真空断路器真空度在线监测系统设计

/榆林电力分公司 巩尚宏/

真空断路器真空度在线监测系统设计

/榆林电力分公司 巩尚宏/

本文着重介绍了真空断路器真空度在线监测系统的设计组成，分析了在线监测系统的测量要素、功能组件和技术指标。本系统采用非接触式天线微波反馈式测量方法，集遥信遥测、数据通信和计算机技术于一体，实现对真空断路器真空度变化趋势的实时监控、分析、诊断、报警，并给出相应的报警信息，运维人员即可及时消除事故隐患和处理设备故障，从而有效避免重大事故的发生，确保电网运行安全。

真空断路器；真空度；在线监测

0 引言

真空断路器相较油开关而言，具有开断容量大，灭弧性能好，机械寿命长，检修周期长，运行维护量小等优点，近年来在我国电网各电压等级变电站中的使用越来越普及。在实际运行当中，真空断路器比较突出的问题主要集中在真空度检测，因为它不同于油开关、SF6开关等易于检测介质含量。真空断路器核心部分是灭弧室，灭弧室是以真空条件作为工作基础的，所以灭弧室内真空度的优劣状况将直接影响电力设备的运行安全。真空断路器在运行过程中真空灭弧室会有不同的泄露，当真空泡真空度达不到要求，会无法正常开断开关，甚至造成三相短路，酿成重大事故。因此，对真空断路器真空度的实时在线检测变得非常重要，运维人员通过实时在线监测系统，可实时获知真空断路器真空度状况，并根据报警信息及时采取措施，消除设备事故隐患，避免重大事故的发生，保证电气设备正常安全运行。

1 系统设计原则

1）分权限设计。可自由设定、分配系统用户管理使用权限。

2）可扩展性。具有极高可扩展性，充分满足今后数据日益增长的需求。

3） 信息共享。系统支持IEC61850、485等标准通讯协议，可与管理网（MIS）互连互通，实现信息共享。

2 国内外研究概况

本文基于非接触式微波反馈原理设计开发的真空断路器真空度在线监测系统，原理简单、工作可靠，无需调整检测基准电平，不受电压等级及安装环境的影响，在国内处于领先水平。

3 变电站真空断路器检测现状分析

当前，从35～220kV各电压等级变电站内真空断路器的数量越来越多，维护工作量也越来越大。对真空断路器真空度的检测方法，目前主要是借鉴采用交流耐压法，但这种方法测量精度很低，不能真正反映真空度的实际状况。当真空断路器真空泡内因泄露存在渐进式的缺陷而无法及时发现时，必然会影响开关的正常操作和安全运行。

为便于实时了解、掌握变电站内真空断路器的实际运行状况，我局急需采用真空度在线监测系统这一新手段，新方法，对真空断路器设备进行有效维护，从而降低维护工作量，提高运维工作效率。同时建立真空度变化趋势数据库，为我局开展真空断路器状态检修工作提供翔实有力的数据支持。

4 系统测量要素分析

4.1 真空泡放电电压求取分析

真空断路器真空泡内放电电压能够破坏电极间气体的绝缘，影响开关断路性能，对能否正常开断开关具有十分重要的意义。

帕邢法则，首次在实验中明确的放电法则，其表述为：某气体在均匀电场中的放电电压为此气体的压力p和间隙距离d乘积的函数，公式为：Vs＝f（pd），即某气体在均匀电场中的放电电压，通过改变压力、间隙距离来求取。

4.2 放电电压和运行电压等级关联趋势分析

真空灭弧室(VI)根据适用的电压等级不同，构造也不一样，因此一般间隙距离也不相同。从上述帕邢法则来看，比较用于电压72kV的VCB（大型VCB）和用于电压12kV的VCB（小型VCB），用横轴来表示压力的话，间隙距离发生改变， 即真空状态恶化，对断路器断路性能产生影响的压力，为“帕邢曲线开始下降，通过运行电压开始放电的压力”，在用于电压12kV的小型VCB，同时外加一定特征的微波信号时，在气体压力约5～10Pa，通过过滤，就能产生十分明显的可识别的反馈信号。

图1 电压等级和开始放电压力的关系

从图1可以看到，对于不同电压等级的真空断路器，真空度恶化到10-2～1Pa程度即开始产生预放电，外加一定特征的微波信号时，就会产生特殊的反馈信号，真空断路器在线监测装置基于以上原理，在预放电初始阶段开始，通过外加信号，捕捉此特殊的反馈信号，此装置适用于各种高中低压真空断路器真空度的在线监测。监测范围可在10-1Pa以上[1]。

5 系统架构设计

5.1 系统架构拓扑

真空断路器真空度在线监测系统主要包括数据服务器、Web服务器、真空度监测终端（内含组合式微波传感器）、具备高级功能的后台专家数据分析软件以及附属的通讯电缆、电源电缆、双绞线等，可实现对处于实际运行状态的真空断路器的真空度变化实时在线监测，并给出相应的报警信息，运维人员即可及时地消除事故隐患和处理设备故障，从而有效避免重大事故的发生。系统结构拓扑如图2所示。

图2 系统结构拓扑图

5.2 系统功能组件

5.2.1 真空度监测终端

真空度监测终端安装在真空断路器操作机构内部，内嵌组合式天线微波反馈式传感器和64位DSP数字处理器，主频不低于150M和同步采样技术，集遥信遥测遥感、数据通信和计算机技术于一体，测量精度高，适用于复杂的电磁电场和户外环境安装；同时，采用四层电路板设计（PCB）和SMT工艺，确保装置优异的稳定性和抗干扰能力。组合式天线微波反馈式传感器检测到屏蔽罩周围的电场反馈信号变化周期量或反馈信号持续时间达到30s以上，内置的二组输出转换接点可按预设门限上传报警、闭锁信号，或直接启动报警、闭锁装置。通过485总线上传送达到DSP数字处理器进行判断处理。当判断真空度泄露时，触发监测终端的告警继电器，发出告警信号并将此信号上传到后台专家数据分析软件[2]。其主要技术指标如下。

（1）继电器动作时间

继电器的典型动作时间：2ms。

（2）绝缘电阻性能

绝缘电阻：装置所有电路与外壳之间的绝缘电阻在标准实验条件下，不小于100MΩ。

（3）电磁抗干扰能力

辐射电磁场干扰试验：能承受GB/T 14598.9－2002规定的严酷等级的辐射电磁场干扰试验。

5.2.2 服务器

服务器包括数据服务器和Web服务器，配置在变电站主监控室内，是具备高级功能的后台专家数据分析软件的硬件载体。其中，数据服务器 采用Windows 2008 Server操作系统，数据库使用MYSQL5.1。数据服务器是真空断路器真空度在线监测系统的核心部分之一，它负责每天定时采集各监测点的实时数据，并将采集来的数据保存在数据库中以供分析；Web服务器提供局域网内各用户对Web服务器的访问，实时查看、调阅各真空度监测终端报送的数据、波形、频谱以及提供对数据服务器的历史数据进行统计分析、统计报表等。

5.2.3 后台专家数据分析软件

（1） 开发架构设计

后台专家数据分析软件安装在变电站主监控室内的服务器上，其开发架构基于如下三点：①数据库采用MYSQL5.1；②数据访问采用数据库连接池技术；③开发语言及框架采用MVC模式。

（2）质量标准设计

本产品的软件质量标准，按国家有关标准、规程标准执行（GB/T 16260—1996《信息技术软件产品评价质量特性及其使用指南》、GB/T 17544—1998《信息技术软件包质量要求和测试》、GB/T 18905—2002《软件工程 产品评价》）。

（3）主要功能指标

1）软件根据监测数据的分析结果，估算出断路器的运行特性和寿命损失，并以直观的趋势图方式显示真空断路器真空度的变化趋势，同时具备数据储存、查询、备份、打印导出等功能。

2）提供远程监测和维护功能，实时监测变电站各个断路器的真空度状态，被授权用户可以远程对仪器进行各项操作和维护。

3）软件实现远程监控和运行状态分析，及时发现断路器内部隐患，具备报警提示功能，具备报警参数和报警方式的预设置功能。

4）软件支持分权限设置，具有密码管理功能。

6 系统创新思想设计

1）软件语言及框架采用MVC模式。开发语言及框架采用JSP+JavaBean+Servlet=MVC模式。

2）原理简单、工作可靠，不破坏原有设备，无需停电。

3）广域同步向量监测技术。基于GPS对时技术的广域同步向量测量技术是在真空断路器真空度发生故障时提供系统的实时动态信息，为电力系统开展真空断路器状态检修和暂态稳定分析与控制提供重要数据支持。

4）数据压缩解压技术。当系统真空度监测终端采取数据时，高速采样产生的数据量很大，很容易造成数据通道阻塞，所以对数据进行压缩是降低通道阻塞和提高性能的一个卓有成效的办法；在压缩传输后还要能够恢复原始信号并保持信号的特征不改变，这就要有高复现度。

5）纠错编码技术。应用香农信道编码定理，使数据信源代码具有检错和纠错能力。即在发送端（真空度监测终端）按一定的规则在信源编码的基础上增加一些监督码元，使这些监督码元与被传送信息码元之间建立一定的规则关系；在接收端（后台专家数据分析软件系统），根据信息码元与监督码元的特定的规则关系，实现检错或纠错，还原解析生成原信息码元。

7 后续研究方向

当前，系统信息的获取、查看以及报警信号的提示都是在监控室的台式PC电脑上显示，第一获取对象仅限于值班人员，一旦发现设备隐患或发生事故，信息的传递还需要值班人员逐一电话通知相关工作负责人。这无疑对于系统信息的获知范围造成了很大的局限性；同时，对于设备隐患或事故处理的时效性也有很大的制约。

随着移动互联网的发展，智能手机的应用也越来越普及。研发“真空断路器真空度在线监测系统”手机端APP（安卓端和苹果端），实现此系统所有信息在PC端电脑显示的同时，也同步共享显示在智能手机端的APP上，实现本系统在PC互联网和移动互联网上的跨网络融媒体应用，从而大大拓展系统信息的获知范围和人员数量，显著提升消除设备隐患和处理事故的时效性。

8 结束语

真空断路器真空度在线监测系统采用非接触式天线微波反馈式测量方法，应用当代先进的广域同步向量监测技术、数据压缩解压技术、纠错编码技术和计算机技术，实现对真空断路器真空度变化趋势的实时监控、分析、诊断、报警，确保电气设备的安全运行。利用本系统的数据积累，逐步建立起我局真空度变化趋势数据库，使真空断路器的检修安排更加科学，更加符合设备自身的运行特性，有效提高了工作效率，减少了检修次数，降低了检修费用，也为我局开展真空断路器状态检修工作提供翔实有力的数据支持。目前，该系统已经得到了实际应用，并取得了良好效果。

[1] 徐海滨，王骏强，许志兵，等. 高压真空断路器真空度在线监测系统设计[J]. 电气开关，2016,54（2）：57-60.

[2] 叶晓东，赵学文. 一种真空断路器真空度在线监测新方法[J]. 电力系统自动化，2006，30（11）：49-51,60.