基于真空斷路器的在線實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

介紹了真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以現(xiàn)代狀態(tài)檢修概念為基礎，利用各種傳感器技術(shù)對真空斷路器進行在線工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行處理和判斷，實現(xiàn)對真空斷路器的在線實時狀態(tài)監(jiān)測;并設計了一套真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)。

 1 真空斷路器的結(jié)構(gòu)及原理　

真空斷路器廣泛地應用在電力控制系統(tǒng)中。在真空條件下（一般指10-4至10-7Torr），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，開斷后的介質(zhì)恢復速度也很快?！±谜婵諚l件來熄弧，這個設想早在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，當時未能實現(xiàn)實用化。真空斷路器的主要滅弧機構(gòu)就是真空滅弧室，如圖1所示：

由圖1知，真空滅弧室的結(jié)構(gòu)很象一個大型的真空電子管，外殼有玻璃和陶瓷兩種構(gòu)造，動觸頭的密封靠金屬波紋管，在允許的彈性變形范圍內(nèi)伸縮，有足夠高的機械壽命。在動、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、均勻電場分布、保護外殼等表面絕緣作用?！≌婵諗嗦菲鞯臏缁≡砼c其他種類斷路器滅弧原理不同，其他斷路器主要利用滅弧介質(zhì)來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達到滅弧的目的。因此，電流過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，電弧會繼續(xù)燃燒直到下一個過零點，才有可能熄弧?！∫虼耍阅荦R全的真空斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是保證電力控制設備安全、可靠工作的重要保證。

 2 真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測過程

　狀態(tài)監(jiān)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(jiān)視、分析和判別方法，結(jié)合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀，考慮環(huán)境因素，對開關(guān)設備運行狀態(tài)進行評估，判斷其處于正?；蚍钦顟B(tài)，并對狀態(tài)進行顯示和記錄，對異常情況做出報警，以便運行人員及時加以處理，并對開關(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(shù)據(jù)?！⊥ǔｉ_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有缺陷，或雖有缺陷但其性能仍在允許的限度以內(nèi)。異常狀態(tài)指缺陷已有一定程度的擴展，使開關(guān)設備狀態(tài)信號發(fā)生一定的變化，開關(guān)設備性能已經(jīng)劣化，但仍能維持工作。此時應該注意設備性能的發(fā)展趨勢，即開關(guān)設備應在監(jiān)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一步發(fā)展趨勢的早期故障;程度尚不嚴重，開關(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(jiān)測的步驟主要分為以下三步：

（1）信號采集　開關(guān)設備在運行過程中必然會有力、熱、振動和能量等各種量的變化，由此會產(chǎn)生各種不同信息。根據(jù)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行分類處理、加工，獲得能表征機器特征過程，也稱特征提取過程。（3）狀態(tài)識別　將經(jīng)過信號處理后獲得的開關(guān)設備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)進行比較、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 真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測原理　

從上世紀九十年代開始，出現(xiàn)了以數(shù)字波形采集和處理技術(shù)為核心的微機多功能在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用先進的傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字波形采集與處理等高新技術(shù)，實現(xiàn)更多的參數(shù)在線監(jiān)測。這種監(jiān)測系統(tǒng)可以實時連續(xù)的巡回監(jiān)測各被測量，因此，監(jiān)測內(nèi)容豐富、信息量大、處理速度快，對監(jiān)測結(jié)果可顯示、存儲、打印及報警，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測的全部自動化。在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展逐漸代替了離線監(jiān)測，彌補了離線監(jiān)測的缺陷。在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識別、數(shù)據(jù)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(shù)，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，轉(zhuǎn)換成為監(jiān)測裝置可以檢測到的標準形式信號，輸入數(shù)字信號采集裝置，通過A/D轉(zhuǎn)換，然后進行相應的數(shù)據(jù)分析和特征提取。其原理框圖如圖3所示：

　傳感器是在線監(jiān)測系統(tǒng)的入口器件，其靈敏度和性能的優(yōu)劣直接影響測量精度，進而使數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生較大的誤差。監(jiān)測系統(tǒng)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、線性度好，能夠不失真的轉(zhuǎn)換被測信號。被測信號不同，傳感器的形式也不同?！?shù)據(jù)采集裝置將被測信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量或數(shù)字波形，以便進行數(shù)據(jù)處理。整個采集裝置是在計算機的程序控制下工作的。為了滿足測量精度，要求采集裝置具有一定的采樣速度和A/D轉(zhuǎn)換精度，以及適當?shù)耐ǖ罃?shù)。為了采集高頻信號，還要求采集裝置有相當高的采樣頻率?！?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這部分的核心器件是一臺工業(yè)計算機。

系統(tǒng)的功能主要有以下幾個部分：

（1）控制數(shù)據(jù)采集裝置以適當?shù)念l率對被測信號進行采集，并能夠從數(shù)據(jù)采集裝置中讀入采集到的數(shù)據(jù);

（2）對采集進來的數(shù)據(jù)進行處理，利用處理后的數(shù)據(jù)進行分析并判斷所檢測設備的狀態(tài)好壞;

（3）建立起數(shù)據(jù)庫，能夠隨時提取歷史數(shù)據(jù)。并能夠?qū)崿F(xiàn)顯示打印等功能?！?shù)據(jù)庫是監(jiān)測系統(tǒng)有別與儀表系統(tǒng)的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫用來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(shù)據(jù)庫包括了設備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、特征參數(shù)、工作參數(shù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測和運行數(shù)據(jù)等動態(tài)參數(shù)，還記錄了各類的歷史數(shù)據(jù)，如典型故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)記錄的歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫應能記錄一段時間內(nèi)的全部詳細數(shù)據(jù)。

4 真空斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)　

通過前述分析，真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

　由圖4知，真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩大部分，一部分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一部分為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用的軟件為Matlab和C語言. 　采集系統(tǒng)選取了合適的數(shù)據(jù)采集裝置和傳感器等硬件，并利用C語言執(zhí)行速度快的特點，開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序，保證系統(tǒng)能夠快速、準確、實時的進行數(shù)據(jù)采集?！?shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用Matlab的互動式界面和方便的可視化功能，開發(fā)數(shù)據(jù)處理程序。包括監(jiān)測系統(tǒng)主界面的制作，數(shù)據(jù)的處理。

　從整體來講，該監(jiān)測系統(tǒng)是以Matlab為開發(fā)平臺實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理獨立運作，由C語言編寫的數(shù)據(jù)采集程序控制硬件進行數(shù)據(jù)的采集，由Matlab編寫的數(shù)據(jù)處理負責數(shù)據(jù)的讀入、處理、顯示，報警、打印及數(shù)據(jù)庫的存取。在遠程通信中，仍然用C語言來實現(xiàn)。 5 結(jié)束語　該系統(tǒng)實現(xiàn)選用硬件少，大多數(shù)工作均由工控機來完成，最大程度地降低了系統(tǒng)的成本，減少了因為監(jiān)測所需的硬件故障而導致采集的數(shù)據(jù)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：設計了一種真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過運用綜合性的測量手段，準確的掌握設備狀態(tài)，通過合理的數(shù)據(jù)分析，對斷路器的狀態(tài)進行判斷，并預測設備的壽命，防止故障甚至事故的發(fā)生，并為適當?shù)臋z修和維護提供合理的決策。真空開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測適應真空開關(guān)技術(shù)發(fā)展和維護的需要，是一種先進的監(jiān)測方法，是將來電力設備檢修的發(fā)展方向。