智能化真空断路器寿命在线监测系统

真空断路器是近十几年来快速发展起来的一种新型电器。同传统的油断路器相比，具有许多优点，如不燃爆、不污染、免检期长、可频繁操作、较小的触头间隙、体积小、重量轻、电弧不外露、寿命长等一系列优点，它正逐步取代传统的少油断路器而成为中压配电系统的主要开关设备。

寿命长是真空断路器的显著特点。它的使用寿命是机械寿命与电寿命的综合。其机械寿命是指断路器在空载或额定长期负荷轻载下的分合循环操作次数，着眼于机械动作方面的能力。真空断路器机械寿命比较长，可达10，000次以上。 电寿命是真空断路器的电气开断能力，通常以额定短路开断电流的开断次数来表示。由于强大的电弧对触头的烧蚀，真空断路器的电寿命次数仅数十次。一般来讲，真空断路器的电寿命决定其真实使用期限。如果电寿命超过，真空灭弧室会失效，电弧不能断开，灭弧室可能爆炸，造成重大事故。所以，对其电寿命的监测和评估是非常必要的。

当前，随着真空断路器在中压配电系统中日益广泛的采用，对其电寿命的在线监测也变得非常重要。通过实时监测，得出其剩余电寿命，并给出一定的报警信号，维护人员即可进行及时的处理，从而避免重大事故的发生。

传统的电寿命监测方法一般都建立在对开断电流准确测量的基础上，由于断路器在实际运行中，开断电流的变化范围非常大，且在开断短路电流情况下有时会含有直流分量，电流互感器(CT)会出现不同程度的饱和，因此准确测取开断电流存在一定的困难。另外，传统的电寿命监测方法是开断电流的次数，通常在开关柜中有一个开断电流次数的计数器，使用该方法监测断路器的寿命，只需要进行开断电流的测量和简单的计算，在实际操作中忽略了实际因素，因而在一些情况下误差会很大。所以，用传统的电寿命监测方法准确度比较低；再者，由于技术因素的限制，这种方式所能够提供的信息量也比较有限。

随着传感技术、信号处理技术、计算机技术以及微电子技术的发展，开发出真空断路器电寿命智能化监测系统是完全可能的，也是非常必要的。并且，它可以给出较多的信息量和提供报警信息，所以对于电网的安全运行有着重要的意 义。

为此，我们拟研制和开发出一套针对真空断路器电寿命的智能化监测系统。用于在线监测真空断路器的剩余电寿命、开断短路电流次数以及开断电流的数值等参数，并给出相应的报警信息，保障电网的安全可靠运行。 在样机研制成功后，将对一个变电站中的约20台10kV的真空断路器安装此监测装置，并进行集中监控。

二、 真空断路器电寿命临测的研究状况

对于真空断路器来说，影响电寿命的主要冈素是断路器开断电流时山于电弧作用而产生的电磨损，主要有接触表面的破坏、金属材料的损失和变形等。电磨损会影响灭弧室灭弧的性能。由于不同电流下触头的烧损与电流的大小不是简单的比例关系，因此，对于电寿命的监测，简单的累计开断电流的方法误差很大。

一种普遍采用的方法是开断电流加权累计法，开断电流加权累计法采用以下公式： Q= 公式(1) 式中 是第I次断开的电流值、 是加权系数。 一般在1．5到2之间，一般由断路器的电寿命曲线得到，Q即为开断电流加权累计值(累计电磨损值)。将Q与阈值进行比较，可以判断电寿命剩余情况。这种方法只需要知道每次开断电流的大小，比较简单实用。

有关参考文献应用模糊理论，提出断路器电寿命的综合判断方法。根据影响电寿命的六个主要因素—首开相的燃弧时间、后开相的燃弧时间、开断速度、开断时间、首开相在三相中的均匀度和等效开断电流的电磨损系数对断路器的电寿命进行判断。由于不同因素的权重不尽相同，应用这种方法需要大量的试验数据，给这种方法的实际应用带来了一定的困难。

目前，由于在强电磁干扰条件下测试开断大电流方面的困难，国内仅有少数几个单位在理论上作了一些论证，但还没有研制出针对真空断路器电寿命监测的专门化装置，但如前文所述，由于真空断路器在系统中日益广泛的采用，这种装置的出现是迟早之事。

三、 本项目拟研究的主要问题

1． 主要课题和内容

本项目致力于研制和开发真空断路器智能化监测系统，它由以下几部分组成：

1．基于RoSowskl线圈的开断电流测量系统：

2．数据处理以及存储和显示系统：

3．通信系统；

4．系统自检和设定；

5．远端监控软件。

其功能包括以下几个方面：

1．实时监测功能：对断路器剩余寿命以及开断电流次数和电流数值等重要参数进行长期连续的实时监测；

2．显示功能：该系统可以实时显示断路器剩余寿命，开断电流次数和电流数值及对应时间等参数：

3．可以通过按钮查看历史数据，设定和修改设定值：

4．通信功能：可以通过该系统的RS-485串口实现与变电站计算机网络的通信。可以把数据传至上位机，并进行远端监控和报警等。

5．系统自检：对系统本身的工作状况进行自检，发现故障并及时报警；

6．可以通过上位机进行远端监控。

本项目的主要内容包括以下几个方面：

1．研制和开发基于Rogowski线圈的开断电流测量系统；

2．开发数据的处理、存储显示系统；

3．开发通信以及远端控制系统。

在样机研制成功后，对一个变电站中的约20台10kV的真空断路器安装此监测装置，并在控制室中用上位机进行集中监控。

2．项目的技术关键分析

真空断路器电寿命智能化监测是多种技术的综合，包括准确测量开断电流的传感器技术、网络通信技术、信号处理技术以及抗干扰技术等。下面着重介绍以下三项关键技术。

a)开断电流的准确测量技术

真空断路器电寿命智能化监测系统中，关键的也是比较难的技术问题之一是测量几十千安的短路电流，例如31．5kA到50kA。普通的电流互感器(CT)的准确度为5P20或10P20。如果它的额定电流为600A，它只能准确地测到20倍的额定电流，约12kA左右。由于普通的电流互感器带有铁心，电流过大时易饱和，测得的数值就与实际值偏差很大。

本项目采用基于Rogowski线圈的电流传感器，可以实现大变化范围的电流信号的测量，并且在整个测量范围内能够保持很好的线性度。这种传感器不但成本低廉，而且在经过一定的处理后可以达到很高的测量精度。

b)信号处理技术

信号处理包括消除信号中的干扰和故障诊断等，是真空断路器电寿命智能化监测系统中的又一项关键技术。在采用单片机作为处理器时，信号处理方法的选择还要考虑到程序和数据的存储的容量与计算速度。

c)抗干扰技术

构成智能化监测系统装置的弱电元器件，工作电压低，信号弱，耐压水平低。而断路器出的环境十分恶劣，特别是动作时电磁干扰很强。所以如何将处于高电位的开断电流信号传到低电位处的智能化监测系统装置中，并去除干扰信号的影响，也是一项比较难以处理的问题。本项目将从硬件和软件两个方面来解决这个问题。

3．研究的技术路线及本项目技术方案和结论意见

如前所述，简单的以式(1)来表示开断短路电流时的电磨损量是比较实用的，只需要进行一些改进。对于真空断路器来说，影响电寿命的主要因素是触头的电磨损。因此，真空断路器的电寿命可以通过触头的电磨损量进行分析。 开断电流加权累计法以其简单方便而被普遍采用。当事实上，影响开断时电磨损的因素很多。除了开断电流外，分闸相位、分闸速度、燃弧时间、触头材料、灭弧室的结构等，与电磨损都有直接的关系。在其他条件一定的条件下，燃弧时间则起着决定性的作用。也就是说，开断电流加权累计法忽略了一些实际问题，因而在某些情况下误差会较大。但是，要实现那些细微的理论考虑，是非常困难的。所以结论还是采用较为实用的开断电流加权累计法。

参考文献通过系统的分析和论证，得出以下结论：电寿命监测时不仅要同时考虑开断电流和燃弧时间，还应当三相分别进行。

本项目采用三相同时监测，最后作综合平均处理的方法。真空断路器电寿命智能化监测系统原理图如图1所示。

该装置的工作原理为：真空断路器断开断短路电流时，由套在三相母线上的三个Rogowski线圈采集电流信号，经双屏蔽电缆将该信号传输到低电位，再经A／D，把三路信号转化成数字量，最后，通过单片机进行信号处理，再由相应模块完成显示、存储和通信等功能。

如图1所示，电寿命智能化监测系统中的CPU采用的是80C196单片机或PC机，它负责计算每次断开电流的加权电磨损量及累计的加权累计电磨损量，并与允许的(设定的)电磨损量进行比较，得出真空断路器的剩余电寿命，并由液晶板显示。整个智能化监测系统由该单片机协调。

除此之外，还要开发出一套远端监控系统软件。通过该软件，上位机可以很方便的取得智能化监测系统的运行数据和历史记录，也可以把变电站内的多个真空断路器电寿命的监测系统组成一个网络系统，由一台上位机统一监控。 显示 键盘 RS.485 图1 智能化监测系统原理示意图