號，此裝置適用于各種高中低壓真空斷路器真空度的在線監(jiān)測。監(jiān)測范圍可在10-1Pa以上[1]。

5 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)拓撲

真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、真空度監(jiān)測終端（內(nèi)含組合式微波傳感器）、具備高級功能的后臺專家數(shù)據(jù)分析軟件以及附屬的通訊電纜、電源電纜、雙絞線等，可實現(xiàn)對處于實際運行狀態(tài)的真空斷路器的真空度變化實時在線監(jiān)測，并給出相應(yīng)的報警信息，運維人員即可及時地消除事故隱患和處理設(shè)備故障，從而有效避免重大事故的發(fā)生。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

5.2 系統(tǒng)功能組件

5.2.1 真空度監(jiān)測終端

真空度監(jiān)測終端安裝在真空斷路器操作機構(gòu)內(nèi)部，內(nèi)嵌組合式天線微波反饋式傳感器和64位DSP數(shù)字處理器，主頻不低于150M和同步采樣技術(shù)，集遙信遙測遙感、數(shù)據(jù)通信和計算機技術(shù)于一體，測量精度高，適用于復(fù)雜的電磁電場和戶外環(huán)境安裝；同時，采用四層電路板設(shè)計（PCB）和SMT工藝，確保裝置優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗干擾能力。組合式天線微波反饋式傳感器檢測到屏蔽罩周圍的電場反饋信號變化周期量或反饋信號持續(xù)時間達到30s以上，內(nèi)置的二組輸出轉(zhuǎn)換接點可按預(yù)設(shè)門限上傳報警、閉鎖信號，或直接啟動報警、閉鎖裝置。通過485總線上傳送達到DSP數(shù)字處理器進行判斷處理。當(dāng)判斷真空度泄露時，觸發(fā)監(jiān)測終端的告警繼電器，發(fā)出告警信號并將此信號上傳到后臺專家數(shù)據(jù)分析軟件[2]。其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）繼電器動作時間

繼電器的典型動作時間：2ms。

（2）絕緣電阻性能

絕緣電阻：裝置所有電路與外殼之間的絕緣電阻在標(biāo)準(zhǔn)實驗條件下，不小于100MΩ。

（3）電磁抗干擾能力

輻射電磁場干擾試驗：能承受GB/T 14598.9－2002規(guī)定的嚴(yán)酷等級的輻射電磁場干擾試驗。

5.2.2 服務(wù)器

服務(wù)器包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和Web服務(wù)器，配置在變電站主監(jiān)控室內(nèi)，是具備高級功能的后臺專家數(shù)據(jù)分析軟件的硬件載體。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)器 采用Windows 2008 Server操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫使用MYSQL5.1。數(shù)據(jù)服務(wù)器是真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分之一，它負責(zé)每天定時采集各監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，并將采集來的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中以供分析；Web服務(wù)器提供局域網(wǎng)內(nèi)各用戶對Web服務(wù)器的訪問，實時查看、調(diào)閱各真空度監(jiān)測終端報送的數(shù)據(jù)、波形、頻譜以及提供對數(shù)據(jù)服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、統(tǒng)計報表等。

5.2.3 后臺專家數(shù)據(jù)分析軟件

（1） 開發(fā)架構(gòu)設(shè)計

后臺專家數(shù)據(jù)分析軟件安裝在變電站主監(jiān)控室內(nèi)的服務(wù)器上，其開發(fā)架構(gòu)基于如下三點：①數(shù)據(jù)庫采用MYSQL5.1；②數(shù)據(jù)訪問采用數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)；③開發(fā)語言及框架采用MVC模式。

（2）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

本產(chǎn)品的軟件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行（GB/T 16260—1996《信息技術(shù)軟件產(chǎn)品評價質(zhì)量特性及其使用指南》、GB/T 17544—1998《信息技術(shù)軟件包質(zhì)量要求和測試》、GB/T 18905—2002《軟件工程 產(chǎn)品評價》）。

（3）主要功能指標(biāo)

1）軟件根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，估算出斷路器的運行特性和壽命損失，并以直觀的趨勢圖方式顯示真空斷路器真空度的變化趨勢，同時具備數(shù)據(jù)儲存、查詢、備份、打印導(dǎo)出等功能。

2）提供遠程監(jiān)測和維護功能，實時監(jiān)測變電站各個斷路器的真空度狀態(tài)，被授權(quán)用戶可以遠程對儀器進行各項操作和維護。

3）軟件實現(xiàn)遠程監(jiān)控和運行狀態(tài)分析，及時發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部隱患，具備報警提示功能，具備報警參數(shù)和報警方式的預(yù)設(shè)置功能。

4）軟件支持分權(quán)限設(shè)置，具有密碼管理功能。

6 系統(tǒng)創(chuàng)新思想設(shè)計

1）軟件語言及框架采用MVC模式。開發(fā)語言及框架采用JSP+JavaBean+Servlet=MVC模式。

2）原理簡單、工作可靠，不破壞原有設(shè)備，無需停電。

3）廣域同步向量監(jiān)測技術(shù)。基于GPS對時技術(shù)的廣域同步向量測量技術(shù)是在真空斷路器真空度發(fā)生故障時提供系統(tǒng)的實時動態(tài)信息，為電力系統(tǒng)開展真空斷路器狀態(tài)檢修和暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制提供重要數(shù)據(jù)支持。

4）數(shù)據(jù)壓縮解壓技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)真空度監(jiān)測終端采取數(shù)據(jù)時，高速采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，很容易造成數(shù)據(jù)通道阻塞，所以對數(shù)據(jù)進行壓縮是降低通道阻塞和提高性能的一個卓有成效的辦法；在壓縮傳輸后還要能夠恢復(fù)原始信號并保持信號的特征不改變，這就要有高復(fù)現(xiàn)度。

5）糾錯編碼技術(shù)。應(yīng)用香農(nóng)信道編碼定理，使數(shù)據(jù)信源代碼具有檢錯和糾錯能力。即在發(fā)送端（真空度監(jiān)測終端）按一定的規(guī)則在信源編碼的基礎(chǔ)上增加一些監(jiān)督碼元，使這些監(jiān)督碼元與被傳送信息碼元之間建立一定的規(guī)則關(guān)系；在接收端（后臺專家數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)），根據(jù)信息碼元與監(jiān)督碼元的特定的規(guī)則關(guān)系，實現(xiàn)檢錯或糾錯，還原解析生成原信息碼元。

7 后續(xù)研究方向

當(dāng)前，系統(tǒng)信息的獲取、查看以及報警信號的提示都是在監(jiān)控室的臺式PC電腦上顯示，第一獲取對象僅限于值班人員，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患或發(fā)生事故，信息的傳遞還需要值班人員逐一電話通知相關(guān)工作負責(zé)人。這無疑對于系統(tǒng)信息的獲知范圍造成了很大的局限性；同時，對于設(shè)備隱患或事故處理的時效性也有很大的制約。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能手機的應(yīng)用也越來越普及。研發(fā)“真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)”手機端APP（安卓端和蘋果端），實現(xiàn)此系統(tǒng)所有信息在PC端電腦顯示的同時，也同步共享顯示在智能手機端的APP上，實現(xiàn)本系統(tǒng)在PC互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)上的跨網(wǎng)絡(luò)融媒體應(yīng)用，從而大大拓展系統(tǒng)信息的獲知范圍和人員數(shù)量，顯著提升消除設(shè)備隱患和處理事故的時效性。

8 結(jié)束語

真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用非接觸式天線微波反饋式測量方法，應(yīng)用當(dāng)代先進的廣域同步向量監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮解壓技術(shù)、糾錯編碼技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)對真空斷路器真空度變化趨勢的實時監(jiān)控、分析、診斷、報警，確保電氣設(shè)備的安全運行。利用本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累，逐步建立起我局真空度變化趨勢數(shù)據(jù)庫，使真空斷路器的檢修安排更加科學(xué)，更加符合設(shè)備自身的運行特性，有效提高了工作效率，減少了檢修次數(shù)，降低了檢修費用，也為我局開展真空斷路器狀態(tài)檢修工作提供翔實有力的數(shù)據(jù)支持。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)得到了實際應(yīng)用，并取得了良好效果。

[1] 徐海濱，王駿強，許志兵，等. 高壓真空斷路器真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電氣開關(guān)，2016,54（2）：57-60.

[2] 葉曉東，趙學(xué)文. 一種真空斷路器真空度在線監(jiān)測新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2006，30（11）：49-51,60.