摘 要:真空断路器的使用寿命、耐压水平和分断能力主要取决于真空灭弧室内部的真空度。在生产运行中,由于无法对真空度进行有效的实时监测,两次检修期间因灭弧室真空度劣化导致开关爆炸的事故时有发生,严重影响了电力系统的稳定运行。本文对灭弧室中金属屏蔽罩上的电位进行了试验研究,并基于脉冲放电检测原理,研制出了一种用于真空断路器真空度预警的在线监测装置,取得了良好的使用效果。
关键词:真空度;脉冲放电;在线监测
1 引言
真空断路器以其体积小、开断寿命长、装配工艺简单、灭弧室免维护等优点,近年来在中低压配网领域逐步占据了主导地位。同时,在地铁、轻轨等寸土寸金的城市基础建设领域优势明显。
但是,真空断路器在运行过程中真空灭弧室内部的真空度会逐渐下降,当真空度劣化到一定程度时进行分合闸操作,就可能会引发事故。根据电力行业标准《12kV～40．5kV高压真空断路器订货技术条件》(DL/T 403-2000),在允许储存期期末,真空灭弧室内部气体压强不得大于6．6×10-2Pa,真空灭弧室随同真空断路器出厂时的真空灭弧室内部气体压强不得大于1．33×10-2Pa[1]。
由于真空灭弧室是由铜(动、静导电杆)、铜铬合金(触头)、无氧铜或不锈钢(波纹管、屏蔽罩)、陶瓷或玻璃(壳体)、聚四氟乙烯或石墨尼龙(导向套)等不同材质的部件组成,以及特殊的焊接和装配工艺,因此在工作过程中会存在缓慢的漏气现象,其主要原因可总结为:(1)焊缝慢性漏气;(2)内部零件释放气体;(3)绝缘外壳等密封零件渗漏[2]。在生产运行中虽然有定期检修制度,但因无法对真空度进行实时监测,两次检修期间因真空劣化导致开关爆炸的事故时有发生[3]。因此,真空度在线监测已经成为一次设备状态检修领域的一项重要课题。
目前,已经提出的真空度在线监测方法有:电光变换法[4]、耦合电容法[5]、超声波检测法[6]、高频脉冲电流检测法[7]、通过分压电容检测屏蔽罩放电电流法[8]、屏蔽罩电位法[9]等,但由于其各自的局限性,均难以推广。本文基于脉冲放电检测原理[10-12],通过非接触式传感器捕捉运行状态下的真空断路器在真空度下降时产生的电位下降及脉冲放电现象,并由装置软、硬件回路来实时监测伴随真空泄漏时放电信号的大小、持续时间和频率等信息,在真空度下降初期发出告警信号,提醒运行人员进一步处理,消除可能发生的事故。
2 真空度与金属屏蔽罩表面电位的关系
为了不破坏真空断路器及其操动机构本体,本文采用了非接触式的电场探测传感器和12kV/4kA的玻璃绝缘外壳、陶瓷瓷柱式灭弧室为试验对象,用于获得灭弧室中真空度与屏蔽罩电位的关系,电场探测传感器与灭弧室结构如图1所示。
图1 电场探测传感器与灭弧室结构
图1中,电场探测传感器为倒L型平板结构,铝合金材质,背面和顶部采用环氧树脂板粘合,传感器引出线采用同轴电缆,安装时直接将L型电场探测传感器固定在操动机构金属壳体上部即可,无需改造操动机构本体。
根据高压放电理论,我们分别以放电点压力和放电电压的电场探测传感器输出值为横、纵坐标,通过改变灭弧室中的气体压力,可以绘制出如图2所示的一条帕邢曲线[13]。
从图2可以看出,在灭弧室内部气体压力为0．01Pa时,屏蔽罩上的电位即开始出现下降趋势。从灭弧室内部气体压力下降至0．1Pa开始,屏蔽罩上的电位急剧下降,直至帕邢曲线的底部,之后随着灭弧室内部气体压力的进一步上升,屏蔽罩电位开始缓慢上升。因此,在灭弧室内部气体压力下降初期,电场强度急剧下降这种特性可以作为监测真空度下降的第一个判据。
图2 真空度与金属屏蔽罩表面电位的关系
同时试验表明,在灭弧室内部气体压力下降到一定程度时,屏蔽罩上开始出现微弱的脉冲放电现象,这种脉冲放电现象在帕邢曲线底部最为频繁和强烈,之后随着灭弧室内部气体压力的进一步上升又趋于缓和。如图3所示为额定电压为12kV的真空灭弧室发生脉冲放电时,在一个周波内放 电信号的波形特性。
图3 一个周波内放电信号的波形特性
从图3可以看出,对于额定电压为12kV的真空断路器,由于真空度下降而引发放电时,屏蔽罩上的电位是呈阶梯式变化的,此时金属屏蔽罩表面就出现了可供检测的高频脉冲信号。因此,在灭弧室气体压力进一步下降时,周期性出现的高频脉冲可以作为监测真空度下降的第二个判据。
3 灭弧室真空度在线监测原理
由前述分析可知,依据脉冲放电检测原理进行灭弧室真空度的在线监测,主要基于两个判据。判据1:在灭弧室内部气体压力下降初期,屏蔽罩上的电位急剧下降。判据2:在灭弧室内部气体压力进一步下降时,屏蔽罩上会产生周期性的高频脉冲。因此,只要实时检测屏蔽罩上的电场强度和特定频率的放电高频脉冲,即可实现灭弧室真空度的在线监测。
图4 真空度在线监测系统框图
如图4所示为真空度在线监测系统原理框图,在监测装置前端采用200M带宽多路复用器对3相电场探测传感器信号进行分时采集,然后经过信号调理电路分别提取工频信号和特定频率的放电脉冲信号。其中,工频信号用于判断真空度的下降趋势,即判据1;特定频率的放电脉冲信号用于判断真空度的下降程度,即判据2。最后,两路信号分别经模数转换后交由16位高性能数字信号控制器dsPIC33F进行判据的分析处理以及数据存储、报警输出和远程通信等。
4 真空度在线监测装置方案设计
4.1 工频信号与放电脉冲信号提取电路的实现
考虑实际情况,尽管可以在电场探测传感器至监测装置沿路采取良好的屏蔽措施,但是由于局部放电脉冲信号过于微弱,以至于很容易被环境噪声淹没,因此需要对原始信号进行多级调理。在外界存在干扰的情况下,级联放大电路的噪声系数为[14]:
式中,F1、F2…Fn表示每级放大器的噪声系数,KP1、KP2…KPn-1表示每级放大器的功率放大系数。由式(1)可以看出,第一级放大电路对整个滤波电路噪声系数的影响最大。因此,在第一级放大后即对信号进行去噪滤波是整个信号调理电路的关键。本文设计的真空度在线监测装置关键信号调理电路如图5所示。
在图5中,标号“IN”表示原始信号,标号“OUT1”和“OUT2”分别表示检测信号中高频局部放电信号和工频分量信号经调理后的输出。
由放大器U2A～U2C构成带通滤波器,其中心频率为:
由放大器U1A～U1B构成中心频率为50Hz的陷波器,其原理为:取上述带通滤波器通道得到的中心频率信号与中心频率信号相位和放大倍数相同的输入信号做减法运算。
图5 信号提取电路原理图
由前述试验可得,屏蔽罩上产生的高频放电脉冲频率主要集中在5kHz～20kHz范围内。因此将放大器U1C～U1D构成的带通滤波器的中心频率设计为:
如图6所示为上述信号提取电路的幅频特性。
图6 信号提取电路交流小信号分析
在图6中,曲线1为工频分量信号的幅频特性,其带通滤波器的中心频率为50Hz。曲线2为高频局部放电信号的幅频特性,其陷波器中心频率为50Hz,带通滤波电路中心频率为10kHz。
4.2 铁电存储器模块设计
图7 铁电存储器模块原理图
相比EEPROM存储器,铁电存储器(FRAM)具有写入速度快、近乎无限次的写入寿命和功耗小等特点。本文采用的FM3116是美国RAMTRON公司基于I²C总线的多功能铁电存储器,其主要包括16KB的非易失性存储器、内部实时时钟模块、低电压复位机制和非易失性事件计数器等。模块原理图如图7所示,“Y2”为计数器用32．768kHz外部通用晶振,“BT1”为标准3．0V CR1220锂离子纽扣电池。该模块主要用于存储RS485通讯地址、局放超限报警值以及报警次数等参数。
4.3 RS485通信模块设计
RS485总线是被广泛应用的工业串行总线,其采用平衡发送与差分接收的方式实现数字信号的传输,具有极强的抑制共模干扰的能力。
本设计中,RS-485主控芯片选用ADI公司的ADM2587单电源隔离型485芯片,如图8所示。
图8 RS485通信模块原理图
该芯片内部集成了1个DC/DC电源转换器,无需外加DC/DC隔离电源模块。同时,该芯片采用磁隔离技术,取代了传统的光电耦合器隔离电路,消除了光电耦合不稳定的电流传输率、非线性传输、温度和使用寿命等方面的问题,具有更强的瞬态共模抑制能力、更高的时序精度以及更快的数据传输速率。
4.4 系统软件设计
图9 真空度在线监测装置系统软件流程图
真空度在线监测装置系统软件结构如图9所示。
在系统初始化完成之后首先控制多路复用器切换至自检信号通道,对工频信号及放电脉冲信号提取电路进行一次自检。确认无故障后控制多路复用器依次切换至A相电场探测传感器通道、B相电场探测传感器通道和C相电场探测传感器通道,并分别进行数据采集。
自检信号主要由dsPIC33F数字信号控制器内部定时器和PWM模块配合生成,其实质为一组5kHz～20kHz频率的扫频信号,用于模拟屏蔽罩上产生的高频放电脉冲,进而实现对工频信号及放电脉冲信号提取电路的自检。
4.5 真空度在线监测装置的布置
如图10和图11所示分别为真空度在线监测装置的样机及其在额定电压为12kV的西门子3AE-SION型塑壳式真空断路器上的安装图。
图10 真空度在线监测装置样机
图11 真空度在线监测装置安装位置
安装时,需要将平板式电场探测传感器对准真空灭弧室并将其上端固定在操动机构外壳上,然后将同轴电缆通过电缆槽连接至安装于开关柜内的真空度在线监测装置。
5 结束语
本文针对真空断路器真空度在线监测的技术特点,进行了灭弧室中屏蔽罩上电位的试验研究,验证了帕邢曲线并提出了真空度在线监测的两个判据,即:(1)在灭弧室气体压力下降初期,电场强度会急剧下降;(2)在灭弧室气体压力进一步下降时,在屏蔽罩周围会出现周期性的高频脉冲信号。同时,本文基于脉冲放电检测原理,对真空度在线监测系统的软、硬件分别进行了方案设计,基于本文研究成果研制的真空度在线监测装置取得了良好的使用效果。
