基于真空斷路器的在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(chǔ)，利用各種傳感器技術(shù)對(duì)真空斷路器進(jìn)行在線工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器的在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè);并設(shè)計(jì)了一套真空斷路器在線監(jiān)測(cè)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(yīng)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(qiáng)度很高，電弧很容易熄滅，所以真空斷路器的滅弧能力很強(qiáng)，介質(zhì)強(qiáng)度也很高，開(kāi)斷后的介質(zhì)恢復(fù)速度也很快。　利用真空條件來(lái)熄弧，這個(gè)設(shè)想早在19世紀(jì)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(dāng)時(shí)未能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。真空斷路器的主要滅弧機(jī)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(gè)大型的真空電子管，外殼有玻璃和陶瓷兩種構(gòu)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(nèi)伸縮，有足夠高的機(jī)械壽命。在動(dòng)、靜觸頭的外周，裝設(shè)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(hù)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(lái)達(dá)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(dá)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(qiáng)度的恢復(fù)。若恢復(fù)了，則能有效的阻止電弧的重燃，否則，電弧會(huì)繼續(xù)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狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證電力控制設(shè)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(cè)過(guò)程

　狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指了解和掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括采用各種檢測(cè)、測(cè)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(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，判斷其處于正?；蚍钦顟B(tài)，并對(duì)狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄，對(duì)異常情況做出報(bào)警，以便運(yùn)行人員及時(shí)加以處理，并對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的故障分析、性能評(píng)估、合理使用和安全工作提供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！⊥ǔｉ_(kāi)關(guān)設(shè)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(shè)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內(nèi)。異常狀態(tài)指缺陷已有一定程度的擴(kuò)展，使開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)發(fā)生一定的變化，開(kāi)關(guān)設(shè)備性能已經(jīng)劣化，但仍能維持工作。此時(shí)應(yīng)該注意設(shè)備性能的發(fā)展趨勢(shì)，即開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)在監(jiān)護(hù)下運(yùn)行。故障狀態(tài)則指設(shè)備性能指標(biāo)已有大的下降，設(shè)備已經(jīng)不能維持正常工作。開(kāi)關(guān)設(shè)備的故障狀態(tài)尚有嚴(yán)重程度之分，包括已有故障萌生并有進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)的早期故障;程度尚不嚴(yán)重，開(kāi)關(guān)設(shè)備尚可勉強(qiáng)“帶病”運(yùn)行的一般功能性故障;已發(fā)展到開(kāi)關(guān)設(shè)備不能運(yùn)行必須停機(jī)的嚴(yán)重故障;已導(dǎo)致災(zāi)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(cè)的步驟主要分為以下三步：

（1）信號(hào)采集　開(kāi)關(guān)設(shè)備在運(yùn)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(jù)不同的診斷需要，選擇能表征設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號(hào)。

（2）信號(hào)處理　這是將采集到的信號(hào)進(jìn)行分類處理、加工，獲得能表征機(jī)器特征過(guò)程，也稱特征提取過(guò)程。（3）狀態(tài)識(shí)別　將經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后獲得的開(kāi)關(guān)設(shè)備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)進(jìn)行比較、對(duì)比以確定設(shè)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(cè)原理　

從上世紀(jì)九十年代開(kāi)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(jī)多功能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字波形采集與處理等高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更多的參數(shù)在線監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)連續(xù)的巡回監(jiān)測(cè)各被測(cè)量，因此，監(jiān)測(cè)內(nèi)容豐富、信息量大、處理速度快，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果可顯示、存儲(chǔ)、打印及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的全部自動(dòng)化。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展逐漸代替了離線監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了離線監(jiān)測(cè)的缺陷。在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)識(shí)別、數(shù)據(jù)庫(kù)等各項(xiàng)功能。它的基本原理是電氣設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)中，利用各種測(cè)量工具測(cè)其工作電流、電壓等特征參數(shù)，采用相應(yīng)形式的傳感器，將被測(cè)信號(hào)（電的和非電的）抽取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成為監(jiān)測(cè)裝置可以檢測(cè)到的標(biāo)準(zhǔn)形式信號(hào)，輸入數(shù)字信號(hào)采集裝置，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行相應(yīng)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(cè)系統(tǒng)的入口器件，其靈敏度和性能的優(yōu)劣直接影響測(cè)量精度，進(jìn)而使數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生較大的誤差。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠正確運(yùn)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(cè)信號(hào)。被測(cè)信號(hào)不同，傳感器的形式也不同?！?shù)據(jù)采集裝置將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量或數(shù)字波形，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整個(gè)采集裝置是在計(jì)算機(jī)的程序控制下工作的。為了滿足測(cè)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(dāng)?shù)耐ǖ罃?shù)。為了采集高頻信號(hào)，還要求采集裝置有相當(dāng)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(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)的功能主要有以下幾個(gè)部分：

（1）控制數(shù)據(jù)采集裝置以適當(dāng)?shù)念l率對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)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(duì)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并判斷所檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)好壞;

（3）建立起數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠隨時(shí)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(kù)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有別與儀表系統(tǒng)的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)和處理設(shè)備運(yùn)行的各種信息，并具有管理和檢索功能。數(shù)據(jù)庫(kù)包括了設(shè)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(cè)和運(yùn)行數(shù)據(jù)等動(dòng)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(duì)運(yùn)行和維修的指導(dǎo)作用是巨大的，可形成趨勢(shì)圖用于判斷設(shè)備健康狀況及發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)能記錄一段時(shí)間內(nèi)的全部詳細(xì)數(shù)據(jù)。

4 真空斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)　

通過(guò)前述分析，真空斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)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(cè)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(yǔ)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(yǔ)言執(zhí)行速度快的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序，保證系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?！?shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用Matlab的互動(dòng)式界面和方便的可視化功能，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理程序。包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面的制作，數(shù)據(jù)的處理。

　從整體來(lái)講，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以Matlab為開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理獨(dú)立運(yùn)作，由C語(yǔ)言編寫的數(shù)據(jù)采集程序控制硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，由Matlab編寫的數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀入、處理、顯示，報(bào)警、打印及數(shù)據(jù)庫(kù)的存取。在遠(yuǎn)程通信中，仍然用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。 5 結(jié)束語(yǔ)　該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)選用硬件少，大多數(shù)工作均由工控機(jī)來(lái)完成，最大程度地降低了系統(tǒng)的成本，減少了因?yàn)楸O(jiān)測(cè)所需的硬件故障而導(dǎo)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(yùn)行，而且可以指導(dǎo)設(shè)備的日常檢修工作，安排最合理的檢修計(jì)劃，減少因設(shè)備維護(hù)所需的各種費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了一種真空斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)用綜合性的測(cè)量手段，準(zhǔn)確的掌握設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)合理的數(shù)據(jù)分析，對(duì)斷路器的狀態(tài)進(jìn)行判斷，并預(yù)測(cè)設(shè)備的壽命，防止故障甚至事故的發(fā)生，并為適當(dāng)?shù)臋z修和維護(hù)提供合理的決策。真空開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)適應(yīng)真空開(kāi)關(guān)技術(shù)發(fā)展和維護(hù)的需要，是一種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法，是將來(lái)電力設(shè)備檢修的發(fā)展方向。