真空斷路器真空度在線監測系統設計

/榆林電力分公司 鞏尚宏/

真空斷路器真空度在線監測系統設計

/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測系統的設計組成，分析了在線監測系統的測量要素、功能組件和技術指標。本系統采用非接觸式天線微波反饋式測量方法，集遙信遙測、數據通信和計算機技術于一體，實現對真空斷路器真空度變化趨勢的實時監控、分析、診斷、報警，并給出相應的報警信息，運維人員即可及時消除事故隱患和處理設備故障，從而有效避免重大事故的發生，確保電網運行安全。

真空斷路器；真空度；在線監測

0 引言

真空斷路器相較油開關而言，具有開斷容量大，滅弧性能好，機械壽命長，檢修周期長，運行維護量小等優點，近年來在我國電網各電壓等級變電站中的使用越來越普及。在實際運行當中，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、SF6開關等易于檢測介質含量。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的，所以滅弧室內真空度的優劣狀況將直接影響電力設備的運行安全。真空斷路器在運行過程中真空滅弧室會有不同的泄露，當真空泡真空度達不到要求，會無法正常開斷開關，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測系統，可實時獲知真空斷路器真空度狀況，并根據報警信息及時采取措施，消除設備事故隱患，避免重大事故的發生，保證電氣設備正常安全運行。

1 系統設計原則

1）分權限設計。可自由設定、分配系統用戶管理使用權限。

2）可擴展性。具有極高可擴展性，充分滿足今后數據日益增長的需求。

3） 信息共享。系統支持IEC61850、485等標準通訊協議，可與管理網（MIS）互連互通，實現信息共享。

2 國內外研究概況

本文基于非接觸式微波反饋原理設計開發的真空斷路器真空度在線監測系統，原理簡單、工作可靠，無需調整檢測基準電平，不受電壓等級及安裝環境的影響，在國內處于領先水平。

3 變電站真空斷路器檢測現狀分析

當前，從35～220kV各電壓等級變電站內真空斷路器的數量越來越多，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。當真空斷路器真空泡內因泄露存在漸進式的缺陷而無法及時發現時，必然會影響開關的正常操作和安全運行。

為便于實時了解、掌握變電站內真空斷路器的實際運行狀況，我局急需采用真空度在線監測系統這一新手段，新方法，對真空斷路器設備進行有效維護，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據庫，為我局開展真空斷路器狀態檢修工作提供翔實有力的數據支持。

4 系統測量要素分析

4.1 真空泡放電電壓求取分析

真空斷路器真空泡內放電電壓能夠破壞電極間氣體的絕緣，影響開關斷路性能，對能否正常開斷開關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，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聯趨勢分析

真空滅弧室(VI)根據適用的電壓等級不同，構造也不一樣，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，間隙距離發生改變， 即真空狀態惡化，對斷路器斷路性能產生影響的壓力，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程度即開始產生預放電，外加一定特征的微波信號時，就會產生特殊的反饋信號，真空斷路器在線監測裝置基于以上原理，在預放電初始階段開始，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測。監測范圍可在10-1Pa以上[1]。

5 系統架構設計

5.1 系統架構拓撲

真空斷路器真空度在線監測系統主要包括數據服務器、Web服務器、真空度監測終端（內含組合式微波傳感器）、具備高級功能的后臺專家數據分析軟件以及附屬的通訊電纜、電源電纜、雙絞線等，可實現對處于實際運行狀態的真空斷路器的真空度變化實時在線監測，并給出相應的報警信息，運維人員即可及時地消除事故隱患和處理設備故障，從而有效避免重大事故的發生。系統結構拓撲如圖2所示。

圖2 系統結構拓撲圖

5.2 系統功能組件

5.2.1 真空度監測終端

真空度監測終端安裝在真空斷路器操作機構內部，內嵌組合式天線微波反饋式傳感器和64位DSP數字處理器，主頻不低于150M和同步采樣技術，集遙信遙測遙感、數據通信和計算機技術于一體，測量精度高，適用于復雜的電磁電場和戶外環境安裝；同時，采用四層電路板設計（PCB）和SMT工藝，確保裝置優異的穩定性和抗干擾能力。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時間達到30s以上，內置的二組輸出轉換接點可按預設門限上傳報警、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數字處理器進行判斷處理。當判斷真空度泄露時，觸發監測終端的告警繼電器，發出告警信號并將此信號上傳到后臺專家數據分析軟件[2]。其主要技術指標如下。

（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準實驗條件下，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規定的嚴酷等級的輻射電磁場干擾試驗。

5.2.2 服務器

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

5.2.3 后臺專家數據分析軟件

（1） 開發架構設計

后臺專家數據分析軟件安裝在變電站主監控室內的服務器上，其開發架構基于如下三點：①數據庫采用MYSQL5.1；②數據訪問采用數據庫連接池技術；③開發語言及框架采用MVC模式。

（2）質量標準設計

本產品的軟件質量標準，按國家有關標準、規程標準執行（GB/T 16260—1996《信息技術軟件產品評價質量特性及其使用指南》、GB/T 17544—1998《信息技術軟件包質量要求和測試》、GB/T 18905—2002《軟件工程 產品評價》）。

（3）主要功能指標

1）軟件根據監測數據的分析結果，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，同時具備數據儲存、查詢、備份、打印導出等功能。

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

3）軟件實現遠程監控和運行狀態分析，及時發現斷路器內部隱患，具備報警提示功能，具備報警參數和報警方式的預設置功能。

4）軟件支持分權限設置，具有密碼管理功能。

6 系統創新思想設計

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

2）原理簡單、工作可靠，不破壞原有設備，無需停電。

3）廣域同步向量監測技術。基于GPS對時技術的廣域同步向量測量技術是在真空斷路器真空度發生故障時提供系統的實時動態信息，為電力系統開展真空斷路器狀態檢修和暫態穩定分析與控制提供重要數據支持。

4）數據壓縮解壓技術。當系統真空度監測終端采取數據時，高速采樣產生的數據量很大，很容易造成數據通道阻塞，所以對數據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原始信號并保持信號的特征不改變，這就要有高復現度。

5）糾錯編碼技術。應用香農信道編碼定理，使數據信源代碼具有檢錯和糾錯能力。即在發送端（真空度監測終端）按一定的規則在信源編碼的基礎上增加一些監督碼元，使這些監督碼元與被傳送信息碼元之間建立一定的規則關系；在接收端（后臺專家數據分析軟件系統），根據信息碼元與監督碼元的特定的規則關系，實現檢錯或糾錯，還原解析生成原信息碼元。

7 后續研究方向

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

隨著移動互聯網的發展，智能手機的應用也越來越普及。研發“真空斷路器真空度在線監測系統”手機端APP（安卓端和蘋果端），實現此系統所有信息在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，實現本系統在PC互聯網和移動互聯網上的跨網絡融媒體應用，從而大大拓展系統信息的獲知范圍和人員數量，顯著提升消除設備隱患和處理事故的時效性。

8 結束語

真空斷路器真空度在線監測系統采用非接觸式天線微波反饋式測量方法，應用當代先進的廣域同步向量監測技術、數據壓縮解壓技術、糾錯編碼技術和計算機技術，實現對真空斷路器真空度變化趨勢的實時監控、分析、診斷、報警，確保電氣設備的安全運行。利用本系統的數據積累，逐步建立起我局真空度變化趨勢數據庫，使真空斷路器的檢修安排更加科學，更加符合設備自身的運行特性，有效提高了工作效率，減少了檢修次數，降低了檢修費用，也為我局開展真空斷路器狀態檢修工作提供翔實有力的數據支持。目前，該系統已經得到了實際應用，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測系統設計[J]. 電氣開關，2016,54（2）：57-60.

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